電動汽車防碰撞安全技術綜述

　　摘要：隨著石油資源的日益枯竭，節能環保和安全成為了汽車行業發展的目標，電動汽車應運而生，電動汽車與傳統汽車相比，雖然速度略有不如，但卻具有運行成本低、節能環保等優點，這也在一定程度上緩解了環境與汽車污染間的矛盾，推動汽車行業的發展。但由于汽車保有量的不斷增加，給城市原本就不堪負重的交通環境造成了嚴重打擊，再加之內外部因素的影響，致使交通事故頻出，而汽車碰撞就是主要形式。本文通過對電動汽車防碰撞安全技術進行綜述，希望對提高電動汽車安全性，促進電動汽車發展有所幫助。

　　關鍵詞：電動汽車,防碰撞,安全技術

　　近些年，我國經濟呈快速發展態勢，國民可支配收入也一路水漲船高，很多人選擇購買汽車，推動了汽車行業的發展，但隨著汽車保有量的增加，交通事故也頻繁發生。電動汽車作為環保節能理念下的新型汽車，其安全性備受矚目，雖然電動汽車可能在速度上不如傳統汽車，但電動汽車在生產過程中卻應用了許多防碰撞安全技術，大大提升了汽車的安全性能。

　　1電動汽車防碰撞技術概述

　　1.1電動汽車碰撞形式和特點

　　汽車碰撞形式會受到以下因素的影響：一是交通環境;二是駕駛員技術;三是汽車性能[1]。影響因素不同賦予了汽車碰撞多樣化的特點。例如：側面碰撞、后部碰撞、正面碰撞和底盤碰撞等。正面碰撞對于人身生命安全的威脅極為嚴重，車速越快，損失率和傷亡率越大，尤其是駕駛員會受到慣性的影響，身體前部受傷。后部碰撞則以脖頸為主。而側面碰撞與正面碰撞相比，受沖擊較小，刮蹭是主要形式，在大部分刮蹭事故中，駕駛員只會受到輕傷。

　　1.2電動汽車防碰撞技術的發展趨勢

　　隨著現代科學技術和新型材料的應用，電動汽車防碰撞安全技術也實現了多元化、信息化、自動化、智能化和全面化的發展，同時，電動汽車的美觀程度也有所提升，目前，在上海和北京等一線城市，電動汽車十分普遍，外觀與普通汽車基本一致，但安全性更為突出。

　　1.2.1防碰撞技術在被動安全方面的發展

　　被動安全是指在汽車發生碰撞事故過程中，避免駕駛員和乘客受到二次遭受碰撞或減少碰撞傷害的措施[2]。在過去防碰撞技術尚未被應用之前，人們會利用以下幾種措施，提高汽車的被動安全：一是在汽車內部增加柔軟內飾，柔軟內飾可以增強汽車內部的緩沖作用，以減少碰撞對于人體的傷害;二是減少尖銳部位，其目的在于避免尖銳部位刺傷人體;三是設置安全帶，截止到目前，安全帶也是最為常用的防碰撞技術;四是設置前后保險杠，其目的在于延長碰撞的緩沖時間。直到今天，被動安全技術已經具備了多種形式，例如：安全氣囊、側氣囊、氣簾和氣枕等，這些技術被廣泛應用于電動汽車之中，提高了電動汽車的整體安全性能。

　　現代的安全氣囊，可以在任意形式的碰撞中對駕駛人員進行身體保護。安全氣囊技術理論始源于美國，在20世紀50年代，美國汽車行業對于安全氣囊的重要性進行了論述，與此同時，這種系統的原理圖也被繪制出來，在1953年產生了安全氣囊專利。但由于受到當時技術水平的影響，這種技術理論并不能被轉化為現實。直到1980年，德國某公司才付諸于實踐，將這種設想變為現實，該公司在自己生產的汽車上設置了安全氣囊。

　　從1985年開始，在出口到美國的汽車上都設置了安全氣囊，隨后，該公司有研發出一種保護副駕駛成員頭部的氣囊。目前，世界上眾多汽車制造商，都將大量精力投入到安全氣囊系統的研發之中，其中最為著名的企業為德國的波許公司。

　　現在，世界上許多國家會要求汽車上必須要配備安全氣囊，例如：美國就在1989年出臺的法律規定中，要求汽車制造商安裝尺寸符合標準的安全氣囊。但是歐洲專家對此有不同的看法，他們認為小尺寸安全氣囊和安全帶搭配使用防護效果最佳，因此，歐洲汽車制造商注重生產小尺寸的安全氣囊�，F代安全氣囊系統已經趨近于成熟，一般情況下，汽車會存在兩個安全氣囊，其中一個被安裝在駕駛盤上，另一個則安裝在車門或靠背上。制作氣囊的主要材料為尼龍，大部分氣囊的材料厚度約為0.45mm。

　　1.2.2防碰撞技術在主動安全方面的發展

　　主動安全是指汽車在行駛過程中，對碰撞事故進行預防的安全措施。最早人們希望通過增加駕駛員的視野或各種信號，提高汽車制動性能、提高駕駛員對環境的感知能力等措施，提高汽車的主動安全性能。隨著現代電子技術的普及，人們應用這些電子技術研究了以下幾種安全系統：一是制動防抱死系統ABS;二是電子穩定程序;三是車胎起壓報警系統;四是電控懸架;五是倒車雷達;六是自動導航系統;七是車況路況監測;八是大燈隨動，這些安全系統的應用，大大提升了電動汽車的主動安全性能。

　　2汽車防抱死控制系統ABS

　　2.1汽車防抱死控制系統ABS的發展及趨勢

　　在制動過程中，如果車輪出現抱死滑移的現象，則會導致車輪與地面側向附著力消失情況出現。如果汽車轉向輪發生制動抱死滑移現象，那么汽車就會喪失轉向的能力。如果后輪制動到抱死滑移，而前輪還在轉動，即使側向干擾力不會對汽車產生過大的影響，汽車后輪依然會發生側滑，上述幾種情況，都會導致汽車碰撞事故的發生。

　　為此，汽車在制動過程中，應在確保制動力的基礎上，避免制動輪出現抱死滑移的情況，最為理想的情況是車輪邊轉動邊滑移[3]。為實現這一目標，德國波許公司于1936年研制出了具有電磁感應的汽車防抱死控制系統ABS。德國波許公司又于1978年研制出一種數字電子控制下的防抱死控制系統，簡稱為ABS2型系統。截止到目前，大部分汽車都安裝了這類防抱死控制系統，電動汽車也不例外。

　　2.2汽車防抱死控制系統的工作原理

　　2.2.1滑移率對附著力系數的影響

　　首先我們需要利用下述公式對滑移率進行計算：S=(rw-v)/v×100%;公式中的v是指車輪線速度;w為車輪角速度;r是車輪自由滾動半徑。通過有關實驗證明，附著系數會隨著滑移率的變化而發生改變。實驗證明，S的范圍處于15-36之間時，輪胎與地面的附著關系相對較大，當車輪滑移無限趨近于100時，側向附著系數就無限接近于0，直接證明了車輪滑移對于側向附著系數會產生直接影響。

　　2.2.2汽車防抱死控制系統的功能和控制方式

　　汽車防抱死控制系統可以將車輪與地面的縱向、橫向附著系數控制在一定的范圍之內，而實現控制的方式為調整制動室的壓力，以調節車輪的動力矩，從而將電動車輪控制在15-35之間，達到最理想的狀態。

　　3電動汽車電子穩定系統

　　汽車電子穩定系統是多個防碰撞系統的綜合體，其組成包括以下幾部分：一是防抱死制動系統;二是驅動防滑控制系統;三是電子制動力分配系統;四是牽引力系統;五是主動車身橫擺控制系統[4]。這是一種新型的汽車安全系統，該系統由德國奔馳公司和博世公司聯合研發而成。電動汽車在行駛過程中，可能會受到外界因素的影響，例如：來往行人車輛或是環境的突然改變，駕駛員此時需要對汽車進行控制，通過調整汽車方向或減速的方式，避免干擾，但這種情況的出現，會導致汽車進入不穩定的運行狀態，極有可能會偏離行駛路線，繼而會發生碰撞或翻轉。

　　而應用電子穩定控制系統的電動汽車，則可以在毫秒內對汽車的行駛狀態進行分析和判斷，并利用智能控制方案，命令汽車驅動系統和制動系統做出反應，在極短的時間內，改善電動汽車不穩定的行駛狀態，繼而避免交通安全事故的發生。電子穩定系統的出現，是汽車主動安全措施的革命性突破，該系統通過對可能會發生的事故進行控制，繼而確保電動汽車運行的穩定性和安全性，這項系統的應用，促使汽車可以在各種惡劣環境中安全行駛。

　　3.1電動汽車電子穩定系統的構成

　　電子穩定系統是基于ABS和ASR系統基礎上發展形成的。該系統在具備ABS和ASR傳感器的同時，加設了以下幾種傳感器：一是橫擺角傳感器;二是車身翻轉角傳感器;三是側加速度傳感器;四是制動傳感器;五是方向盤傳感器[5]。在電動汽車中最為關鍵的傳感器為車身翻轉角傳感器。這種傳感器與羅盤較為類似，能夠對電動汽車行駛狀態和可能會發生的翻轉角度進行實時監控。

　　而其他傳感器則負責監測汽車速度和車輪間速度差異等。電子穩定控制系統主要有以下方面的功能：一是預防駕駛員疲勞;二是控制車距;三是限速識別;四是停車入位;五是夜視儀;六是識別周圍環境;七是穩定控制;八是制動助力;九是并線警告。這些智能安全技術的有效應用，大大提升了電動汽車的安全性，駕駛員對于汽車的控制能力也因此得到強化。電子穩定控制系統可以通過多種傳感器，對電動汽車行駛狀態和駕駛員的駕駛意圖進行監測，一旦發生問題，系統會向執行機構下達命令，繼而從整體層面對汽車進行控制。

　　汽車電子穩定系統的功能不僅是一加一等于二這么簡單，可以說該系統的功能是ABS系統和ASR系統功能之后的平方，因此電子穩定系統才能在現代電動汽車中得到應用，使電動汽車可以應對各種惡劣的行駛環境。

　　3.2電子穩定系統的工作原理

　　通過對外部影響汽車的作用力進行分析，我們可以發現制動力、驅動力和外部側向力，會導致汽車轉動方向發生改變。電子穩定系統依據這一特點，在汽車行駛狀態不穩定的情況下，會對制動系統、驅動系統進行控制，實現對轉向的修正，保證汽車在既定道路上行駛。電子穩定內部系統的微機中會存儲大量的標準技術數據。在傳感器監測汽車行駛狀態的過程中會將數據傳輸至ECU，此時，ECU會將汽車行駛狀態數據與標準技術數據進行對比，實現對汽車的行駛狀態的判斷，并分析引發汽車不穩定行駛的原因。

　　系統一旦對問題進行確認，系統會取代駕駛人員通過微機對汽車制動系統進行控制，同時發出命令，采取最有效的安全措施，對驅動力和制動力進行修正，防止汽車碰撞事故的發生，以提高汽車行駛的安全性。汽車在行駛過程中轉彎時，如果此時駕駛人員的操作存在問題，可能會導致車輛無法成功轉向。

　　如果車速過快，甚至會沖出道路。而應用電子穩定系統，則可以有效避免這些問題的發生，究其原因，主要是傳感器會將汽車行駛擺渡率反饋至微機，微機會根據擺渡率的變化情況，對汽車轉向偏差進行分析，如果傳感器測得轉向不足，并判斷將會有風險發生，即會將信號傳遞至ECU中，ECU會快速做出反應，讓汽車后輪實施脈沖制動力，從而使汽車繞質心向內偏轉一定的角度，轉彎問題也會得到改善。

　　汽車電子穩定系統會在汽車行駛狀態不穩定時，會采取不同的兩種方法，對汽車進行控制，以消除不利影響，確保汽車始終處于正常的行駛狀態。這兩種方法分別為：脈沖制動控制，ESP會根據實際情況，對車輪制動力進行合理的分配，使汽車產生一個繞其質心轉動的旋轉力矩，同時改善汽車的行駛方向;第二種方法是調整發動機的輸出轉矩，如果車速過快，系統會對車速進行控制。

　　4倒車雷達

　　倒車雷達的主要功能為：電動汽車在倒車時，會利用超聲波原理，對車與后方障礙物間的距離進行測算，再將計算結果反饋給駕駛人員，以提升倒車的安全性和穩定性。一般情況下，電動汽車的倒車雷達由以下部分組成：一是主機;二是顯示器;三是2-10個探頭。倒車雷達所使用的探頭，一般都會兼具發送和接收兩種功能，并采用單片機對超聲波發射進行控制，超聲波在發射后遇到障礙物會進行反射，探頭在接收反射后，會將其送至放大電路之中，該電路的主要功能就是放大聲波，然后單片機會對聲波進行數據分析和處理，并將處理結果傳輸至顯示屏，繼而對駕駛人員進行提醒。

　　探頭環能器件一般為壓電陶瓷，這種壓電陶瓷對于超聲波信號具有較強的敏感度，并能將電能轉化為聲能，有利于超聲波的發送和接收。倒車雷達也被稱之為倒車距離控制系統，英文縮寫為PDC，該系統的工作原理就是利用電動汽車保險杠上的雷達裝置，對汽車前后方的障礙物進行偵測，幫助駕駛人員看到前后方障礙物，或在停車時測量與障礙物的距離，提高了停車的便利性，防止車身剮蹭問題的發生[6]。

　　超聲波是PDC系統在測量障礙物時主要利用的手段，如果車輛距離障礙物過近，系統會發出警報音，提醒駕駛人員。而警笛音控制一般分為兩個不同的階段，一是當車輛位置達到開始偵測的距離時，警笛聲會以高頻警笛鳴叫;二是當車輛行駛到更近的距離時，警笛聲會采取連續鳴叫的方式，提醒駕駛人員。倒車距離控制系統的主要優勢在于駕駛人員可以通過聲音了解障礙物信息，或是車輛與障礙物的距離。由于該系統是輔助停車系統，因此在車輛以正常速度行駛時，倒車雷達會自動關閉，直到車輛減速時，系統會自動開啟。

　　4.1普通雷達

　　普通雷達是汽車倒車的輔助裝置，普通雷達由傳感器、控制器和顯示器組成，它能將聲波轉化為數據顯示，讓駕駛人員了解車輛周邊的障礙物，從而為駕駛員停車、泊車和倒車提供了便利條件，電動汽車的駕駛安全也得到了保證。

　　現在市面上常見的倒車雷達，其主要工作原理為超聲波測距原理，駕駛者在駕駛電動汽車時，只需將檔位調整為R擋，雷達即可啟動，汽車尾部的探頭會發送超聲波，超聲波在遇到障礙物后，會進行反射，產生回波信號，傳感器在接收信號后，會對其進行處理，測算車輛與障礙物之間的實際距離，并推測障礙物的位置，這些信息會在顯示屏中顯示，駕駛人員只要根據顯示屏中的內容，即可安全停車。這種系統的應用，改變了駕駛員回頭倒車的情況，大大增加了停車的安全性和便捷性。

　　4.2可視倒車雷達

　　可視化倒車雷達就是在汽車尾部設置一個攝像頭，當汽車在倒車時，雷達會自動開啟，并將尾部攝像頭拍攝的信息顯示到屏幕上，可視化倒車雷達與普通雷達工作原理不同。其優點在于安裝和布線較為便捷，現階段，電動汽車大多采用可視化的倒車雷達。

　　激光雷達與傳統雷達相比，穩定性和準確性較強，且不易受到外部環境因素的影響。究其原因，主要是激光雷達將激光發送至被測物體，然后對反射回來的激光進行接收，并利用時間差對障礙物的距離進行計。

　　在早期大部分激光雷達在探測障礙物時，會發出多道激光，并依靠前車反射鏡的反射時間對距離進行測算。而電動汽車除了對前車距離進行測算外，還需對其他車輛的所處位置進行辨別。由于物體具有反射的特性，因此激光反射在亮度上存在較大的變化，致使檢測出的距離也會發生改變，由于車輛普遍存在反射鏡，因此采用激光雷達的檢測距離十分長，并且可以保證測距的準確性。

　　5安全氣囊

　　在汽車發生碰撞事故時，安全氣囊會在最大程度上保護駕駛人員的生命安全目前氣囊一般會被安裝在汽車的方向盤和副駕駛車門上，僅安裝在方向盤的氣囊被稱為單氣囊系統，而兩個位置都安裝氣囊的就是雙氣囊系統。安裝雙氣囊系統的電動汽車，不會對汽車速度進行考慮，在汽車發生碰撞的同時，將安全氣囊彈出，因此，極容易造成安全氣囊浪費，從而提高汽車的維修費用。

　　為有效克服雙氣囊系統的弊端，目前新研發出一種基于兩次動作的雙安全氣囊系統，該氣囊系統在汽車發生碰撞時，會對汽車的行駛速度進行考慮，繼而合理的選擇保護方法，如果汽車行駛速度較慢，系統則會使用安全帶預緊動作，如果車速較快，則會彈出安全氣囊。這樣一來，就大大節省了電動汽車的維修成本，安全氣囊系統的經濟性也得以強化。安全氣囊可以在汽車發生碰撞時，減少慣性力，有利于保護駕駛人員和乘客的安全。

　　經過有關實驗表明，汽車在設置安全氣囊后，汽車在發生碰撞事故時，駕駛人員受到的傷害程度下降明顯。有些汽車不僅在正面安裝了氣囊，側面也同樣如此，有效減少了側向碰撞對于駕駛人員的傷害[7]。安裝氣囊的方向盤與普通方向盤并無二樣，但是在碰撞事故發生后，在零點幾秒內安全氣囊就會彈出，阻止駕駛人員的頭部與方向盤接觸，這種安全技術自問世以來，已經挽救了數以萬計的生命。

　　6防碰撞控制系統

　　電動汽車防碰撞系統主要由以下部分組成，一是行車環境檢測;二是防碰撞預測;三是車輛控制。其中行車環境監測系統的主要功能為測量車與車的間距，并能通過車身上的傳感器對路面情況進行判斷。一般情況下，傳感器會被安裝于車身前段的中間位置上，傳感器會在測距后，將信息及時反饋至防碰撞判定系統之中。

　　防碰撞判斷系統的工作可以分為兩部分，第一部分是估計路徑，簡言之，就是依據傳感器獲得的距離信息，并從中選擇有用數據;第二部分是判定安全風險，即根據分析結果，對碰撞風險發生的概率進行判斷。而車輛控制系統是由安全危險預警信號控制的制動操作機構，并通過高速電磁閥實現對速度的反饋和控制。該機構的優勢在于當其處在工作狀態下，駕駛員可以對車輛進行控制，一旦機構失去作用，駕駛員用腳即可制動。

　　7結論

　　綜上所述，為進一步保證電動汽車運行安全性，避免汽車碰撞事故的發生，有必要在電動汽車中應用各項防碰撞安全技術，以提高電動汽車的安全性能，促進電動汽車的發展。本文通過對ABS系統、電子控制系統、倒車雷達和安全氣囊等技術進行論述，希望對我國電動汽車發展有借鑒意義。

　　參考文獻

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　　[5].汽車碰撞安全和氣囊技術及標準國際研討會成功召開[J].工程機械文摘,2015(05):36-37.

　　[6]張鵬.防碰撞技術在中國——專訪日產汽車電子技術開發本部IT&ITS開發部部長飯島也[J].汽車與安全,2015(09):28-29.

　　[7]黃世霖,張金換.我國的汽車安全法規及碰撞安全技術[J].商用汽車,2016(11):49-50.

　　相關期刊推薦：《電子世界》ElectronicsWorld雜志創刊于1979年，由中國電子學會、北京思得易咨詢中心主辦，中國科學技術協會主管，全國公開發行。國內統一刊號：CN11-2086/TN，國際標準刊號：ISSN1003-0522，郵發代號：2-892。電子世界雜志全方位推崇E時代大眾電子科學意識，傳播電子與信息領域的新知識，新技術以及最新科研成果和技術進展。

　　

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