挑战营专题讲座 | 清华大学周青教授解读电动化和智能化场景下的汽车安全

7月11日,南科大系统设计与智能制造学院(以下简称:设计智造学院或SDIM)“达· 芬奇挑战营系列专题讲座”在SDIM Design Studio开讲。清华大学车辆与运载学院周青教授结合自身的教学和科研经历,以电动化和智能化场景下的汽车安全为主题,围绕电动汽车与传统汽车的区别、电池碰撞热失控机理及建模仿真、自动驾驶车辆的安全保护等内容进行深度讲解。包括达·芬奇挑战营营员、SDIM本科生、硕博研究生、校内其他院系师生在内的70多人听取了讲座。讲座由设计智造学院王珂教授主持。

周青教授线上分享

王珂教授主持

 

什么是“电动化和智能化”?何为“汽车安全”?

周青教授首先从本次讲座的主题出发,针对“电动化”、“智能化”以及“汽车安全”这三个关键词进行分析解读。他表示,电动化和智能化是当前汽车乃至今后几十年的一个发展趋势,既表现在技术上的趋势,也体现在应用上。汽车安全是汽车作为一个产品的永恒主题。回望汽车130多年来的发展历史,从诞生第一天起,无论作为奢侈品还是大众消费品,安全性都是汽车要面临的首要问题。对比其他类似于飞机、火箭等动能载体,汽车与人有更密切的交互作用,占有量和使用量高,因此汽车安全问题从发生概率和与公众相关度等方面都被广泛关注。

电动汽车与传统汽车的区别

周青教授谈到,相对于传统燃油汽车,电动车具有多重优点。首先,它的结构和架构更为简单、部件数量更少、制造和维护成本更低;其次,电动车的驾驶体验更好,电机转动带动车轮转动,动力传输路径更少,响应速度与加速更快;同时,电动车相比燃油车的重心更低,稳定性好;电动车无需燃油发动机,前部可以不设冷却系统的进风口,空气阻力更小,噪声也更低;另外,电动车更便于智能化,结构与布局也更为简单。
然而,周教授还强调,如果从系统层面分析,电动车的节能与环保优劣仍在讨论中。一方面,虽然电动车的使用本身不产生污染,但是其所使用的“电”可能通过烧煤等方式生产,也有碳排放和环境污染问题,再者,电池制造过程本身也存在污染;另一方面,由于电池储存能量相对较少,用户会有充电方便性和充电后能行驶的最大里程方面的焦虑。从汽车设计的角度,电池包是电动车中最大、最重和最贵的部件,这无疑给设计带来很大挑战,也成为研发机遇。“大”会占用较多使用空间,成为汽车布局设计的重大约束,“重”影响轻量化和节能环保。汽车作为大众消费品,“贵”在一定程度上会影响消费。

电池碰撞热失控机理及建模仿真

讲座中,周青教授围绕电动车动力电池碰撞安全设计的目标、动力电池的碰撞失效和热失控防护、冲击载荷下电池的动态变形预测、电池材料的失效模式以及电池模型等方面进行了深入的解读。他表示,如果要求电动车碰撞时电池部件不发生变形,需付出增重的代价,这种做法相对保守。目前的科研和设计正在尝试允许碰撞时电池发生变形,但要以不发生起火为前提。针对电池的碰撞保护,设计的严苛程度至少要保证90km/h以上,因为在这种事故情况下,乘员大概率是可以存活的。
同时,周青教授还围绕“电池在碰撞事故中的工况”以及“电池多尺度建模与碰撞失效及热失控分析”两方面进行了介绍。他强调,电池的安全研究是多尺度、多物理场的问题。近年来,实验室主要围绕电池单体碰撞失效机理和热失控失效判据、电池组分材料的力学性能和电池单体计算模型等方面进行研究。

可适配不同工况的智能碰撞保护

在自动驾驶车辆方面,周教授分享了自己在相关领域的研究。他表示,当前汽车碰撞保护设计和技术与实际需求的差别主要表现在未实现对真实事故工况的最优保护、未针对中国事故工况和中国人体型以及未考虑自动驾驶场景下可能出现的风险因素和事故形态上。在谈到未来智能交通环境下车辆动力学响应与控制的边界问题时,他强调当前还存在诸多需要投入时间、精力去思考和研究的问题,例如,可能面临传感器失误、网络问题、通信中断和延迟等诸多困难。他认为,就算忽略以上方面,在理想环境下也要面临“感知融合和通讯需要时间、预判和决策需要时间、车辆干预和响应变化需要时间”等问题。周教授还通过介绍典型案例和道路交通的真实数据解读了当前全世界交通事故存在的特点,并强调虽然目前90%以上的事故由人的错误引起,但自动驾驶不外乎是把犯错误的主体从人换成了电脑。即使发生事故的风险很低,但因为出行里程的基数极高,极端情况(corner cases)绝不能忽略,相关安全问题必须要解决。针对自动驾驶存在的极端情况,周教授表示碰撞安全保护是自动驾驶车辆安全的最后一道防线,当前正在研究的智能乘员保护系统正是为“监控车辆行驶环境和碰撞风险等”提供了更多的信息;为“判断风险并启动和调整乘员保护系统等”提供了更长时间。

讲座结束后,线上线下的同学们就汽车安全相关内容与周青教授沟通互动