电动汽车防碰撞安全技术综述

汽车碰撞与安全论文范文第四篇：电动汽车防碰撞安全技术综述

　　摘要：随着石油资源的日益枯竭， 节能环保和安全成为了汽车行业发展的目标， 电动汽车应运而生， 电动汽车与传统汽车相比， 虽然速度略有不如， 但却具有运行成本低、节能环保等优点， 这也在一定程度上缓解了环境与汽车污染间的矛盾， 推动汽车行业的发展。但由于汽车保有量的不断增加， 给城市原本就不堪负重的交通环境造成了严重打击， 再加之内外部因素的影响， 致使交通事故频出， 而汽车碰撞就是主要形式。本文通过对电动汽车防碰撞安全技术进行综述， 希望对提高电动汽车安全性， 促进电动汽车发展有所帮助。

　　关键词：电动汽车；防碰撞；安全技术；

　　作者简介：彭新 （1975-） , 男， 湖南株洲人， 硕士研究生， 副教授， 研究方向：自动控制， 电动汽车技术， 通讯作者。；

　　基金：湖南电气职业技术学院2019年度优秀人才培训基金课题；

　　近些年， 我国经济呈快速发展态势， 国民可支配收入也一路水涨船高， 很多人选择购买汽车， 推动了汽车行业的发展， 但随着汽车保有量的增加， 交通事故也频繁发生。电动汽车作为环保节能理念下的新型汽车， 其安全性备受瞩目， 虽然电动汽车可能在速度上不如传统汽车， 但电动汽车在生产过程中却应用了许多防碰撞安全技术， 大大提升了汽车的安全性能。

　　1 电动汽车防碰撞技术概述

　　1.1 电动汽车碰撞形式和特点

　　汽车碰撞形式会受到以下因素的影响：一是交通环境；二是驾驶员技术；三是汽车性能[1].影响因素不同赋予了汽车碰撞多样化的特点。例如：侧面碰撞、后部碰撞、正面碰撞和底盘碰撞等。

　　正面碰撞对于人身生命安全的威胁极为严重， 车速越快， 损失率和伤亡率越大， 尤其是驾驶员会受到惯性的影响， 身体前部受伤。后部碰撞则以脖颈为主。而侧面碰撞与正面碰撞相比， 受冲击较小， 刮蹭是主要形式， 在大部分刮蹭事故中， 驾驶员只会受到轻伤。

　　1.2 电动汽车防碰撞技术的发展趋势

　　随着现代科学技术和新型材料的应用， 电动汽车防碰撞安全技术也实现了多元化、信息化、自动化、智能化和全面化的发展， 同时， 电动汽车的美观程度也有所提升， 目前， 在上海和北京等一线城市， 电动汽车十分普遍， 外观与普通汽车基本一致， 但安全性更为突出。

　　1.2.1 防碰撞技术在被动安全方面的发展

　　被动安全是指在汽车发生碰撞事故过程中， 避免驾驶员和乘客受到二次遭受碰撞或减少碰撞伤害的措施[2].在过去防碰撞技术尚未被应用之前， 人们会利用以下几种措施， 提高汽车的被动安全：一是在汽车内部增加柔软内饰， 柔软内饰可以增强汽车内部的缓冲作用， 以减少碰撞对于人体的伤害；二是减少尖锐部位， 其目的在于避免尖锐部位刺伤人体；三是设置安全带， 截止到目前， 安全带也是最为常用的防碰撞技术；四是设置前后保险杠， 其目的在于延长碰撞的缓冲时间。直到今天， 被动安全技术已经具备了多种形式， 例如：安全气囊、侧气囊、气帘和气枕等， 这些技术被广泛应用于电动汽车之中， 提高了电动汽车的整体安全性能。现代的安全气囊， 可以在任意形式的碰撞中对驾驶人员进行身体保护。

　　安全气囊技术理论始源于美国， 在20世纪50年代， 美国汽车行业对于安全气囊的重要性进行了论述， 与此同时， 这种系统的原理图也被绘制出来， 在1953年产生了安全气囊专利。

　　但由于受到当时技术水平的影响， 这种技术理论并不能被转化为现实。直到1980年， 德国某公司才付诸于实践， 将这种设想变为现实， 该公司在自己生产的汽车上设置了安全气囊。从1985年开始， 在出口到美国的汽车上都设置了安全气囊， 随后， 该公司有研发出一种保护副驾驶成员头部的气囊。

　　目前， 世界上众多汽车制造商， 都将大量精力投入到安全气囊系统的研发之中， 其中最为著名的企业为德国的波许公司。

　　现在， 世界上许多国家会要求汽车上必须要配备安全气囊， 例如：美国就在1989年出台的法律规定中， 要求汽车制造商安装尺寸符合标准的安全气囊。但是欧洲专家对此有不同的看法， 他们认为小尺寸安全气囊和安全带搭配使用防护效果最佳， 因此， 欧洲汽车制造商注重生产小尺寸的安全气囊。现代安全气囊系统已经趋近于成熟， 一般情况下， 汽车会存在两个安全气囊， 其中一个被安装在驾驶盘上， 另一个则安装在车门或靠背上。制作气囊的主要材料为尼龙， 大部分气囊的材料厚度约为0.45mm.

　　1.2.2 防碰撞技术在主动安全方面的发展

　　主动安全是指汽车在行驶过程中， 对碰撞事故进行预防的安全措施。最早人们希望通过增加驾驶员的视野或各种信号， 提高汽车制动性能、提高驾驶员对环境的感知能力等措施， 提高汽车的主动安全性能。随着现代电子技术的普及， 人们应用这些电子技术研究了以下几种安全系统：一是制动防抱死系统ABS;二是电子稳定程序；三是车胎起压报警系统；四是电控悬架；五是倒车雷达；六是自动导航系统；七是车况路况监测；八是大灯随动， 这些安全系统的应用， 大大提升了电动汽车的主动安全性能。

　　2 汽车防抱死控制系统ABS

　　2.1 汽车防抱死控制系统ABS的发展及趋势

　　在制动过程中， 如果车轮出现抱死滑移的现象， 则会导致车轮与地面侧向附着力消失情况出现。如果汽车转向轮发生制动抱死滑移现象， 那么汽车就会丧失转向的能力。如果后轮制动到抱死滑移， 而前轮还在转动， 即使侧向干扰力不会对汽车产生过大的影响， 汽车后轮依然会发生侧滑， 上述几种情况， 都会导致汽车碰撞事故的发生。

　　为此， 汽车在制动过程中， 应在确保制动力的基础上， 避免制动轮出现抱死滑移的情况， 最为理想的情况是车轮边转动边滑移[3].为实现这一目标， 德国波许公司于1936年研制出了具有电磁感应的汽车防抱死控制系统ABS.德国波许公司又于1978年研制出一种数字电子控制下的防抱死控制系统， 简称为ABS2型系统。截止到目前， 大部分汽车都安装了这类防抱死控制系统， 电动汽车也不例外。

　　2.2 汽车防抱死控制系统的工作原理

　　2.2.1 滑移率对附着力系数的影响

　　首先我们需要利用下述公式对滑移率进行计算：S= （rw-v） /v×100%;公式中的v是指车轮线速度；w为车轮角速度；r是车轮自由滚动半径。通过有关实验证明， 附着系数会随着滑移率的变化而发生改变。

　　实验证明， S的范围处于15-36之间时， 轮胎与地面的附着关系相对较大， 当车轮滑移无限趋近于100时， 侧向附着系数就无限接近于0, 直接证明了车轮滑移对于侧向附着系数会产生直接影响。

　　2.2.2 汽车防抱死控制系统的功能和控制方式

　　汽车防抱死控制系统可以将车轮与地面的纵向、横向附着系数控制在一定的范围之内， 而实现控制的方式为调整制动室的压力， 以调节车轮的动力矩， 从而将电动车轮控制在15-35之间， 达到最理想的状态。

　　3 电动汽车电子稳定系统

　　汽车电子稳定系统是多个防碰撞系统的综合体， 其组成包括以下几部分：一是防抱死制动系统；二是驱动防滑控制系统；三是电子制动力分配系统；四是牵引力系统；五是主动车身横摆控制系统[4].这是一种新型的汽车安全系统， 该系统由德国奔驰公司和博世公司联合研发而成。

　　电动汽车在行驶过程中， 可能会受到外界因素的影响， 例如：来往行人车辆或是环境的突然改变， 驾驶员此时需要对汽车进行控制， 通过调整汽车方向或减速的方式， 避免干扰， 但这种情况的出现， 会导致汽车进入不稳定的运行状态， 极有可能会偏离行驶路线， 继而会发生碰撞或翻转。而应用电子稳定控制系统的电动汽车， 则可以在毫秒内对汽车的行驶状态进行分析和判断， 并利用智能控制方案， 命令汽车驱动系统和制动系统做出反应， 在极短的时间内， 改善电动汽车不稳定的行驶状态， 继而避免交通安全事故的发生。

　　电子稳定系统的出现， 是汽车主动安全措施的革命性突破， 该系统通过对可能会发生的事故进行控制， 继而确保电动汽车运行的稳定性和安全性， 这项系统的应用， 促使汽车可以在各种恶劣环境中安全行驶。

　　3.1 电动汽车电子稳定系统的构成

　　电子稳定系统是基于ABS和ASR系统基础上发展形成的。该系统在具备ABS和ASR传感器的同时， 加设了以下几种传感器：一是横摆角传感器；二是车身翻转角传感器；三是侧加速度传感器；四是制动传感器；五是方向盘传感器[5].在电动汽车中最为关键的传感器为车身翻转角传感器。这种传感器与罗盘较为类似， 能够对电动汽车行驶状态和可能会发生的翻转角度进行实时监控。而其他传感器则负责监测汽车速度和车轮间速度差异等。

　　电子稳定控制系统主要有以下方面的功能：一是预防驾驶员疲劳；二是控制车距；三是限速识别；四是停车入位；五是夜视仪；六是识别周围环境；七是稳定控制；八是制动助力；九是并线警告。这些智能安全技术的有效应用， 大大提升了电动汽车的安全性， 驾驶员对于汽车的控制能力也因此得到强化。

　　电子稳定控制系统可以通过多种传感器， 对电动汽车行驶状态和驾驶员的驾驶意图进行监测， 一旦发生问题， 系统会向执行机构下达命令， 继而从整体层面对汽车进行控制。

　　汽车电子稳定系统的功能不仅是一加一等于二这么简单， 可以说该系统的功能是ABS系统和ASR系统功能之后的平方， 因此电子稳定系统才能在现代电动汽车中得到应用， 使电动汽车可以应对各种恶劣的行驶环境。

　　3.2 电子稳定系统的工作原理

　　通过对外部影响汽车的作用力进行分析， 我们可以发现制动力、驱动力和外部侧向力， 会导致汽车转动方向发生改变。电子稳定系统依据这一特点， 在汽车行驶状态不稳定的情况下， 会对制动系统、驱动系统进行控制， 实现对转向的修正， 保证汽车在既定道路上行驶。

　　电子稳定内部系统的微机中会存储大量的标准技术数据。在传感器监测汽车行驶状态的过程中会将数据传输至ECU, 此时， ECU会将汽车行驶状态数据与标准技术数据进行对比， 实现对汽车的行驶状态的判断， 并分析引发汽车不稳定行驶的原因。系统一旦对问题进行确认， 系统会取代驾驶人员通过微机对汽车制动系统进行控制， 同时发出命令， 采取最有效的安全措施， 对驱动力和制动力进行修正， 防止汽车碰撞事故的发生， 以提高汽车行驶的安全性。

　　汽车在行驶过程中转弯时， 如果此时驾驶人员的操作存在问题， 可能会导致车辆无法成功转向。如果车速过快， 甚至会冲出道路。而应用电子稳定系统， 则可以有效避免这些问题的发生， 究其原因， 主要是传感器会将汽车行驶摆渡率反馈至微机， 微机会根据摆渡率的变化情况， 对汽车转向偏差进行分析， 如果传感器测得转向不足， 并判断将会有风险发生， 即会将信号传递至ECU中， ECU会快速做出反应， 让汽车后轮实施脉冲制动力， 从而使汽车绕质心向内偏转一定的角度， 转弯问题也会得到改善。

　　汽车电子稳定系统会在汽车行驶状态不稳定时， 会采取不同的两种方法， 对汽车进行控制， 以消除不利影响， 确保汽车始终处于正常的行驶状态。这两种方法分别为：脉冲制动控制， ESP会根据实际情况， 对车轮制动力进行合理的分配， 使汽车产生一个绕其质心转动的旋转力矩， 同时改善汽车的行驶方向；第二种方法是调整发动机的输出转矩， 如果车速过快， 系统会对车速进行控制。

　　4 倒车雷达

　　倒车雷达的主要功能为：电动汽车在倒车时， 会利用超声波原理， 对车与后方障碍物间的距离进行测算， 再将计算结果反馈给驾驶人员， 以提升倒车的安全性和稳定性。

　　一般情况下， 电动汽车的倒车雷达由以下部分组成：一是主机；二是显示器；三是2-10个探头。

　　倒车雷达所使用的探头， 一般都会兼具发送和接收两种功能， 并采用单片机对超声波发射进行控制， 超声波在发射后遇到障碍物会进行反射， 探头在接收反射后， 会将其送至放大电路之中， 该电路的主要功能就是放大声波， 然后单片机会对声波进行数据分析和处理， 并将处理结果传输至显示屏， 继而对驾驶人员进行提醒。

　　探头环能器件一般为压电陶瓷， 这种压电陶瓷对于超声波信号具有较强的敏感度， 并能将电能转化为声能， 有利于超声波的发送和接收。

　　倒车雷达也被称之为倒车距离控制系统， 英文缩写为PDC, 该系统的工作原理就是利用电动汽车保险杠上的雷达装置， 对汽车前后方的障碍物进行侦测， 帮助驾驶人员看到前后方障碍物， 或在停车时测量与障碍物的距离， 提高了停车的便利性， 防止车身剐蹭问题的发生[6].超声波是PDC系统在测量障碍物时主要利用的手段， 如果车辆距离障碍物过近， 系统会发出警报音， 提醒驾驶人员。而警笛音控制一般分为两个不同的阶段， 一是当车辆位置达到开始侦测的距离时， 警笛声会以高频警笛鸣叫；二是当车辆行驶到更近的距离时， 警笛声会采取连续鸣叫的方式， 提醒驾驶人员。倒车距离控制系统的主要优势在于驾驶人员可以通过声音了解障碍物信息， 或是车辆与障碍物的距离。由于该系统是辅助停车系统， 因此在车辆以正常速度行驶时， 倒车雷达会自动关闭， 直到车辆减速时， 系统会自动开启。

　　4.1 普通雷达

　　普通雷达是汽车倒车的辅助装置， 普通雷达由传感器、控制器和显示器组成， 它能将声波转化为数据显示， 让驾驶人员了解车辆周边的障碍物， 从而为驾驶员停车、泊车和倒车提供了便利条件， 电动汽车的驾驶安全也得到了保证。

　　现在市面上常见的倒车雷达， 其主要工作原理为超声波测距原理， 驾驶者在驾驶电动汽车时， 只需将档位调整为R挡， 雷达即可启动， 汽车尾部的探头会发送超声波， 超声波在遇到障碍物后， 会进行反射， 产生回波信号， 传感器在接收信号后， 会对其进行处理， 测算车辆与障碍物之间的实际距离， 并推测障碍物的位置， 这些信息会在显示屏中显示， 驾驶人员只要根据显示屏中的内容， 即可安全停车。这种系统的应用， 改变了驾驶员回头倒车的情况， 大大增加了停车的安全性和便捷性。

　　4.2 可视倒车雷达

　　可视化倒车雷达就是在汽车尾部设置一个摄像头， 当汽车在倒车时， 雷达会自动开启， 并将尾部摄像头拍摄的信息显示到屏幕上， 可视化倒车雷达与普通雷达工作原理不同。其优点在于安装和布线较为便捷， 现阶段， 电动汽车大多采用可视化的倒车雷达。

　　激光雷达与传统雷达相比， 稳定性和准确性较强， 且不易受到外部环境因素的影响。究其原因， 主要是激光雷达将激光发送至被测物体， 然后对反射回来的激光进行接收， 并利用时间差对障碍物的距离进行计。在早期大部分激光雷达在探测障碍物时， 会发出多道激光， 并依靠前车反射镜的反射时间对距离进行测算。而电动汽车除了对前车距离进行测算外， 还需对其他车辆的所处位置进行辨别。

　　由于物体具有反射的特性， 因此激光反射在亮度上存在较大的变化， 致使检测出的距离也会发生改变， 由于车辆普遍存在反射镜， 因此采用激光雷达的检测距离十分长， 并且可以保证测距的准确性。

　　5 安全气囊

　　在汽车发生碰撞事故时， 安全气囊会在最大程度上保护驾驶人员的生命安全目前气囊一般会被安装在汽车的方向盘和副驾驶车门上， 仅安装在方向盘的气囊被称为单气囊系统， 而两个位置都安装气囊的就是双气囊系统。安装双气囊系统的电动汽车， 不会对汽车速度进行考虑， 在汽车发生碰撞的同时， 将安全气囊弹出， 因此， 极容易造成安全气囊浪费， 从而提高汽车的维修费用。

　　为有效克服双气囊系统的弊端， 目前新研发出一种基于两次动作的双安全气囊系统， 该气囊系统在汽车发生碰撞时， 会对汽车的行驶速度进行考虑， 继而合理的选择保护方法， 如果汽车行驶速度较慢， 系统则会使用安全带预紧动作， 如果车速较快， 则会弹出安全气囊。这样一来， 就大大节省了电动汽车的维修成本， 安全气囊系统的经济性也得以强化。

　　安全气囊可以在汽车发生碰撞时， 减少惯性力， 有利于保护驾驶人员和乘客的安全。经过有关实验表明， 汽车在设置安全气囊后， 汽车在发生碰撞事故时， 驾驶人员受到的伤害程度下降明显。有些汽车不仅在正面安装了气囊， 侧面也同样如此， 有效减少了侧向碰撞对于驾驶人员的伤害[7].安装气囊的方向盘与普通方向盘并无二样， 但是在碰撞事故发生后， 在零点几秒内安全气囊就会弹出， 阻止驾驶人员的头部与方向盘接触， 这种安全技术自问世以来， 已经挽救了数以万计的生命。

　　6 防碰撞控制系统

　　电动汽车防碰撞系统主要由以下部分组成， 一是行车环境检测；二是防碰撞预测；三是车辆控制。其中行车环境监测系统的主要功能为测量车与车的间距， 并能通过车身上的传感器对路面情况进行判断。一般情况下， 传感器会被安装于车身前段的中间位置上， 传感器会在测距后， 将信息及时反馈至防碰撞判定系统之中。防碰撞判断系统的工作可以分为两部分， 第一部分是估计路径， 简言之， 就是依据传感器获得的距离信息， 并从中选择有用数据；第二部分是判定安全风险， 即根据分析结果， 对碰撞风险发生的概率进行判断。而车辆控制系统是由安全危险预警信号控制的制动操作机构， 并通过高速电磁阀实现对速度的反馈和控制。该机构的优势在于当其处在工作状态下， 驾驶员可以对车辆进行控制， 一旦机构失去作用， 驾驶员用脚即可制动。

　　7 结论

　　综上所述， 为进一步保证电动汽车运行安全性， 避免汽车碰撞事故的发生， 有必要在电动汽车中应用各项防碰撞安全技术， 以提高电动汽车的安全性能， 促进电动汽车的发展。本文通过对ABS系统、电子控制系统、倒车雷达和安全气囊等技术进行论述， 希望对我国电动汽车发展有借鉴意义。

　　参考文献

　　[1]黄琴，周强国内汽车碰撞安全座椅专利技术综述[J].科技风， 2017 （13） :3.

　　[2]吴海生，吴黎明，王桂棠，何瑞进汽车主动安全的防碰撞技术研究现状[J]电子世界，2016 （8） :186-188.

　　[3]孔金生，赵亮汽车防碰撞安全控制系统的研究综述[J]河南科技，2015 （14） :83-84.

　　[4]吴中旭汽车防碰撞控制装置系统分析[J].民营科技，2015 （6） :45.

　　[5]汽车碰撞安全和气襄技术及标准国际研讨会成功召开[J].工程机械文摘， 2015 （05） :36-37.

　　[6]张鹏防碰撞技术在中国-专访日产汽车电子技术开发本部IT&ITS开发部部长饭岛口也[J].汽车与安全， 2015 （09） :28-29.

　　[7]黄世霖，张金换我国的汽车安全法规及碰撞安全技术[J].商用汽车， 2016 （11） :49-50.