Обеспечение безопасности электромобилей на автомагистралях

Российская Федерация является крупнейшей страной, для ее экономического развития необходимо иметь качественную и безопасную сеть транспортного сообщения. В связи с этим одним из основополагающих факторов является обеспечение безопасности на дорогах. Использование транспортных средств влечет за собой определенные угрозы, а именно дорожно-транспортные происшествия (ДТП), они наносят не только экономический удар, но и демографический. Соответственно необходимо предоставить возможность безопасно перемещаться по дорогам общего назначения.

В современном мире все больше увеличивается количество личных автомобилей, в период с 2010 по 2023 годы количество автомобилей на тысячу человек шагнуло от 130,5 до 326,9 единиц

Рисунок 1 - Прогноз динамики развития рынка электромобилей в России [1]

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.42.1

Рисунок 2 - Распределение основных видов дорожно-транспортных происшествий в России за 2023 год [2]

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.42.2

В работах, выполненных ранее, указывается, что на безопасность участников дорожного движения непосредственное влияние оказывают системы пассивной безопасности

[3]

,

[4]

. Элементы пассивной безопасности дороги, такие как ограждения дорожные барьерного типа, которые устанавливаются на земляном полотне автомобильной дороги в пределах рабочего, переходного и концевых участков 

[5]

,

[6]

, позволяют снизить последствия  ДТП, выполняя удерживающую функцию, особенно в горной местности. Все имеющиеся конструкции рассчитаны на взаимодействие с автомобилями, имеющими определенную высоту центра тяжести. В случаях с электромобилями центр тяжести находится гораздо ниже, чем у классических автомобилей. Таким образом, при взаимодействии с ограждающими конструкциями в момент ДТП происходит неконтролируемое разрушение автомобиля, что негативно сказывается на здоровье водителя и пассажиров.

Таким образом, актуальность исследований надежности предохранительных барьеров на автомагистралях обоснована.

Целью работы является определение оптимальной высоты расположения ограждающих конструкций на автомагистралях, которая поможет обеспечить наименьшую травмоопасность для водителей и пассажиров в момент наступления ДТП.

Электромобили имеют некоторые отличия от традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Конструкция электромобиля предполагает в себе наличие следующих компонентов:

1. Электромотор-силовой агрегат, обеспечивающий движение транспортного средства, представляет собой статор (неподвижная часть электромотора) и ротор (подвижная часть). Под действием электромагнитных сил, создаваемых в данном узле, создается вращение. Существуют различные схемы электромоторов, в электромобиле чаще всего используются бесколлекторные схемы. Наиболее эффективный тип силовой установки, на сегодняшний момент – бесколлекторный синхронный электродвигатель.

2. Трансмиссия – передает крутящий момент с силового элемента на движитель. Ввиду высокого начального момента и широкого диапазона эффективной частоты вращения, развиваемого электродвигателем, данному типу автомобиля не требуется сложная трансмиссия со множеством скоростей.

3. Тяговая батарея-энергетический элемент, представляющий собой набор ячеек с контроллерами, является самой дорогой составляющей электромобиля. Батареи подразделяются по объему и величине рабочего напряжения.

4. Инвертор-устройство, служащее для преобразования постоянного тока батареи электромобиля в переменный, необходимый для работы электромоторов. Также этот блок ответственен за управление величиной ускорения и рекуперации.

5. Аккумулятор – низковольтная электрическая подсистема, необходимая для функционирования бортовой электроники, светотехники, электроусилителей и прочих систем.

6. Система терморегулирования – система, состоящая из радиаторов и тепловых магистралей, необходимая тяговой батарее и инвертору для наиболее эффективной работы

Особенностью электромобиля является его вес, который значительно больше веса среднего автомобиля с ДВС того же класса, например, вес самого популярного электромобиля TESLAmodelY составляет 2072 кг, также вес популярно авто ToyotaRAV 4 с ДВС составляет всего 1565 кг, что практически на четверть легче рассматриваемого электромобиля

В современных автомобилях значительную часть массы составляет силовая установка, вес которой составляет 150-200 кг, в свою очередь, самой тяжелой частью электромобиля является тяговая батарея находящаяся в «полу» транспортного средства, что обеспечивает низкий центр тяжести, ее вес составляет 420-480 кг. в зависимости от модели электромобиля.

Изменение состава дорожного трафика требует корректировки средств, обеспечивающих безопасность дорожного движения. А именно дорожных ограждений. На настоящий момент дорожные ограждения воздвигаются с учетом нормативного документа «ГОСТ Р 52289-2019 Технические средства организации дорожного движения», в котором описываются необходимые параметры, требуемые от ограждения (Таблица 1, Таблица 2)

Согласно ПДД РФ, пункт 10.3, скорость вне населенных пунктов не должна превышать 90 км/ч.

По усредненным параметрам в качестве допущения можно принять оптимальный угол для расчетов в 45 градусов.

Определим энергию воздействия электромобиля TESLAmodelY при столкновении на автомагистрали под углом 45 градусов.

 E=0,5mV2sinα

Где:

E – табличное значение удерживающей способности (кДж);

m – масса транспортного средства (кг);

V – скорость развиваемая транспортным средством (м/с);

α – угол столкновения.

Полученное значение (458 кДж) превышает удерживающее значение даже укрепление с классом удерживающей способности У7 (450 кДж).

Как уже было сказано ранее, центр тяжести электромобиля находится существенно ниже автомобилей с ДВС из-за наличия батарей в полу транспортного средства. Данное условие может являться критическим фактором при столкновении с дорожным ограждением, поскольку в фронтальной части наиболее тяжелой составной частью является двигатель, который находится существенно выше в сравнении с уровнем расположения энергоносителей электрокара. Схема взаимодействия представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема взаимодействия электромобиля и ограждения

Примечание: F – вектор силы батареи воздействующий на ограждение; а – высота установки батареи; 1 – дорожное ограждение барьерного типа; 2 – электромобиль TESLA model Y

DOI:10.60797/IRJ.2024.146.42.5

Более низкая точка приложения основной ударной нагрузки, в купе с ее большей энергией, может сказаться на механике сдерживания автомобиля и привести к непредсказуемым последствиям, одной из которых может являться неправильная деформация ограждения. У электромобиля TESLA model S батарея, составляющая большую часть массы транспортного средства, находится ниже оси колес. Вследствие вышеописанных факторов необходимо увеличить значение удерживающей нагрузки, а также оснастить ограждение дополнительным «щитом» для более равномерного приложения нагрузки при подобных сценариях.

При столкновении на большой скорости с какой-либо преградой автомобиль может воспламениться, электромобиль не лишен этой опасной особенности, более того в горении автомобиля есть важные аспекты.

При тщательном рассмотрении механики возгорания электромобилей выяснилось, что воспламенение транспортного средства невозможно без этапа термического разгона. Данный процесс представляет собой цепную реакцию ячеек энергоносителя, которая начинается с нагрева катода, выполненного из литий-кобальтового оксида, который в дальнейшем выделяет кислород окисляющий электролит, вследствие чего температура еще больше возрастает и данный процесс переходит на соседние ячейки. Рассматриваемый процесс чаще наблюдается в теплое время года

Таким образом, были исследованы статистические данные роста количества электромобилей в общем списке транспортных средств, описана конструкция типового электромобиля, отражены отличия электромобилей и автомобилей с ДВС, рассчитаны кинетические энергии электромобиля и автомобиля с двигателем внутреннего сгорания и произведены сравнения с параметром удерживающей способности описанной в «ГОСТ Р 52289-2019 Технические средства организации дорожного движения», представлена схема взаимодействия электромобиля и ограждения, разобран вопрос о проблематичности тушения электрического транспортного средства при возгорании, представлены имеющиеся примеры, определен первостепенный этап возгорания.

Представленная методика расчета высоты барьеров ограждения позволяет выполнить их с учетом использования на автомагистралях по которым будут передвигаться не только классические автомобили с тепловыми ДВС, но и электромобили. Ранее использовались нормативы, которые были актуальны для расчетов высоты ограждений на автомагистралях, по которым передвигались только автомобили с тепловыми ДВС.

При проектировании и производстве ограждений на автомагистралях можно рекомендовать увеличить поверхность барьеров за счет снижения расположения нижнего его края с целью демпфирования ударных нагрузок в момент наступления ДТП с участием электромобилей.