从安全工程专业的角度谈电动汽车的发展的可能性和必要性.doc

从安全工程专业的角度谈电动汽车的发展的可能性和必要性 众所周知，我国的石油资源相对匮乏，早在1993年中国已成为石油净进口国，并且随着我国汽车保有量的不断攀升，汽车已逐渐成为石油消耗的第一大户。随着人口的进一步增加与资源的不断消耗，我国面临的能源安全将更加严峻，关乎整个国家的经济命脉和发展。 电动汽车作为新型清洁能源汽车的出现，将降低中国对石油产品的依赖。经研究发现，电动汽车节能效果最好，能量消耗比传统车辆减少50%。无论从能源转化效率还是通过计算每公里消耗能源进行比较，电动汽车在减少一次能源消耗方面显示其优越性。广泛应用电动汽车不仅可以产生直接的能源效益，而且可以改善和优化能源结构，电动汽车替代燃油汽车将改变交通领域过分依赖有限石油资源的现状，实现交通领域能源利用的多元化和洁净化，尤其是推动煤炭资源的高效利用，提高我国能源的安全性，使我国减少能源方面的安全危机和压力，保障我国的工业和经济能够持续健康的发展，不被他人扼制。 其次，电动汽车还可以降低汽车行驶过程中的噪声。现在大城市中汽车噪声已经成为一种比较严重的污染，减少噪声污染也是对今后汽车工业的考验。尤其是在夜间它对人们的休息和睡眠造成一个很大的困扰，使很多老百姓苦不堪言。汽车发动机噪音是行驶过程中主要噪声来源，与燃油车相比，电动四轮代步车在这方面有绝对的优势。它在行驶运行中基本是宁静的，特别适合在需要降低噪声污染的城市道路行驶。 由于电动汽车动力系统与传统内燃机汽车有很大的差异，其存在的安全性隐患也不同于传统内燃机汽车。电动汽车在充电及运行过程中，可能出现意外事故如碰撞、翻车等危险工况，造成动力系统的窜动、挤压、短路、开裂、漏电、热冲击、爆炸、燃烧等，由此造成电动汽车对乘员的机械伤害、电伤害、化学伤害、电池爆炸伤害以及燃烧伤害等，并可能引发更大的连发性事故以及二次伤害。所以解决电动汽车的电池安全问题是电动汽车发展面临的首要问题之一，不过经过不断地研究和实验在这方面已取得了不错的成绩，能够保障电动汽车的安全，使电动汽车的发展不再受制约束缚。 世界各地的许多相关企业和研究组织也对电动汽车的安全性进行了一些研究，发表了一些有关电动汽车安全方面的研究成果。文献4介绍了日本的NGK实验室对100Wh大容量的锂离子电池进行过安全测试，测试项目有: (1) 穿刺试验；(2)外部短路试验；(3)过充电实验；(4) 表面加热实验。文献5介绍了南韩的BMS（电池管理系统）依靠有效管理金属氢化物镍蓄电池各种状态，从而改善安装有这种电池的电动汽车安全性能。文献6介绍了美国的几家公司制造的多种电动汽车电池在Argonne国家实验室进行的检测，均无安全事故发生。文献7介绍了ZEBRA电池具有可靠的安全性能，经过碰撞测试，在碰撞中即使对电池造成很严重的损伤，也不会对乘员造成伤害，正因为有可靠的安全性，使ZEBRA电池在安全方面满足了USABC的要求8。文献9介绍了在USABC的测试过程中，对于危险工况以及误操作条件下的测试项目有：(1)电池电压；(2)电池物理变化(尺寸变化、重量变化、破裂程度、是否存在火花、密封装置的裂开)；(3)液体泄漏与气体的产生(体积、组成、产生速度)；(4)热量的产生(电池上或其周围)等。 在国内外开发的电动汽车中，通常使用的动力电池有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池以及燃料电池等。对于电动汽车动力电池安全特性的研究，是分析动力电池和电动汽车的安全性的前提。下面分别列出了了铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池这四种常用的动力电池的安全特性及其存在的安全隐患以及解决办法，为电动汽车的发展提供基础和保障。 铅酸电池属于安全电池，在使用过程中自身不容易产生燃烧、爆炸等危险事故。但铅酸电池电解液的泄漏、有害气体的产生和可燃气体的聚积将对乘员产生伤害。由于铅酸电池电解液为硫酸溶液，电池里溢出的液体是含有稀硫酸的电解液，能够导电，具有较强的腐蚀能力，会伤害人体皮肤和眼睛，对汽车的钢制部件腐蚀，同时引发电池的短路或对人体产生电伤害。为了避免或减少电解液的泄漏，电动汽车在开发设计时应该使电池组布置在受到冲击与振动较小的部位，电池组所在的箱体要尽可能地保持通风良好，同时应该远离发热机件（如电机等），以避免电池组热失控。 直接式燃料电池的安全隐患以及解决措施：氢气罐自身的安全，是指电动汽车在使用过程中因气温升高或出现意外事故，如碰撞、翻车使氢气罐发生变形、开裂及爆炸。氢气罐的安全威胁主要来自这两个方面：一是碰撞引起罐体的破裂；二是外界温度对氢气罐的影响。 首先分析不同工况下氢气罐罐体破裂的情况，在正常使用情况下，由于目前氢气罐体采用高性能碳复合材料外壳及应用各种保护装甲技术，并且各种压力状态下的储氢罐都通过相应的认证，因此不会有氢气罐破裂的情况发生。如在2002春季，通用汽车公司的压力达700巴的储氢罐己获德国技术监督协会的承认，各项技术指标己达到EIHP(欧洲综合氢计划)的规定及美国的NGV2行业标准及德国对压力罐所规定的指导性规范。在危险工况下，如果储氢罐装在一个安全性能较好的位置，例如安装在后轴的前方，大约在后排座椅的下方，在正常的碰撞试验中只要没有硬物直接碰撞到储氢罐上，储氢罐不会发生破裂，当然，这需要 大量实验的进一步证实。例如，通用公司的“氢动3号”曾经在计算机上进行过20 次模拟撞击试验，并进行过一次实际撞击试验。在进行撞击试验时，车辆是在几乎满负荷情况下以56公里的时速按40%的倾斜角度正面撞击一块可变形档板，这些模拟及实际的各种类型撞击试验(包括正面撞击、侧面撞击和尾随撞击)，结果都表明该型号车己达到欧洲的强制性安全标准。如果有硬物直接与储氢罐发生碰撞，氢气罐不可避免会有变形、破裂发生。 另一个方面是外界温度对氢气罐的影响，电动汽车在正常行驶的情况下或危险工况下，当外部温度升高时，罐内的气压也会随着上升，这对氢气罐安全会造成一定的隐患。所以，为减小内部的气压，需安装一个能自动打开的控制阀，当内部气压超过临界值时，需释放一部分氢气以减小内部气压。 氢气的泄漏:由于导气通道、氢气罐或电池组壳本身的裂开，会排放出氢气与空气混合成可燃烧气体，从而引起燃烧与爆炸。在汽车防燃防爆体系中最根本的是：任何地方不得有潜在危险气体的聚集；不允许乘客舱及封闭的货舱内的氢气浓度超过2% 。为防止燃烧或爆炸的发生，主要是控制氢气聚集时的浓度。如果有微量氢气逸出，系统便应向司机发出警告，氢气的逸出再高一点的话，系统就应该转到有限功能运行，当测到的氢气达到一定浓度时，控制阀在接收到来自氢气浓度传感器的信号后便应该迅速关闭储氢罐的出气口，停止汽车的运行。另一方面，在可能聚集氢气的位置安装排风装置，以便迅速吹散聚集的氢气，避免其浓度处于爆炸范围内。 但氢气的泄漏没想像中那样容易发生且易导致事故，从2000年5月开始，本田公司将对其研制的FCX-V5燃料电池车进行一系列公路汽车碰撞测试。在时速55公里的情况下，两辆汽车迎面发生碰撞后，压缩液氢箱完好无损，并没有发生任何泄漏。引用另外一个实例，Minami Coral Cable大学的Dr.Michael R.Swain模拟氢动电动汽车与传统汽油汽车的泄漏情况，他同时对两辆汽车点火，来比较两者之间损伤严重程度。结果表明：汽油汽车受到严重损伤，但氢动汽车没有受到损伤。 解决这些电动汽车安全性问题，将使得电动汽车的发展迈上更高的台阶，我个人也觉得电动汽车的发展的可能性是毋庸置疑的，在未来电动汽车将占主导地位，引领世界汽车的蓬勃发展。