0引言
随着我国环境问题的日益突出，电动汽车越来越受到人们的青睐，政府的政策扶持更是助推了电动汽车市场份额的扩大。但是，电动汽车的安全性能并不十分令人满意。现有电动汽车的交通事故都显示其在安全性能上尚有进一步改善的余地。我国每年交通事故的死亡人数高达数万人，因此有必要加强对电动汽车交通事故形态的研究并探讨相应的对策。
目前，在交通事故统计方面，电动汽车未单独分类，同时，作为新兴产品，很多电动汽车还处于初期使用阶段。但是，对于电动汽车而言，其交通事故的形态有着新的特点。由于电动汽车采用电力驱动，在交通事故中极易出现二次事故，包括电池组爆炸、漏电以及因此而产生的火灾等，从而加剧事故的严重程度。目前，交通事故安全防范研究的重点主要集中在传统的汽油车上，而电动汽车在交通事故发生后有着更为严重的二次事故特征，同时，在汽车碰撞安全检测方面，电动汽车也存在着更高的难度。因此，加强电动汽车交通安全研究有着非常重要的意义和实用价值。
文中通过对电动汽车碰撞事故特点进行研究，提出了一种新型的电池组防护与约束结构，并通过数值仿真，验证了其有效性，可为后续相关研究提供参考和借鉴。
1电池组安全防范
目前对于电动汽车电池组的安全防护研究主要集中于电池组的充放电保护，侧重于电学领域，对于电池组的机械防护研究较少。电池箱是目前绝大多数电动汽车采用的保护手段。从国内外相关文献来看，对于电动汽车电池组的防碰撞保护主要集中于电池箱结构的改善，包括选用高强度材料、采用加强筋以及设置缓冲装置等。在实际生产中，电池箱的结构形式多种多样。以国外的特斯拉为例，公开的US8286743B2号专利详细描述了特斯拉电动汽车电池箱的结构，整个箱体相当于一个底盘，呈平铺式结构。在防碰撞保护上，一方面采用高强度的钛合金板来加强对电池组的保护，另一方面采用横向的隔板来抵御侧面的撞击，具体体现在箱体中部的隔板厚于其余隔板，这对于国内电动汽车电池箱设计具有一定的借鉴意义。
在电池组的试验规范及安全性要求上，国内外关于电动汽车安全标准和法规主要有:GB/T18384.1-2001《电动汽车安全要求第1部分:车载储能装置》、GB/T19751-2005《混合动力电动汽车安全要求》、美国的FMVSS305《电解液溢出及电机事故防护》和欧洲的ECER94-1995《在汽车正面碰撞中保护乘员的统一规定》等。根据以上标准和法规，从电池组的安装上看，电动汽车碰撞的安全性要求主要包括乘员保护和第三方保护。乘员保护指电池组受到碰撞后不得窜入客舱，威胁乘车人安全，第三方保护指电池组受到碰撞后不得从车上掉落或者甩出，以免对第三方造成伤害。因此所设计的电池保护装置既要实现对电池组本身的保护，又要对其形成空间上的位移约束，防止二次事故发生。
2电池组防护装置设计
2.1设计思路
国内的电动汽车电池组以箱体结构为主，不同于特斯拉的底盘式结构。因此受结构尺寸的限制，普通的方形结构电池箱难以抵挡大质量的高速冲击。很多实际及仿真碰撞试验表明，当车辆碰撞速度达50km/h时，电池组受到这样的冲击极其危险。因此对于电池组的防护装置设计可考虑采用机械缓冲结构，通过缓冲作用来吸收部分碰撞的能量，降低电池组可能受到的冲击力，从而达到对电池组保护的目的。
2.2设计实例
本文所设计的电池组保护机构内置电池箱。装置呈开放式结构，有利于散热。
不同的电动汽车生产制造厂家所采用的电池组尺寸各不相同，参照中华人民共和国汽车行业标准QC/T840-2010中关于电动汽车用蓄电池产品规格尺寸的相关规定，确定本文设计装置所能容纳的电池组尺寸为500×280×752(单位:mm)。电池组在水平方向上与支架上的螺孔相连接，竖直方向上由车体支撑，以减轻电池组保护机构的载荷，同时也便于后续的分析。
其基本原理是:首先将横向的冲击力通过连杆机构转换为纵向的冲击力，然后通过弹簧3来缓冲纵向的冲击力。同时由于受到连杆的推动，电池约束框1分别向上下两侧运动，逐步释放约束框内的.电池箱，一旦冲击力过大，电池箱将被释放，可在装置内部自由移动，避免刚性碰撞。其中的主要吸能装置为弹簧，弹簧与滑块固连，滑块与约束框固连。设约束框与电池箱在纵向的单侧接触长度为δ，菱形连杆机构中连杆8的长度为L。为了保证大冲击力下电池组能够被成功释放，设计中两者关系应当满足:
δ>1-??32()L
该装置为纯机械结构，可靠性高。值得注意的是上述结构并不代表实际生产中的设计结构，只是提供一种防护装置的设计理念，具体方案根据实际需求而定。例如为了保证电池不窜入客舱，约束框1的顶部可设计为封闭式结构;为了保证有效抵御冲击力防护杆1可增扩展为板型或者网状结构。
2.3数值仿真及结构改进
为验证所设计保护装置的有效性，对上述模型进行了数值仿真对比试验。首先从直观上观察可知防护杆6的结构显然不利于抵挡来自侧向的撞击，因此将其改为结构强度更好的管状结构。鉴于模型的对称性，取其一半进行分析。通过CAD软件UG建立机构三维模型，然后导入ANSYS软件中建立有限元分析模型。
在仿真实验中所有部件材料取为Q235。鉴于大多数电池组外层都有一层金属保护壳，本文作为探究性实验，旨在定性地考察所设计装置对于电池组的保护效果，因此将对被保护对象作合理的简化。在仿真计算中，保护机构中间的电池组用一立方壳体代表，这样就可以根据壳体的变形情况来评估保护机构对于电池组的保护效果。
右侧的立方体为简化的碰撞物，参照SAEJ2464-2009冲击试验等级和要求，利用ANSYS中的瞬态动力学分析模块，在本文中取初速度为10m/s，计算时间5ms。为了验证防护效果，对没有防护装置的电池箱进行碰撞模拟仿真，得到电池箱的最大应力随时间变化关系。
在对比试验中，对添加防护装置的模型进行仿真，计算结果，由图可知应力主要集中于防护杆及固定装置部分，且应力超过了材料的许用应力，因此需要对结构做出相应的改进。电池组防护套在碰撞过程中没有明显的位移，原因是弹簧刚度过大所致，没有起到缓冲的效果。观察电池箱的受力情况，可以发现电池组的主要受力点集中在中部附近，绘制碰撞过程中电池箱的最大应力随时间变化的关系。可以看到添加防护装置后最大应力降低了近90%，效果十分明显。
针对上述计算结果，对结构做出如下改进:适当降低弹簧刚度，电池组最大受力点处增加一层缓冲材料，优化固定装置和防护杆连接处的结构。
保持初始碰撞条件不变，重新计算得到电池箱的最大应力随时间变化的关系。可以看到最大应力降低了近66%，改进后的防护效果良好。上述仿真结果显示碰撞过程中电池组保护壳的最大应力在其许用范围内，对于壳体内部的电池组能起到良好的防护作用。其中缓冲物质对于降低关键点的应力起到了显著作用，图8显示了缓冲物质在碰撞过程中的变化。
3结语
本文对电动汽车交通事故的特点进行了分析，电池组作为其核心部件在碰撞事故中有着较大的潜在威胁，应当重点防护，避免发生二次事故。为此，提出了一种针对电池箱的外层机械防护结构，可靠性高，同时还在数值仿真的基础上对结构进行了适当改进，计算结果表明改进后的结构具有更好的防护效果。
