混合动力轿车高压电及整车碰撞安全性研究

论文摘要

混合动力汽车作为一种新兴的节能环保型汽车,能够更充分利用和转换能源、减少污染。由于经济的持续快速增长,城市规模不断扩大,各大城市政府已纷纷将推广使用清洁燃料汽车作为净化空气和改善环境的一项重要措施。中国已经成为仅次于美国的全球第二大新车消费市场,混合动力轿车也必将在中国蓬勃发展。但由于混合动力轿车的动力电压约100～600V ,远远超过了人体的安全电压,电池发生短路、化学反应产生的有害物质或电解液泄漏均可能会对司乘人员造成伤害,这些都将影响混合动力轿车的实用前途。此外,作为交通运输工具,混合动力轿车与传统轿车存在着相同的安全问题,包括主动安全和被动安全,但混合动力轿车在增加近100kg重量的电力驱动系统后,其整车碰撞安全性能应有所改变。因此,对混合动力轿车高压电及整车碰撞安全性的研究具有重要的意义。在此背景下,开展了本论文的研究工作,取得了以下几项主要研究成果:1 ,针对混合动力轿车电池管理系统,提出了采用电压隔离开关矩阵的集中式BMS结构,并分别对电池管理硬件系统和软件系统进行设计,提高了混合动力电池管理系统的安全性、效率和抗干扰能力。在镍氢电池充放电实验基础上,详细分析了该电池充放电特性、温度特性和自放电特性。为了防止混合动力轿车在碰撞、翻车等危险工况下高压电对乘员造成伤害,创新设计了一种适应于混合动力轿车的安全电池箱。其结构简单紧凑、成本低廉、能够在电池箱受到严重挤压变形时迅速将高压电分断到安全电压。2 ,建立了某款混合动力轿车的有限元仿真模型,并分别与正面碰撞、后碰撞及侧面碰撞的实验结果相比较,验证了该整车模型的有效性。其中,探讨了该轿车侧面碰撞安全性存在问题的根源,结合侧面碰撞安全性设计普遍原则和同类车辆侧面碰撞结果的比较分析,提出了改进这款混合动力轿车侧面安全的主要措施。3 ,通过对头部损伤、颈部损伤、胸部损伤及肢体损伤基理的分析,阐述了在中国开展前碰撞损伤生物力学研究方法和方向。应用多刚体理论及MADYMO软件建立了前碰撞乘员约束系统模型,并对汽车前碰撞中乘员损伤的防护进行了深入分析。通过设计变量的筛选及应用MADYMO的软件包MADYMIZER对前碰撞乘员约束系统的性能进行了优化,提高了该混合动力轿车的前碰撞安全性。4 ,在对轿车的侧面碰撞力学特性进行分析的基础上,创新地提出了改变轿车动力仓、乘员仓和尾仓三个部分的侧向连接特性从而改进轿车的侧面碰撞性能的方法。为了验证该方法的有效性,在已验证过的混合动力轿车有限元模型基础上,通过采取减少乘员仓与动力仓及尾仓间的连接焊点数目和降低其失效准则及适当减小连接处的板件壁厚等措施,以探讨改变轿车三段之间的侧向连接强度和刚度对汽车侧面碰撞安全性的影响,并结合多刚体子结构方法对乘员损伤参数进行了仿真计算分析。结果表明,降低轿车动力仓、乘员仓和尾仓三个部分的侧向连接强度和刚度能有效地减小车门侵入量,从而有效地降低乘员胸部、腹部和骨盆的损伤参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 发展混合动力汽车的必要性
• 1.2 国内外混合动力电动汽车发展现状
• 1.3 混合动力电动汽车的类型
• 1.4 混合动力电动汽车安全性及研究意义
• 1.4.1 碰撞安全性
• 1.4.2 高压电力系统安全性
• 1.5 本论文研究内容
• 第2章 混合动力电动轿车电池管理系统及安全电池箱研究
• 2.1 电池管理系统研究
• 2.1.1 电池管理系统及发展趋势
• 2.1.2 电池管理硬件系统设计
• 2.1.3 电池管理系统的软件设计
• 2.2 镍氢电池实验及性能分析
• 2.2.1 镍氢电池原理
• 2.2.2 镍氢电池实验方法
• 2.2.3 充放电性能分析
• 2.2.4 温度和自放电特性分析
• 2.3 安全电池箱设计
• 2.3.1 结构特点
• 2.3.2 具体实施方式
• 2.4 本章小节
• 第3章 混合动力轿车有限元模型验证及侧面结构改进
• 3.1 汽车碰撞仿真计算中的有限元理论
• 3.1.1 弹塑性力学理论和计算方法
• 3.1.2 汽车模型单元构成理论
• 3.1.3 仿真计算精度分析与效率时步控制
• 3.2 整车有限元模型建立
• 3.2.1 网格大小及质量控制
• 3.2.2 材料的设定
• 3.2.3 联接方式的定义
• 3.2.4 车体部件结构及装配
• 3.3 移动台车有限元模型建立
• 3.4 整车有限元模型验证
• 3.4.1 正面碰撞
• 3.4.2 尾部碰撞
• 3.4.3 侧面碰撞
• 3.5 混合动力轿车侧面安全结构分析与研究
• 3.5.1 混合动力轿车侧面碰撞安全问题根源
• 3.5.2 轿车侧面碰撞安全设计普遍原则
• 3.5.3 同类车型的侧面碰撞分析比较
• 3.5.4 混合动力轿车具体改进方案
• 3.5.5 混合动力轿车改进方案验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 混合动力轿车前碰撞损伤生物力学研究与乘员约束系统优化
• 4.1 轿车前碰撞研究的主要内容
• 4.2 前碰撞损伤生物力学研究
• 4.2.1 国内外碰撞损伤生物力学研究现状
• 4.2.2 开展碰撞损伤生物力学研究方法与方向
• 4.3 前碰撞乘员约束系统优化
• 4.3.1 多刚体运动学理论
• 4.3.2 乘员约束系统多刚体模型的建立
• 4.3.3 乘员约束系统优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 轿车的分段连接特性研究
• 5.1 分段连接特研究原理
• 5.2 简化参数模型分析
• 5.3 有限元分段连接特性分析
• 5.4 多刚体模型的计算分析
• 5.4.1 整车多刚体模型的建立
• 5.4.2 移动障壁多刚体模型的建立
• 5.4.3 基于假人损伤的比较分析
• 5.4.4 PSM 方法分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文