袁光亮，姜廣志

（1.重慶化工職業(yè)學(xué)院 智能制造與汽車(chē)學(xué)院，重慶 401220；2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

關(guān)鍵字：碰撞；擠壓；電池包；安裝點(diǎn)

引言

隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)的推廣，電動(dòng)汽車(chē)的保有量逐年增多，電動(dòng)車(chē)尤其是動(dòng)力電池的安全問(wèn)題越發(fā)突出。與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)不同，為擁有足夠的續(xù)航能力，動(dòng)力電池普遍存在體積大、質(zhì)量大等問(wèn)題，嚴(yán)重占用下車(chē)體空間，橫、縱梁難以布置，且電池包本身在一定程度上充當(dāng)正碰及側(cè)碰能量的傳遞路徑。而電池包內(nèi)部的模組在擠壓及沖擊作用下有爆炸及燃燒的可能性。因此，有必要對(duì)電池包的碰撞安全性能進(jìn)行研究。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)電池安全問(wèn)題做了大量研究，大多針對(duì)電池包熱管理、靜強(qiáng)度、振動(dòng)沖擊以及疲勞壽命等問(wèn)題[1-4]，對(duì)電池包碰撞擠壓?jiǎn)栴}分析較少，尤其是針對(duì)電池包安全性能法規(guī)中碰撞擠壓工況。蘭鳳崇[5]等建立并驗(yàn)證了電池包精細(xì)化模型，并結(jié)合柱碰分析提出了一種適用于電動(dòng)汽車(chē)電池包碰撞性能的分析方法。馮富春[6]等水平放置擠壓板，模擬了電池箱在擠壓過(guò)程中的形變及應(yīng)力情況，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。郭巖[7]利用試驗(yàn)，對(duì)比了國(guó)內(nèi)外電池包試驗(yàn)的差異，總結(jié)歸納了合理的電池包試驗(yàn)順序。本文依據(jù)國(guó)標(biāo)中的要求,對(duì)電池包進(jìn)行擠壓仿真，并結(jié)合側(cè)碰及柱碰，從受力及變形的角度對(duì)電池包結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行討論，為電池包安全性能的設(shè)計(jì)提供參考。

1 電池包有限元建模

由于鋁合金密度小，比吸能率高等特點(diǎn)，在電池包的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。本文以某鋁合金電池包為研究對(duì)象，如圖1所示，包括電池包箱體、電池模組、吊耳、緊固螺栓及 控制電源等?？刂齐娫吹入娖骷ㄟ^(guò)質(zhì)量單元配重在其安裝點(diǎn)位置，考慮到單元類(lèi)型對(duì)剛度的影響[8]，電池模組采用六面體單元簡(jiǎn)化，材料屬性為可壓縮泡沫[5]。各部件具體材料及單元類(lèi)型如表1所示，模型共861 876個(gè)單元，其中實(shí)體單元510 516個(gè)，最小單元2 mm，最小雅克比為0.6，滿(mǎn)足計(jì)算精度要求。動(dòng)力電池總成質(zhì)量為450 kg。模組通過(guò)螺栓預(yù)緊力固定在電池包箱體橫梁上，預(yù)緊力大小根據(jù)測(cè)得的預(yù)緊力矩轉(zhuǎn)化得到。焊縫采用剛性單元點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

圖1 電池包有限元模型

表1 電池包各部件單元類(lèi)型及材料參數(shù)

該模型鋁合金及鋼材的材料參數(shù)均由材料試驗(yàn)所得，電池模組建模方法及材料參數(shù)由參考文獻(xiàn)[5]所得，蘭鳳崇等人已對(duì)建模方法進(jìn)行驗(yàn)證，可用于后續(xù)進(jìn)一步研究。

2 電池包有限元分析

由于目前純電動(dòng)汽車(chē)下車(chē)體結(jié)構(gòu)布置的原因，多數(shù)動(dòng)力電池吊耳直接通過(guò)螺栓與門(mén)檻梁連接。在車(chē)輛發(fā)生側(cè)碰時(shí)，如圖2所示，框架式電池包與下車(chē)體形成一個(gè)整體，側(cè)碰力通過(guò)門(mén)檻梁直接作用在電池包上[9]。而側(cè)碰中，車(chē)體通過(guò)變形吸收的能量有限，更多的是將力傳遞到非碰撞側(cè)。因此，本文著重針對(duì)電池包側(cè)向碰撞進(jìn)行討論。

圖2 側(cè)碰中電動(dòng)車(chē)下車(chē)體的主要傳力路徑

2.1 電池包側(cè)向擠壓分析

根據(jù)2017年修改稿[10]規(guī)定，擠壓板為半徑75 mm的半圓柱體，沿y向?qū)﹄姵匕M(jìn)行擠壓。擠壓力達(dá)到100 kN時(shí)停止擠壓，模型如圖3所示。

圖3 電池包側(cè)向擠壓有限元模型

圖4(c)給出了電池包受擠壓時(shí)的時(shí)間-作用力的關(guān)系曲線(xiàn)，受力達(dá)到100 kN、200 kN時(shí)分別為20.3 ms和28.5 ms。當(dāng)擠壓板作用力達(dá)到100 kN時(shí)，電池包變形情況如圖4(a)所示，模組與箱體剛發(fā)生接觸，變形主要集中在吊耳上，模組自身變形不大，相對(duì)安全，滿(mǎn)足法規(guī)要求。但當(dāng)擠壓力達(dá)到200 kN時(shí)，如圖4(b)所示，電池包箱體框架被完全壓扁，嚴(yán)重侵入模組，存在漏液及短路等風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 電池包變形量及接觸力

2.2 側(cè)面碰撞分析

為更好地說(shuō)明電池包在實(shí)際碰撞中所承受的擠壓力，本文分別參照C-NACP側(cè)面可變形碰撞及Euro-NCAP側(cè)面剛性柱碰進(jìn)行仿真分析，并提取電池包駕駛員側(cè)吊耳的截面力。計(jì)算模型的沙漏能及質(zhì)量增長(zhǎng)均小于5%，模型結(jié)果可靠。

2.2.1 可變形側(cè)面碰撞結(jié)果

由圖5可以看出，發(fā)生側(cè)碰時(shí)，B柱侵入量最大可達(dá)到96 mm，但是門(mén)檻梁并沒(méi)有明顯侵入，與電池包直接連接的門(mén)檻梁下部最大侵入量小于10 mm。主要是由于2018版C-NACP側(cè)面碰撞的撞車(chē)距地面較高，撞車(chē)可變形部位只有很小一部分直接撞擊門(mén)檻梁，且該模型門(mén)檻梁為鋁合金型材，不易發(fā)生翻轉(zhuǎn)及壓潰，抗彎能力強(qiáng)。但不排除國(guó)標(biāo)規(guī)定中小撞車(chē)對(duì)門(mén)檻梁及電池包的影響。

圖5 側(cè)碰B柱及門(mén)檻梁侵入量

2.2.2 剛性柱碰結(jié)果

純電動(dòng)汽車(chē)質(zhì)量較大，普遍比相同的燃油車(chē)重300 kg左右，因此在柱碰中沖擊力更大。從圖6可以看出整個(gè)分析過(guò)程中電池包的變形量，在0～20 ms內(nèi)，門(mén)檻梁內(nèi)侵導(dǎo)致電池包吊耳發(fā)生變形。20 ms后，電池包框架出現(xiàn)折彎，從而擠壓模組。此后，柱體持續(xù)擠壓電池包直至75 ms車(chē)體出現(xiàn)回彈。整個(gè)碰撞過(guò)程中電池包的最大侵入量約為165 mm，電池包框架已嚴(yán)重?cái)D壓到電池模組，存在模組漏液等風(fēng)險(xiǎn)。從電池包整體變形分析可以看出， 電池包吊耳到門(mén)檻梁的間距直接影響電池包擠壓開(kāi)始的時(shí)間，在設(shè)計(jì)中應(yīng)避免吊耳直接與門(mén)檻梁連接?？梢栽谙萝?chē)體布置縱梁并對(duì)電池包進(jìn)行連接，既增加了正面碰撞的傳遞路徑又阻斷了門(mén)檻梁對(duì)電池包的直接影響。通過(guò)門(mén)檻梁的變形吸收更多的能量，從而改善電池包的受力情況。

圖6 柱碰電池包侵入量

2.2.3 截面力提取及比較

圖7給出了側(cè)碰及柱碰的吊耳截面力。側(cè)面可變形碰撞中截面力最大為31.2 kN，與門(mén)檻梁侵入量較小相符，對(duì)電池包擠壓的影響較小。剛性柱碰中電池包吊耳在37 ms左右達(dá)到最大承載力182 kN，此時(shí)電池包最大侵入量為75 mm，擠壓較為嚴(yán)重，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 吊耳截面力

柱碰中電池包的最大承受力大于國(guó)標(biāo)規(guī)定的100 kN，且如今多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)并不參加C-NCAP等碰撞測(cè)試，僅通過(guò)國(guó)家強(qiáng)制性法規(guī)，其側(cè)面抵抗變形的能力有待商榷。因此，即使?jié)M足國(guó)標(biāo)（修改稿）中電池包擠壓試驗(yàn)的要求，在其他碰撞事故中仍然存在擠壓力過(guò)大而導(dǎo)致漏液、短路以及爆炸等風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)人身及財(cái)產(chǎn)安全存在隱患。圖4(b)中可以看出200 kN時(shí)模組明顯受到擠壓，同時(shí)在參考文獻(xiàn)[7]中，通過(guò)試驗(yàn)得出發(fā)生起火或爆炸的擠壓力范圍在210 kN以上。因此，法規(guī)中規(guī)定的限制無(wú)法保證較多的電池包碰撞安全問(wèn)題。

3 結(jié)論

通過(guò)電池包的精細(xì)建模方法建立了某車(chē)型鋁合金電池包模型。根據(jù)可變形側(cè)面碰碰撞及剛性柱碰的分析結(jié)果，討論了電池包的受力及變形情況。通過(guò)分析結(jié)果可以看出，純電動(dòng)汽車(chē)在使用或試驗(yàn)中電池包的受力存在大于100 kN的可能性。在滿(mǎn)足擠壓試驗(yàn)法規(guī)后，碰撞試驗(yàn)中仍存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，在設(shè)計(jì)中，除了考慮法規(guī)中電池包擠壓力限值外，還需額外增強(qiáng)門(mén)檻梁強(qiáng)度，避免側(cè)碰力直接傳遞至電池包上，通過(guò)電池包與門(mén)檻梁的間距獲得吸能空間。