電動汽車安全技術 - 圖文-

1、第五章 電動汽車安全技術 電動汽車的發(fā)展史 電動汽車的結(jié)構 電動汽車的安全 事故模式 安全防護與設計要求 電 動 汽 車 電動汽車(Electric Vehicle ， 簡稱EV 指的是純電動汽車、 混合動力（電動）汽車和燃料 電池電動汽車的總稱。 （1）純電動汽車指由電動機驅(qū)動 的汽車。電動機的驅(qū)動電能來源于 車載可充電蓄電池或其他易攜帶能 源儲存的裝置。 （2）混合動力汽車，能夠至少從 下述兩類車載儲存的能量中獲得動 力的汽車:(1可消耗的燃料;(2可 再充電能能量儲存裝置,包括串聯(lián) 式、并聯(lián)式和混連式。 （3） 燃料電池電動汽車，以燃料 電池為電源的電動汽車。 奔馳smart ED純電動

2、車 豐田普銳斯油電混合動力車 上海世博會燃料電池觀光車 三種類型的電動汽車比較 電 動 汽 車 發(fā) 展 史 興起： 興起： 1881年，第一輛電動汽車由法國人Gustave Trouve制造問世，它是采用 鉛酸蓄電池供電、由74.57W的直流電動機驅(qū)動的三輪電動汽車,整車及其駕 駛員的重量約160kg。 1899年，最早的混合動力電動汽車出現(xiàn)在巴黎美術展覽館，它們分別 由比利時Pieper研究院和法國的Vendovelli與Priestly電動車公司制造。 1932年Francis Bacon成功研制了第一臺氫氧燃料電池裝置，由于一些 實質(zhì)性的技術困難，直到1959年Bacon才首次示范其實用

3、的5kw燃料電池系 統(tǒng)。Harry Karl Ihrig在同一年展示了當時令人滿意的裝有20hp燃料電池的牽 引車。 羅尼爾-保時捷串聯(lián)式混合動力汽車 電 動 汽 車 發(fā) 展 史 興起： 興起： 第一輛電動車出現(xiàn)后的隨后20年，是一個電動汽車與相應的內(nèi)燃機車競爭 的年代，這在美國特別明確，美國1900年銷售的4200輛汽車中有38是電 動汽車，22是燃油汽車，40是蒸汽機汽車。1912早期電動汽車發(fā)展到 鼎盛,僅美國電動汽車即達3.4萬輛。1915年美國電動汽車的產(chǎn)量達5000輛。 羅 尼 爾 混 合 動 力 汽 車 式 聯(lián) 串 捷 保 時 - 電動汽車發(fā)展史衰落 電動汽車發(fā)展史 衰落 當燃油

4、汽車變得功率更大、更靈活，尤其 是更易于操縱時，電動汽車開始消失。電 動汽車的高成本無助于與燃油汽車大的對 峙，而其有限的續(xù)航里程和性能確實削弱 了它對燃油汽車的競爭力。在近60年間， 所銷售的電動車僅是一般的高爾夫球車和 運送貨車。 電動汽車發(fā)展史復興 電動汽車發(fā)展史 復興 20世紀80年代人們?nèi)找骊P注空氣質(zhì)量和溫室效應 所產(chǎn)生的影響，電動汽車的發(fā)展再次獲得生機。 20世紀90年代，一些國家和城市開始實施更嚴格 的排放法規(guī)。1990年，美國加州大氣資源管理局 頒布了一項法規(guī)，規(guī)定1998年在加州出售的汽車 中2必須是零排放車輛(Z2VS，到2003年零排放 車輛應達到10。受加州法規(guī)的影響，

5、美國其他 州及世界上其他國家開始制訂類似的法規(guī)。電動 汽車被認為符合零排放標準的唯一可用的技術， 所以電動汽車迅速發(fā)展起來。 電動汽車發(fā)展史復興 電動汽車發(fā)展史 復興 1975年出現(xiàn)第一輛現(xiàn)代汽油電動混合動力車輛。 1981年出現(xiàn)第一輛飛輪電動混合動力車輛。 1981年英國太陽能車輛誕生。 1986年福特和通用電氣公司開發(fā)ETX-I型型電動汽車。80 年代通用汽車公司研制出甲醉燃料電池X型樣車。 1990年通用汽車公司開發(fā)出“沖擊牌”電動汽車，據(jù)悉這是 第一輛為批量生產(chǎn)而設計的現(xiàn)代電動汽車。其車身材料采 用玻璃纖維，動力系統(tǒng)為32塊鉛酸蓄電池和兩臺42kw三相 感應電機，最高車速為128km/

6、h，從靜止加速到96km/h的 時間小于9s，一次充電可行駛144km。 電動汽車發(fā)展史復興 電動汽車發(fā)展史 復興 1994年克萊斯勒汽車公司的甲醇燃料電池 汽車Necar3問世。 1996年通用、豐田聯(lián)合研制的EVl蓄電池電 動汽車進入市場。1996年日本推出RAV4-EV 四人乘電動汽車，該車采用鎳氫電池、永 磁交流同步電動機，最大功率為45kw，最 高車速為125km/h，續(xù)駛里程215km。 電動汽車發(fā)展史復興 電動汽車發(fā)展史 復興 1997年豐圖汽車公司研制的復合動力轎車Prius進入日 本市場。 1998年加拿大巴拉德電力公司開發(fā)出高功率密度的燃 料電池，將燃料電池的功率密度從1立

7、方英尺 (0.027m33kw提高到350kW。 1999年3月戴姆勒-克萊斯勒汽車公司在華盛頓為其投 資11億美元開發(fā)的Necar4燃料電池電動轎車揭牌。 Necar燃料電池汽車 豐田普銳斯油電混合動力汽車 電動汽車發(fā)展史復興 電動汽車發(fā)展史 復興 1999年福特汽車公司研制的燃料電池汽車 P2000在北京、上海展出。 2002-2005年法國雷諾、日本日產(chǎn)、韓國現(xiàn) 代等汽車公司將自己研制的電動汽車投放 市場。 2004年通用在歐洲的歐寶公司將甲醇燃料 電動汽車投放市場。 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 電動汽車與傳統(tǒng)汽車一樣也是由動力裝置、底盤、 電動汽車與傳統(tǒng)汽車一樣也是由動力裝置、底盤、

8、車身和電器設備等四個部分組成。 車身和電器設備等四個部分組成 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 電動汽車的車身和電器設備大部分與傳統(tǒng)汽車基本相同， 電動汽車的車身和電器設備大部分與傳統(tǒng)汽車基本相同， 專門沒計制造的電動汽車以原有的車體和車架設計為基礎， 專門沒計制造的電動汽車以原有的車體和車架設計為基礎，滿 足電動汽車獨有的結(jié)構要求并充分利用了電力驅(qū)動的靈活性。 足電動汽車獨有的結(jié)構要求并充分利用了電力驅(qū)動的靈活性。 因此電動汽車具有以下獨特的特點； 因此電動汽車具有以下獨特的特點； 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 電 動 汽 車 系 統(tǒng) 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 機械 傳動 裝置 驅(qū)動 車輪 電子

9、控制 器 功率 轉(zhuǎn)換 器 電力驅(qū) 動子系 統(tǒng) 電動 機 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 電力驅(qū) 動子系 統(tǒng) 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 電力驅(qū) 動子系 統(tǒng) 1.串聯(lián)式是混合動力電動汽車中最簡單的一種，發(fā)動機輸出的機械能首先 通過發(fā)電機轉(zhuǎn)化為電能，轉(zhuǎn)化后的電能一部分用來給蓄電池充電，另一部 分經(jīng)由電動機和傳動裝置驅(qū)動車輪。 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 電力驅(qū) 動子系 統(tǒng) 2.并聯(lián)式混合動力電動汽車采用發(fā)動機和電動機兩套獨立的驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動車輪。發(fā)動機和電動機通常通過不同的離合器來驅(qū)動車輪，可以 采用發(fā)動機單獨驅(qū)動、電力單獨驅(qū)動或者發(fā)動機和電動機混合驅(qū)動三 種工作模式。 電 動 汽 車 的 結(jié) 構 電

10、力驅(qū) 動子系 統(tǒng) 3.混聯(lián)式混合動力電動汽車在結(jié)構上綜合了串聯(lián)式和并聯(lián)式的特點，與串聯(lián) 式相比，它增加了機械動力的傳遞路線；與并聯(lián)式相比，它增加了電能的傳 輸路線。盡管混聯(lián)式混合動力電動汽車同時具有串聯(lián)式和并聯(lián)式的優(yōu)點，但 其結(jié)構復雜，成本高。不過，隨著控制技術和制造技術的發(fā)展，一些現(xiàn)代混 合動力電動汽車更傾向于選擇這種結(jié)構。 4.復合式混合動力電動汽車結(jié)構更復雜，似乎與混聯(lián)式混合動力電動汽車相 似，因為它們都有起發(fā)電機和電動機作用的電動機，兩者的主要區(qū)別在于復 合型中的電動機允許功率流雙向流動，而混聯(lián)式中的發(fā)電機只允許功率流單 向流動。 電動汽車常用動力電池特性研究 電動汽車對動力電池的要求

11、:1.高能量密度;2.制造成本低;3.壽命長,維修少;4.活性物質(zhì)存放長,自放電自衰減小;5.充放電性能好;6.效率高,設備簡單;7.尺寸小;8.安全性能好;9.更換快捷;10.少量或無需特殊維護設備;在國內(nèi)外開發(fā)的電動汽車中,通常使用的動力電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池以及燃料電池等。電池性能合理評價問題及解決方案 電動汽車動力電池技術是電動車發(fā)展的關鍵, 目前在電動汽車上使用較為廣泛的是鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池等。建立一套較完善的電池綜合性能評價方法體系勢必加快整個電動汽車用動力電池技術的發(fā)展和電動汽車實用步伐。目前, 國內(nèi)對動力電池性能的研究和評價只是停留在對電池單

12、獨進行試驗的層面上, 即在對電池進行恒流放電的情況下對其性能進行研究和評價。 電池性能合理評價問題及解決方案有研究表明, 這種評價和研究方法所得到的電池性能參數(shù)曲線和車輛在運行工況下電池實際工作性能曲線的相關性較差。比如, 在實車實驗中, 鉛酸電池因負極硫酸鹽化程度來決定其壽命。但在一般恒流放電實驗中, 影響電池壽命的原因是正極板柵腐蝕變形, 負極活性物質(zhì)( 海綿鉛 收縮。按目前采用的恒流放電方式對電池性能進行評價可能會影響對動力電池性能研究工作的針對性, 從而導致研究工作失去意義或意義不大。 電池性能合理評價問題及解決方案 純電動汽車用動力電池性能評價新方案:按ECE 循環(huán)運行工況對電動汽車

13、用動力電池放電特性進行仿真分析和實驗研究, 以其取代目前普遍采用的恒流放電評價方式的有效方法。電動汽車用動力電池所涉及的性能參數(shù)很多。模擬車輛實際運行工況, 對電池性能的評價不可能做到面面俱到, 也沒有必要做到面面俱到。選擇適當?shù)男阅軈?shù)來對動力電池進行評價不僅可以節(jié)約評價時間,降低評價費用, 而且可以做到抓大放小, 提高評價的準確性。 電池性能合理評價問題及解決方案 對電池性能的評價主要包括:( 1 對電池的內(nèi)壓進行檢測和評價, 從而得到電池的比功率。( 2 對電池的儲存容量進行檢測和評價, 以獲得電池組能夠提供的持續(xù)行駛里程。( 3 對電池放電性能的檢測和評價, 采用行駛工況模式放電實驗,

14、 以得到電池在車輛行駛過程中能夠提供最大動力性能以及持續(xù)運行時間( 4 對電池使用循環(huán)壽命的評價,按照行駛工況電流模式進行充放電實驗, 以評價電池的使用壽命。( 5 對電池內(nèi)部工作溫度的檢測。( 6 對動力電池組不一致性能的評價, 通過在充放電循環(huán)壽命實驗中監(jiān)測各個電池組的電壓、電流和容量的變化, 監(jiān)測電池組的不一致性能。 電動汽車安全相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車而言,由于采用高電壓驅(qū)動電機,電動汽車其安全性問題更為突出。這是因為電動汽車為了達到較好的能量利用,動力電壓不斷提高,由以往的幾十伏已經(jīng)提高至目前的100-600 V,甚至更高,遠遠超過安全電壓,一旦發(fā)生觸電事故,對人體的傷害將十分嚴重。因此

15、在傳統(tǒng)汽車結(jié)構安全的基礎上,其動力系統(tǒng)的安全性問題更不容忽視。此外,由于動力蓄電池充放特性,容易造成燃燒、爆炸、可燃氣體聚集等問題。隨著市面上電動汽車越來越多,電動汽車事故也隨之增加,因此, 進行電動汽車安全性研究具有極為重大的意義。電動汽車安全相對于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車而言, 由于采用高電壓驅(qū)動電機,電動汽車其安全性問題更為突出。這是因為電動汽車為了達到較好的能量利用, 動力電壓不斷提高, 由以往的幾十伏已經(jīng)提高至目前的100600 伏, 甚至更高, 遠遠超過安全電壓, 一旦發(fā)生觸電事故, 對人體的傷害將十分嚴重。 在傳統(tǒng)汽車結(jié)構安全的基礎上, 其動力系統(tǒng)電動汽車安全 電動汽車安全事故模式電動汽車

16、安全防護要求電動汽車安全設計要求1.車載儲能裝置安全需求 電動汽車可能安全事故模式及防護體系建立 電動汽車動力系統(tǒng)短路時的安全事故模式 電動汽車發(fā)生碰撞時的安全事故模式 短路時的安全事故模式當電動汽車動力系統(tǒng)短路時,將導致動力電池瞬間大電流放電,其產(chǎn)生的安全事故模式主要包括:1燃燒、爆炸對于采用鎳氫電池、鋰離子電池作為動力電池的電動汽車,大電流放電將導致電池排放大量可燃氣體,同時,電池的溫度迅速升高,導致動力電池的燃燒、爆炸等事故。2電傷害當動力電池與汽車的金屬車身短路時,動力電池的高電壓將可能通過金屬車身對乘員產(chǎn)生電擊傷害。 碰撞時的安全事故模式當電動汽車發(fā)生碰撞時,電池將承受巨大的沖擊載荷

17、,并且可能受到擠壓、穿刺等損壞,由此產(chǎn)生的安全事故模式主要包括:1燃燒、爆炸對于密封電池如鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池儲氣罐等,當汽車發(fā)生碰撞時,即使電池未受到擠壓、穿刺等損壞,由于電池內(nèi)部壓力過高、電池本身的制作缺陷,也可能導致動力電池爆炸、燃燒。當汽車發(fā)生碰撞,電池受到擠壓、穿刺等損壞時,將可能直接導致電池的燃燒、爆炸。 碰撞時的安全事故模式當電動汽車發(fā)生碰撞時,電池將承受巨大的沖擊載荷,并且可能受到擠壓、穿刺等損壞,由此產(chǎn)生的安全事故模式主要包括:2電傷害電動汽車在碰撞過程中可能導致電路短路而使車身帶電,對乘員產(chǎn)生電擊傷害。3電解液飛濺傷害由于電動汽車使用的動力電池電解液多為強酸、強堿

18、溶液,當電動汽車發(fā)生碰撞導致電池損壞時,動力電池的電解液可能飛濺到整個車內(nèi),導致人員傷害。4機械傷害電動汽車在碰撞過程中對乘員產(chǎn)生的機械傷害包括車身變形產(chǎn)生的傷害、方向盤等硬物的碰撞和擠壓傷害、動力電池部分的竄動或飛入傷害等。電動汽車高電壓傷害問題及其防護 對于電動汽車電傷害的研究要分析人體安全電壓、電流,避免乘員在動力系統(tǒng)發(fā)生短路、漏電等情況下受到電傷害。根據(jù)國家有關安全標準,人體允許電流不能超過30mA, 在某些特殊場合下將更小。人體電阻主要是由體內(nèi)電阻、皮膚電阻和皮膚電容組成。人體電阻隨著條件的不同在很大范圍內(nèi)變化, 但是, 人體電阻一般不低于1000。我國安全電壓多采用36V, 即大體

19、相當于危險環(huán)境下的安全電壓。 電動汽車高電壓傷害問題及其防護 有的國家規(guī)定2.5V 為一級的安全電壓值,即相當于人體大部分浸入水中, 且如果不能擺脫帶電體或強烈痙攣即可導致致命的二次事故的情況。根據(jù)國際電工標準( IEC 60529為蓄電池驅(qū)動的道路車輛提供能量的電氣裝置: 對正常工作中的觸電防護要求為在任意可接觸的觸點間的峰值電壓應低于42.3V。電動汽車動力系統(tǒng)在危險工況下, 避免人體電傷害的安全電流應小于30mA。由于動力蓄電池在危險工況下可能會出現(xiàn)短路, 短路的巨大電流會使短路處甚至使整個電路過熱, 從而導線的絕緣層燃燒起來, 并引燃周圍的可燃物, 乘員也可能因接觸帶電體而發(fā)生電傷害。

20、 電動汽車設計開發(fā)時應該滿足條件( 1 在電池的整個壽命期內(nèi), 按照標準計算方法計算得到的絕緣電阻值, 除以電池的標稱電壓U, 所得值應大于100/V。( 2 在正常運行狀態(tài)下, 由于電解液的泄漏, 電池組的聯(lián)接端子( 包括與它們相聯(lián)的任何可導電的固定裝置 與任何可導電部分間可能造成漏電電流危害, 因此要求2 個聯(lián)接端子間的爬電距離: d0.25U+5 ( d 單位為mm, U 為2 個端子間的標稱電壓 ; 帶電部分與電底盤間的爬電距離: d0.125U+5( d單位為mm, U 為2 個端子間的標稱電壓 。( 3 電池在車輛制造廠規(guī)定的過電流以及電路出現(xiàn)短路等情況下, 過電流斷開裝置應能及時

21、斷開與電池端子的聯(lián)接電路, 達到避免對人、車及環(huán)境產(chǎn)生危害。 防護電池充電期間或車輛行駛過程中, 種種原因都有可能引發(fā)燃燒、爆炸等事故。當電動汽車采用鋰離子電池時, 若不同容量的鋰離子電池混合使用, 過放電時將會使電池組中容量較小的電池出現(xiàn)反極( 電池的正極變負極, 負極變正極 , 從而使正極的金屬鋰形成易燃易爆物質(zhì)。同時, 由于鋰離子電池在充放電過程中碳負極與正極脫出的氧反應會生成易燃氣體CO; 另外, 由于隔膜被腐蝕使正負極短路, 使有機溶劑電解液發(fā)生反應也會生成易燃氣體等。以上因素均可能造成電動汽車燃燒或爆炸。在電動汽車的開發(fā)與設計過程中要嚴格禁止新舊電池、不同 在電動汽車的開發(fā)與設計過

22、程中要嚴格禁止新舊電池。以避免事故的發(fā)生。容量電池的混合使用, 以避免事故的發(fā)生 防護鉛酸電池、氫-鎳電池、鎘-鎳電池等可能由于過充放電因素產(chǎn)生氫氣而引起燃燒、爆炸傷害。氫氣在空氣中的爆炸極限: 爆炸下限( 體積 4%, 爆炸上限( 體積 76%。氫氣的爆炸( 燃燒 條件為: 必須由其它點火源給予點火能, 氫氣在空氣中的濃度范圍必須在其爆炸極限之內(nèi)。 電動汽車充電、行駛過程中滿足防護要求 為了防止燃燒、爆炸事故的發(fā)生:(1車輛的任何地方不得有潛在危險氣體的聚集。( 2 不允許乘客艙及封閉的貨艙內(nèi)的氫氣濃度超過氣體體積的2%。( 3 允許氣體的最大聚集量應符合國家相關標準。 電動汽車充電、行駛過

23、程中滿足防護要求 為了防止燃燒、爆炸事故的發(fā)生:( 4 當給蓄電池充電時, 應測量制造廠規(guī)定區(qū)域內(nèi)的排氣中氫氣的濃度; 常規(guī)充電操作時, 氫氣濃度應低于氣體體積的1%; 充電期間發(fā)生( 車內(nèi) 通風裝置失效、充電器損壞、動力蓄電池連接端子松動、通風管脫落等故障時, 氫氣濃度應低于氣體體積的2%。( 5 在規(guī)定的排氣區(qū)域內(nèi)不得有電接觸火花源、保險絲火花源、制動襯片火花源、接觸電刷火花源、靜電放電火花源以及香煙、開發(fā)火焰、光源等火花源。 電動汽車蓄電池化學傷害問題及其防護 電動汽車中有毒氣體主要生成于蓄電池電化學反應中,如二氧化硫、硫化氫等。達到一定濃度后, 它們會對乘員造成危害。這種危害不僅包括立

24、即的傷害, 如身體不適、發(fā)病、死亡等, 而且包括對于人體長期的危害, 如致殘、癌變等。對于這些有毒有害氣體的檢測是要充分重視的問題。附表是一些常見的有毒有害氣體的TWA ( 8 小時統(tǒng)計權重平均值 、STEL( 15分鐘短期暴露水平、IDLH( 立即致死量 ppm 和MAC( 車間最大允許濃度mg/m3。 電動汽車蓄電池化學傷害問題及其防護 附表是一些常見的有毒有害氣體的TWA ( 8 小時統(tǒng)計權重平均值 、STEL( 15分鐘短期暴露水平、IDLH( 立即致死量 ppm和MAC( 車間最大允許濃度mg/m3。 電動汽車蓄電池化學傷害問題及其防護 蓄電池的電化學反應中大多有氧氣生成, 一般氧氣

25、含量超過23.5%時稱為氧氣過量(富氧, 此時很容易發(fā)生爆炸;而氧氣含量低于19.5%為氧氣不足( 缺氧 , 此時很容易發(fā)生窒息、昏迷以至死亡。正常的氧氣含量應當在20.9%左右。蓄電池在危險工況下, 例如碰撞、擠壓等原因, 通常造成電解液泄漏。 電動汽車蓄電池化學傷害問題及其防護 泄漏的原因主要有2 個方面:( 1 由于加工的原因, 產(chǎn)品存在形狀及尺寸偏差等各種缺陷, 使零件聯(lián)接處產(chǎn)生間隙, 由于密封兩側(cè)存在壓力差, 工作介質(zhì)就會通過間隙而泄漏。( 2 因為外界作用導致蓄電池殼體破壞, 從而造成電解液泄漏。電解液的泄漏可能對乘員產(chǎn)生氣體、腐蝕等化學傷害,并可能會燒傷乘客和救援人員。因此, 對電解液泄漏的研究有利于改進電動汽車設計的整車安全性。 電動汽車蓄電池化學傷害問題及其防護 預防泄漏的要求:危險工況下, 控制乘客廂外的電解液泄漏量不超過5.0L;總的電解液泄漏量是從碰撞試驗后, 車輛運動停止, 車輛停止30min 期間和整車翻轉(zhuǎn)試驗期間測量所得;危險工況下, 蓄電池電解液不得竄入乘客艙內(nèi);危險工況下, 蓄電池電解液不能從車上甩出。 車載儲能裝