周青：電動汽車和智能汽車的安全性挑戰(zhàn)

郭文佳

“自動駕駛的安全性目標(biāo)是什么？是達到目前人類司機的平均水平。而智能碰撞保護是自動駕駛車輛上路的最終保障！”

“自動駕駛的安全性目標(biāo)是什么？是達到目前人類司機的平均水平。而智能碰撞保護是自動駕駛車輛上路的最終保障！”4月26日，清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院學(xué)術(shù)委員會主任、中國汽車工程學(xué)會汽車安全技術(shù)分會主任委員周青教授在109周年校慶之“車輛與運載學(xué)院成立一周年校慶云論壇”上如是說。

在未來智能交通環(huán)境下，智能汽車的安全性面臨著怎樣的挑戰(zhàn)呢？已經(jīng)上路的電動汽車存在著怎樣的安全問題？是否已經(jīng)滿足了我們的安全需求以及我們?nèi)绾谓鉀Q好安全問題？

交通乘員復(fù)雜化

智能碰撞保護是優(yōu)勢

目前的汽車是否滿足了我們的安全需求？周青給出的答案是多數(shù)情況下未滿足。第一，未實現(xiàn)對真實事故工況的最優(yōu)保護;第二，未針對中國事故工況和中國人體型;第三，未考慮自動駕駛場景下可能出現(xiàn)的風(fēng)險因素和事故形態(tài)。

周青認(rèn)為，交通參與者復(fù)雜是很重要的因素。目前，所有的碰撞標(biāo)準(zhǔn)都不是針對老年人的，但隨著人口老齡化問題日益嚴(yán)重，老年人的損傷容限將會被納入考慮范圍中。另外，近年來很多美國人的體重已超過平均值，而目前的碰撞標(biāo)準(zhǔn)是針對正常身材而言的。

在目前的道路交通事故中，90%以上的事故成因是人的錯誤引起的。既然如此，很多人會認(rèn)為，自動駕駛把人類司機從系統(tǒng)中取出，是不是就可以說明事故風(fēng)險降低了90%？周青表示，當(dāng)然不是。這無外乎把犯錯主體由人轉(zhuǎn)為電腦。他認(rèn)為，自動駕駛汽車的駕駛水平至少應(yīng)達到目前人類司機的平均水平，才算實現(xiàn)了安全性目標(biāo)，這也是最低要求。當(dāng)然，自動駕駛有很多特殊的優(yōu)勢，比如環(huán)保、智能等。智能碰撞保護是自動駕駛車輛上路的最終保障，它可以涵蓋危險工況、不常見的工況等，這樣自動駕駛車輛才可以上路。

自動駕駛車輛需要克服的就是面臨危險情況時的預(yù)判和實時防護的時間延遲。

那么，針對這種工況，自動駕駛汽車如何進行智能的安全防護？周青從正常行駛、感知預(yù)警、臨界險態(tài)、碰撞四個階段分析了一體化智能安全體系下的預(yù)防和保護，主要包括以下三個方面：第一，精準(zhǔn)實時的車輛狀態(tài)和成員狀態(tài)感知及預(yù)估;第二，基于乘員損傷風(fēng)險預(yù)測的碰撞保護型決策;第三，考慮乘員狀態(tài)和碰撞形態(tài)的自適應(yīng)碰撞保護。

周青預(yù)測了在未來智能交通環(huán)境下汽車碰撞事故的新問題，展望了面向未來交通場景下的汽車乘員的安全保護。一方面，網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)和自動駕駛技術(shù)可降低汽車碰撞事故的發(fā)生率，將有更多高速隊列行駛的情況出現(xiàn)，這樣的高動能系統(tǒng)中因小概率意外引發(fā)的多車高速碰撞事故后果不容忽視。另一方面，智能行車技術(shù)也將提升碰撞預(yù)判的準(zhǔn)確性與乘員約束系統(tǒng)的優(yōu)化。結(jié)合乘員狀態(tài)識別技術(shù)、不同人體的碰撞損傷特性數(shù)據(jù)以及賽車駕駛員約束形式，為不同的碰撞工況、乘坐形式和姿態(tài)以及乘員的生物力學(xué)特性，提供有針對性的實時、自適應(yīng)碰撞保護，在確保高速碰撞事故中乘員安全的同時兼顧舒適性和方便性。

在自動駕駛汽車技術(shù)開發(fā)問題上，周青做了以下總結(jié)。如果在標(biāo)準(zhǔn)的工況下，即規(guī)范的道路環(huán)境和簡單的交通場景下正常行駛，實現(xiàn)自動駕駛的碰撞保護雖然也有難度，但是是可以預(yù)期的;但如果在復(fù)雜、危險的工況下，實現(xiàn)自動駕駛的碰撞保護可謂任重道遠(yuǎn)。

允許電池變形

托底評價方法正待開發(fā)

電池包是電動汽車上最重、最大、最貴的部件，這就決定了我們需要投入更大的資源去研究電池。

大約在七八年前，周青團隊就從頂層設(shè)計方面分析電動車動力電池碰撞保護設(shè)計。周青表示，最初的目標(biāo)是如果只要求碰撞時電池部件不發(fā)生變形就算安全，則需付出增重的代價，這也與最初設(shè)計電動汽車節(jié)能的初心背道而馳。后來，周青團隊將設(shè)計目標(biāo)改為允許碰撞時電池發(fā)生變形，甚至允許發(fā)生內(nèi)部短路，只要不起火就行。在整個設(shè)計思路中，借鑒人體碰撞保護設(shè)計思路，即允許一定程度的受傷。

那么，以什么碰撞嚴(yán)苛程度為設(shè)計目標(biāo)呢？基于目前的汽車碰撞保護水平，發(fā)生90km/h碰撞時乘員的存活可能性很大。在國外，美國FMVSS 301法規(guī)對碰撞程度的要求是80km/h尾部碰撞測試后油箱無泄漏或起火。

碰撞后，受到擠壓后的電池組分材料的破壞機理和規(guī)律是怎樣的呢？周青解釋道：在間斷的測試下，電池在擠壓下負(fù)極涂層與隔膜黏附及隔膜會減薄。在機械載荷試驗中，均發(fā)現(xiàn)擠壓力對擠壓位移曲線的斜率拐點對應(yīng)著內(nèi)部損傷演化的起始時刻。該發(fā)現(xiàn)為建立有效的電池擠壓失效判據(jù)奠定了基礎(chǔ)，明確承受機械載荷的動力電池在發(fā)生內(nèi)短路之前允許一定的變形量。

那么，在沖擊載荷下，電池的動態(tài)變形在不同加載速率下開展電芯擠壓變形與失效機理研究并分析其差異，試驗結(jié)果表明，動態(tài)沖擊載荷下電芯的結(jié)構(gòu)剛度增大，內(nèi)短路時刻對應(yīng)的變形量減小且載荷降低，即電池在動態(tài)載荷下變形的安全閾值更低。上述現(xiàn)象體現(xiàn)電池力學(xué)響應(yīng)特有的率相關(guān)性。

目前，精細(xì)化電池仿真模型支持電池碰撞失效機理分析，因為電池實驗存在一定的危險性，所以，可以利用精細(xì)化電池仿真模型去做實驗室沒有的工況。有了模型以后，提供給廠家去做電池包的安全化設(shè)計和輕量化設(shè)計。

在整車的層面上，側(cè)面柱撞和托底碰撞值得關(guān)注。值得一提的是，一般車的碰撞保護不需要考慮托底工況，但是由于電動汽車的電池在底部排列，所以不得不考慮此工況。針對2013年美國的一起電動車底部異物碰撞引發(fā)的電池著火事故，周青的研究團隊對該碰撞工況進行了再現(xiàn)分析，對比分析多種底部碰撞保護結(jié)構(gòu)形式，提出了兼顧輕量化和底部碰撞保護性能的波紋構(gòu)型填充的三明治底部護板結(jié)構(gòu)。 最近，周青團隊正與國內(nèi)廠家合作聯(lián)合開發(fā)托底實驗的評價方法。

最后，周青表示，團隊的科研核心雖是汽車碰撞事故，但終極目標(biāo)還是回歸到保證人的安全上。