董晴雯，王麗娟，陳宗渝，程晨，吳波

(南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 南昌 330031)

我國汽車行業(yè)發(fā)展還處于迅速發(fā)展時(shí)期，面臨能源緊缺和環(huán)境污染兩大難題，在國家政策的支持下，電動(dòng)汽車獲得迅猛的發(fā)展。電池包作為純電動(dòng)汽車的唯一動(dòng)力來源，其結(jié)構(gòu)的安全性關(guān)乎整車安全性。在汽車碰撞的過程中，電池包可能受到外力沖擊擠壓，導(dǎo)致電池包脫落或者電池包殼體發(fā)生破裂，當(dāng)電池包發(fā)生一定變形，甚至?xí)a(chǎn)生起火、爆炸現(xiàn)象[1-2]。針對(duì)電動(dòng)汽車，碰撞法規(guī)對(duì)碰撞后電動(dòng)汽車及電池包提出了相關(guān)安全性要求。電池包安裝在電動(dòng)汽車中部，與正面碰撞和追尾碰撞相比，側(cè)面碰撞緩沖吸能空間更小，是更惡劣的工況，對(duì)電池包的威脅更大，能更直觀地反映電池包的碰撞響應(yīng)特性[3]。

針對(duì)電池包結(jié)構(gòu)的安全性問題，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了研究。王震坡等[4]根據(jù)整車變形、電池箱前面板(保險(xiǎn)部位)變形、電池模塊的運(yùn)動(dòng)、各部位緩沖吸能能力、電池模塊等效應(yīng)力等參數(shù)評(píng)價(jià)了動(dòng)力電池包在碰撞過程中的安全性，并指出了影響安全的主要因素：電池箱門骨架剛度小、電池模塊固定能力差、碰撞區(qū)側(cè)圍骨架緩沖吸能能力弱。李明秋等[5]通過對(duì)電池包進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)有限元分析得到電池包的上箱蓋局部剛度嚴(yán)重不足，且下箱體底板強(qiáng)度不夠的結(jié)論。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，電池包箱體剛度和強(qiáng)度滿足要求且總質(zhì)量減小66.61%。姜高松等[6]通過仿真分析對(duì)電池箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果顯示：電池箱的上箱蓋剛度不足，但是箱體底部支撐框架卻有很大的設(shè)計(jì)余量。對(duì)電池箱上箱蓋進(jìn)行了形貌優(yōu)化，對(duì)電池箱下箱體框架進(jìn)行尺寸優(yōu)化，不但整體剛度得到了提高，而且在滿足強(qiáng)度的要求下，總質(zhì)量減小了5.5%。Istiyanto等[7]通過建立電池架正面碰撞、側(cè)面碰撞以及后面碰撞仿真模型分析電池架安全性，對(duì)電池架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了電池架耐撞性能。Hartmann等[8]提升了電池箱的固有頻率，并且達(dá)到車輛激勵(lì)頻率的范圍，通過減少電池箱的厚度，實(shí)現(xiàn)電池箱的輕量化設(shè)計(jì)。Kukreja等[9]建立整車有限元模型進(jìn)行整車碰撞分析，比較了多個(gè)電池組配置，得出使用多功能(耐損傷和能量存儲(chǔ))電池系統(tǒng)可以確保電池安全并有助于整體碰撞中的能量吸收。上述研究均對(duì)電池包的安全性進(jìn)行了分析，但是大多數(shù)研究僅對(duì)電池箱體進(jìn)行了安全性評(píng)估分析，而忽略了電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安全性。本文通過建立精細(xì)化的電池包模型，利用LS-Dyna軟件進(jìn)行整車側(cè)面碰撞仿真分析，探究電池箱體和內(nèi)部模組的響應(yīng)特性，根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)車體結(jié)構(gòu)和電池包箱體及其內(nèi)部模組進(jìn)行碰撞后安全性評(píng)估分析。

1 整車有限元模型的建立

1.1 精細(xì)化電池包有限元模型的建立

電池包結(jié)構(gòu)主要包括上箱蓋、下箱體、吊耳、電池模組、接插孔、從控模塊等，電池模組包括水冷板、螺栓、單體電池、電池壓板、電池罩蓋、電池支架等，電池包總共有14個(gè)模組，每個(gè)模組有12個(gè)電池單體，電池包的幾何模型如圖1所示。

為了探究電池箱體及其內(nèi)部模組的響應(yīng)特性，得到與實(shí)際更吻合的計(jì)算結(jié)果，將建立精細(xì)化的電池包有限元模型。綜合考慮建模效率和結(jié)構(gòu)對(duì)力的傳遞路徑的影響，電池包模型將保留上箱蓋、下箱體、吊耳、下箱體支撐板、電池模組、電池支架、壓板、水冷板等部件。由于研究對(duì)象是電池包，且進(jìn)行整車側(cè)面碰撞分析，因此采用均質(zhì)化建模方法建立電池模組有限元模型。文獻(xiàn)[10]根據(jù)電池單體力學(xué)試驗(yàn)，得到電池的力學(xué)特性，并發(fā)現(xiàn)一種可壓縮泡沫材料與該性質(zhì)極其相似，建立材料本構(gòu)模型，并采用均質(zhì)化建模方法建立電池單體模型進(jìn)行仿真分析，且仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分吻合。因此電池芯層材料選用各向同性可壓縮泡沫材料，電池外殼材料選用鋁，電池包下箱體、上箱蓋、吊耳、下箱體支撐板等部件所用的材料均為Q235鋼材，壓板、電池支架等部件所用的材料均為PA6塑料，各材料參數(shù)如表1所示，有限元模型如圖2所示，其中圖2(a)為箱體有限元模型，圖2(b)為模組有限元模型。

表1 材料參數(shù)Tab.1 Material parameters

1.2 車體結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

將車體結(jié)構(gòu)分為白車身和車門閉合件等各大總成進(jìn)行建模。根據(jù)建模標(biāo)準(zhǔn)，利用HyperMesh前處理軟件對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后在Oasys Primer軟件中根據(jù)仿真需要定義相關(guān)卡片。汽車碰撞仿真中常用的材料有橡膠、塑料、玻璃、鋁合金以及鋼材等，不同材料的參數(shù)各有所不同，為了仿真結(jié)果的可靠性，通過試驗(yàn)獲得材料的實(shí)際參數(shù)。各部件之間的連接方式不同，根據(jù)實(shí)際連接方式定義各部件之間的連接。電池包安裝位置如圖3所示，整車有限元模型建立完成，如圖4所示。

2 電池包側(cè)面碰撞仿真安全性分析

2.1 整車側(cè)面碰撞仿真模型可靠性分析

按照國標(biāo)GB 20071—2006建立整車側(cè)面碰撞仿真模型，調(diào)整移動(dòng)變形壁障與整車的相對(duì)位置，設(shè)置移動(dòng)變形壁障的初始速度為50 km·h-1。綜合考慮汽車側(cè)面碰撞持續(xù)時(shí)間和模型計(jì)算時(shí)間，本模型設(shè)置的計(jì)算時(shí)間為150 ms，整車側(cè)面碰撞仿真模型如圖5所示。圖6為仿真模型的能量曲線。通過對(duì)能量變化曲線的考察，可以得出系統(tǒng)的總能量為92 kJ。在碰撞的過程中沙漏能一直保持一個(gè)很小的值，約占總能量的1.8%。圖7為質(zhì)量增加曲線，最大的附加質(zhì)量為22.34 kg，附加質(zhì)量的比值約為2.08%，滿足整車碰撞仿真可靠性要求[11-12]。

LS-Dyna軟件中進(jìn)行整車側(cè)面碰撞仿真，整車變形如圖8所示，整車側(cè)面碰撞試驗(yàn)整車變形如圖9所示。對(duì)比2張圖片可以發(fā)現(xiàn)，圖示1、2、3、4處仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的變形特征基本相同，整體來看，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

2.2 電池包側(cè)面碰撞仿真響應(yīng)特性和安全性分析

2.2.1 電池包支架分析

在電動(dòng)汽車發(fā)生碰撞時(shí)，要求電池包殼體不得破裂，圖10和圖11分別是整車側(cè)面碰撞電池包支架和電池包殼體的應(yīng)變?cè)茍D，電池包支架的最大應(yīng)變?yōu)?.22%，電池包殼體的最大應(yīng)變是3.28%，材料都為Q235，破壞應(yīng)變?yōu)?5%，說明在整車側(cè)面碰撞過程中，電池包支架和電池包殼體沒有破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 電池箱體變形分析

圖12是側(cè)面碰撞過程中對(duì)應(yīng)60、90、120、150 ms時(shí)刻的電池包變形和位移云圖，在整個(gè)碰撞過程中，門檻梁和地板變形較小，侵入位移量也較小，說明地板橫向剛度較大，對(duì)電池包有一定的保護(hù)作用，使電池包未受到擠壓，電池箱體只有輕微的變形，且沒有脫落車體結(jié)構(gòu)或穿入乘員艙內(nèi)，滿足法規(guī)中對(duì)碰撞后電池包的要求。電池包前端的位移最小，越往后位移越大，在電池包后端位移達(dá)到最大，這是因?yàn)殡姵匕那岸丝拷麬柱、前側(cè)圍區(qū)域，電池包的后端靠近B柱，是碰撞過程中的主要承載區(qū)域，如圖13所示。

電池箱體的變形容易使電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到擠壓，有可能會(huì)引起電芯的起火、爆炸，因此在電池包碰撞側(cè)選取3個(gè)測點(diǎn)測量電池箱體的侵入量，位置如圖14所示，測點(diǎn)3靠近車后輪，測點(diǎn)2距測點(diǎn)3沿負(fù)X向325 mm，測點(diǎn)1距測點(diǎn)3沿負(fù)X向650 mm，3個(gè)測點(diǎn)在Z向上均處于下箱體上部位置。圖15是3個(gè)測點(diǎn)在整個(gè)碰撞過程中的侵入量-時(shí)間變化曲線，可以看到電池包最大侵入量是3.7 mm，而在Y方向上電池箱體距離水冷板的最小距離是12 mm，因此電池箱體的側(cè)壁不會(huì)與電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)接觸，不會(huì)對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的碰撞安全產(chǎn)生威脅。

2.2.3 電池包內(nèi)部模組安全性分析

圖16是碰撞過程中60、90、120、150 ms時(shí)電池包內(nèi)部模組的位移云圖，圖17是碰撞結(jié)束時(shí)即150 ms時(shí)內(nèi)部電池模組固定結(jié)構(gòu)的變形云圖。在整個(gè)碰撞過程中，電池模組與電池箱體保持良好的連接，電池模組未從電池結(jié)構(gòu)內(nèi)散落，且沒有從電池箱體中甩出，滿足法規(guī)中對(duì)碰撞后電池系統(tǒng)的要求。直到碰撞結(jié)束，電池罩蓋、電池支架、電池模組固定支架、水冷板、螺釘、電芯連接銅片都沒有產(chǎn)生明顯的變形，內(nèi)部電池模組固定結(jié)構(gòu)隨著電池箱體在Y方向做了平移運(yùn)動(dòng)，這也阻止了電池模組的竄動(dòng)，起到保護(hù)電池模組的作用，且電池模組沒有受到擠壓，未發(fā)生明顯變形，不會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部發(fā)生短路失效。

電池模組由于自身質(zhì)量較大在碰撞過程中也會(huì)產(chǎn)生很大的慣性沖擊，電池單體之間通過極耳與銅片連接，若是電池單體承受過大的慣性沖擊，會(huì)導(dǎo)致連接失效，則電池單體有短路的風(fēng)險(xiǎn)。本文以電池模組為研究對(duì)象，以電池模組的加速度響應(yīng)情況為依據(jù)對(duì)電池包的側(cè)面碰撞安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。如圖18所示，電池包內(nèi)共有14個(gè)電池模組，記錄每個(gè)電池模組在碰撞過程中的加速度變化情況。通過對(duì)比所有電池模組的的加速度變化曲線，發(fā)現(xiàn)加速度最大值出現(xiàn)在模組7上。如圖19所示是模組7的加速度-時(shí)間變化曲線，加速度峰值出現(xiàn)在56 ms，加速度最大值為26g，相關(guān)研究表明電池單體或模組最大能承受35g的加速度沖擊[13]，因此在整車側(cè)面碰撞工況下，電池模組所受最大加速度在安全范圍內(nèi)，電池包沒有內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

通過對(duì)比整車側(cè)面碰撞仿真和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)整車側(cè)面碰撞仿真模型可靠性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，驗(yàn)證了模型具有較好的精度和可靠性。

通過對(duì)整車變形和車門內(nèi)板侵入量及侵入速度進(jìn)行分析得到車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足整車側(cè)面碰撞的設(shè)計(jì)要求，并對(duì)碰撞過程中載荷的傳遞和能量的吸收耗散進(jìn)行分析，車體結(jié)構(gòu)將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃文?，?duì)電池包起到保護(hù)作用。

在整車側(cè)面碰撞工況下，從電池箱體和電池包內(nèi)部模組2個(gè)方面對(duì)電池包的碰撞安全性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。從電池包支架的應(yīng)變、電池箱體的變形和侵入量、電池包內(nèi)部模組的變形和加速度響應(yīng)等多個(gè)角度進(jìn)行分析，結(jié)果表明電池箱體在碰撞過程中不會(huì)發(fā)生破裂且不會(huì)與電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)接觸，不會(huì)對(duì)電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的碰撞安全產(chǎn)生威脅，電池內(nèi)部模組在碰撞過程中沒有受到擠壓，內(nèi)部電池模組固定結(jié)構(gòu)無明顯變形，阻止了電池模組的竄動(dòng)，且電池模組的最大加速度小于35g，因此電池包沒有內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)，滿足法規(guī)中對(duì)碰撞后電池包的安全性的相關(guān)要求。