楊智輝，徐棟愷，肖華

超高強鋼制電池包底部球擊試驗與仿真方法研究

楊智輝1,2，徐棟愷1,2，肖華1,2

（1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開發(fā)與應用技術國家重點試驗室（寶鋼），上海 201900）

研究超高強鋼電池包底部球擊工況的仿真分析方法，通過實物試驗驗證仿真分析方法的準確性。通過建立電池包底部球擊的仿真模型，對底部球擊工況進行數(shù)值模擬，分析球擊過程中應力–應變分布和底板承受變形的能量情況。開展底部球擊實物試驗，并與模擬結果進行對比分析。在球擊過程中，隨著球擊頭撞擊底板位移的增大，擠壓力逐漸增加，底板變形能量也逐漸增加；當擠壓力達到10 kN時，仿真位移為19.127 mm，試驗結果位移為20 mm。當位移達到20 mm時，仿真底板變形能量為73.716 J，試驗結果為70.581 J，仿真與試驗結果較為一致。超高強鋼電池包在底部球擊試驗中未發(fā)生開裂，滿足標準要求，數(shù)值模擬方法可以為電池包底部球擊工況提供指導。

電池包；底部球擊；有限元分析

動力電池是電動汽車的核心部件，近年來，電動汽車的銷量快速增加，電動汽車安全問題也愈加突出[1]，開展車用動力電池包底部碰撞安全研究，對提高動力電池包底部防護安全和電動汽車的整車安全性具有重要意義和實用價值。

對底部球擊工況進行模擬計算，可以評價電池包底部抵抗沖擊變形的能力。李冰等[2]對鋁合金電池包底部球擊進行仿真，通過在底板設計加強筋，增加了電池包底部與電池模組的間隙，也改善了其抵御變形的能力。沈汭宏等[3]對電池包底板進行了不同工況、不同沖擊形狀的仿真，指出沖擊物與電池包底板接觸頭越尖銳，沖擊速度越大，箱體材料延展性越低，電池包越容易發(fā)生破裂失效。朱紅霞等[4]對電池包側向擠壓和底部托底進行了仿真分析研究，發(fā)現(xiàn)異物尖銳度和托底面積是影響底板變形程度的主要因素。黃蘆等[5]對電池包底部錐狀物沖擊下的力學響應進行了分析，揭示了沖擊載荷作用下電池包結構的應力–應變分布與準靜態(tài)作用下的結果不同。楊威[6]對電池包底部碰撞安全性進行了分析，結合有限元仿真和球頭擠壓試驗，探討了薄板在機械加載下的變形失效機理。Kisters等[7]采用幾種新的結構設計層板代替電池包底板模擬碰撞，指出防爆自適應三明治結構（blast resistant adaptive sandwich，BRAS）在吸能和變形方面優(yōu)于其他層板。Zhu等[8]對比分析了多種底部碰撞保護結構形式，提出了兼顧輕量化和底部碰撞保護性能的波紋構型填充的三明治底部護板結構。Halimah等[9]對電池包底部碰撞工況進行了分析，提出了一種提升電動車底部耐撞性能的夾芯板結構。Nirmala等[10]采用有限元方法研究了基于纖維金屬層壓板（fiber reinforced metal laminate，F(xiàn)ML）制成的電池系統(tǒng)保護結構在受到錐體撞擊時的性能表現(xiàn)，研究表明，增加纖維金屬層壓板厚度和界面黏合強度可以增加能量吸收，降低電池變形。Scurtu等[11]通過對比冷噴涂后的鋁材電池包和未噴涂的鋁材電池包，發(fā)現(xiàn)冷噴涂處理能夠提高電池包剛度和固有頻率，可作為優(yōu)化電池包的設計方法。Xia等[12]對鋰離子電池安全問題進行了多尺度、多材料的分析，指出理解和預測電池包受到底部球擊時的變形趨勢是電動汽車設計時必須要考慮的因素，車底保護板、底板、橫梁、側軌等汽車結構元件雖然提供了不同層次的保護，但它們也可能破壞電池組的穩(wěn)定水平，為此需要在給這些部件提供足夠剛度和強度的基礎上，找到實現(xiàn)各方面保護作用的最優(yōu)組合。Istiyanto等[13]對電池包箱體和框架進行模擬碰撞，并通過增加加強筋和改善電池包放置位置、電池包形狀來增加熱屏障，進而把電池熱失控現(xiàn)象限制在局部位置，防止電池模組在受到?jīng)_擊時電池發(fā)生變形，導致短路和熱擴散。此外，用于電池組的非堆疊型電池配置有助于減緩由沖擊引發(fā)的熱失控的傳播速率。

文中主要研究了超高強鋼電池包底部球擊工況的仿真分析方法，并通過實物試驗驗證了仿真分析方法的準確性。首先對電池包進行工裝設計，使試驗仿真時的電池包更接近實際工況，接著選取電池包底部最薄弱的位置進行球擊試驗和仿真，對比并分析試驗和仿真的結果。

1 試驗

1.1 工裝設計及加工

實際工況的電池包共32個模組，模組分2層放置，上層14個，下層18個。每個模組的尺寸規(guī)格（長×寬×高）為355 mm×151.6 mm×108.5 mm，每個模組質量為11.4 kg，如圖1所示。為了方便試驗和仿真，將電池模組進行等效處理，保證仿真與試驗的模組質量一致，模組高度從108.5 mm降低為82.5 mm。

圖1 電池模組排布示意圖

電池包用材選擇超高強鋼，通過強度提升和厚度減薄，可在提升電池包安全性的同時實現(xiàn)輕量化。其中電池包邊框選擇B1500HS熱成形鋼，抗拉強度典型值為1 530 MPa，橫縱梁選擇HC820/1180DP，抗拉強度典型值為1 210 MPa，底板選擇HC420/ 780DH，抗拉強度典型值約為850 MPa。電池包用材信息如表1所示。

表1 電池包用材信息

Tab.1 Material information of battery pack

實際工況下的電池模組布局重心主要分布在2層電池包的中間層，等效配重后只有下層等效模組不能將重心維持在此高度，為此配重塊的設計要盡量保持重心在平面?？紤]到以上因素，現(xiàn)保證每個電池包配重塊的質量為11.4 kg，尺寸為355 mm×151 mm× 27.5 mm，材質為Q235，總共32個等效配重塊，如圖2所示。其中，配重塊四角的孔為螺栓固定孔，中間兩孔為定位孔，孔中一半的尺寸是攻M12的螺紋，方便裝入螺桿以進行裝卸搬運。將32個配重塊先按照原電池包下層18個電池模組的布置方式布置一層，安裝位置和原電池模組保持一致，多出的配重塊對稱放置在下層中部位置以保持重心高度，具體電池包殼體安裝配重塊前后示意圖如圖3所示。

圖2 配重塊設計及排布示意圖

圖3 電池包殼體安裝配重塊前后示意圖

1.2 試驗設備

底部球擊試驗采用的設備為電池包底部球擊試驗臺（電子萬能試驗機），如圖4所示，型號為BE– 6047Q，由廣東貝爾試驗設備有限公司制造，由廣州廣電計量檢測股份有限公司計量校準，校準證書編號為J202010163542A–0001，計量結論為所校項目符合1級要求。

電池包底部球擊試驗臺（數(shù)字電壓表）的型號為BE–6047Q，由廣東貝爾試驗設備有限公司制造，由廣州廣電計量檢測股份有限公司計量校準，校準證書編號為J202010163542B–0001，計量結論為所校項目符合技術要求。

圖4 底部球擊試驗設備

1.3 試驗過程

測試對象為電池包殼體，將配重塊按照預先設計好的設置方式放置安裝，并按照中國汽研底部球擊規(guī)范的步驟進行球擊測試。

試驗金屬球擊頭的材質為45#鋼（60HRC～ 65HRC），電池包球擊試驗選用的球頭直徑為150 mm，設置擠壓力為25 kN，擠壓速度≤2 mm/s，擠壓方向為豎直向上。球擊點的位置選擇電池包底部最薄弱的位置，如圖5所示。

圖5 底部球擊試驗位置示意圖

安裝固定電池包和球擊電池包底板過程如圖6所示，將電池包放在水平平臺上，球擊頭從平臺底部向電池包底板球擊位置施加擠壓力，如圖6b所示。通過固定工具對電池包邊框上吊耳施加壓力并鎖緊來固定電池包，通過球擊頭對試驗位置施加擠壓力，擠壓力逐步增大直到受力達到25 kN，球擊試驗停止，觀察球擊位置變形情況。

圖6 電池包底部球擊試驗過程

2 結果與分析

球擊試驗后的電池包底板塑性變形如圖7所示，具體形變如圖8所示，球擊試驗結果如圖9所示。由圖9的試驗曲線可以看出，電池包底板變形量隨著球擊擠壓力的增大而增大，且大致呈線性關系，曲線無突變，底板變形沒有撞擊到電芯。球擊點最大變形量為34.53 mm，橫梁行程為43.04 mm，用時103.91 s。電池包在球擊點的位置處有明顯塑性變形，但未開裂。

2.1 電池包底部球擊建模

為開展電池包底部球擊仿真方法研究與對標，對電池包開展建模分析。考慮到電池包部件的厚度均勻且較薄，電池包底板、邊框、橫縱梁、接頭、吊耳均采用殼單元模擬，材料選擇MAT24；考慮到試驗的球擊頭速度緩慢，底板、邊框、橫縱梁和接頭的應變率很低，而仿真球擊頭速度較快，所以部件的材料力學性能曲線選擇應變速率最低的準靜態(tài)曲線，以保證仿真變形更加準確，材料力學性能曲線如圖10所示。電池模型采用實體單元模擬配重塊，其中配重塊表面殼單元材料為MAT9，實體單元材料為MAT24，排列方式和試驗一致，質量保持一致；仿真模型中螺栓、點焊用剛性單元模擬，縫焊用殼單元模擬，配重塊之間的連接片用殼單元模擬，材料均為MAT24；用殼單元模擬底部球擊頭時，材料設置為剛體MAT20。

圖7 電池包底部球擊后變形情況

圖9 電池包底部球擊試驗曲線

圖10 電池包底板材料力學性能曲線

考慮到電池包在碰撞過程中各個部分可能相互接觸，設置了電池包自接觸，焊點與電池包殼體、橫縱梁接觸，電芯自接觸，電芯和電池包為面面接觸，金屬球擊頭和電池包底板為面面接觸。

設置模型的自身重力場，并在電池包底部設置留有球擊位置地面約束，使仿真模型和試驗工況一致，如圖11所示。試驗時電池包兩側吊耳有工裝壓緊并用螺母固定，為使仿真盡可能與試驗接近，首先調整仿真模型，對兩側吊耳的螺栓中心點先施加10 kN的預緊力，加載曲線使用如圖12所示的SMOOTH曲線，使加載過程更加平順，隨后施加固定約束，充分固定電池包。然后設置金屬球擊頭的位移，球頭以恒定速度撞擊底板，位移曲線如圖13所示。最后設置輸出吊耳和剛性球的計算結果。電池包底部球擊仿真模型如圖14所示。

圖11 模型球擊位置地面設置

圖12 預緊力加載曲線

2.2 底部球擊試驗與仿真結果對標

取撞擊點的試驗結果與仿真分析結果進行對比，發(fā)現(xiàn)電池包底部球擊仿真結果和試驗相似，底板應變區(qū)域和應力分布都圍繞球擊位置，底板有一定塑性變形，無斷裂，如圖8及圖15所示。當球擊頭位移至20 mm時，最大應力為720.436 MPa，最大塑性應變?yōu)?.034，滿足塑性應變要求，如圖15所示。

圖13 金屬球擊頭位移曲線

圖15 底部球擊仿真最大應力和塑性應變

球擊點的試驗和仿真位移–擠壓力曲線如圖16所示，可知，隨著金屬球擊頭撞擊底板位移的增大，擠壓力逐漸增加，變化速率總體上也逐漸增加。試驗曲線和仿真曲線基本一致，仿真曲線在試驗曲線上下輕微波動，當擠壓力為10 kN時，試驗球擊頭位移達到20 mm，仿真球擊頭位移為19.127 mm，仿真球擊頭位移誤差為4.37%，滿足仿真精度要求。底部球擊的能量變化曲線可以反映底板變形的過程，試驗和仿真電池包底部球擊能量變化曲線如圖17所示，仿真變形能量和試驗一致，產(chǎn)生了塑性變形，位移達到20 mm時，試驗底板承受變形能量為70.581 J，仿真底板承受變形能量為73.716 J，仿真誤差為4.41%，遠小于20%，所以本次建立的電池包底部球擊模型能夠較為準確地模擬試驗。

圖16 試驗和仿真位移–擠壓力曲線對比

圖17 試驗和仿真能量變化曲線對比

3 結論

以超高強鋼制電池包為研究對象，進行了電池包底部球擊試驗與仿真方法的研究，得到如下結論。

1）超高強鋼制電池包底部球擊試驗和仿真分析結果表明，球擊后底板的變形均未超出標準規(guī)定范圍或發(fā)生斷裂，電池包底板選用HC420/780DH材料，在底部受到撞擊時能夠有效保護電池包，相關試驗和仿真結果滿足標準要求。

2）建立了電池包底部球擊試驗的高精度仿真分析方法，該分析方法能夠準確地模擬底部球擊試驗，仿真結果與試驗結果對比誤差較小，變形能量誤差為4.41%，位移誤差為4.37%。

3）結合電池包底部球擊高精度仿真方法，為電池包產(chǎn)品設計和結構優(yōu)化提供了準確的預測和指導。

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Ball Impact Test and Simulation Method at the Bottom of Ultra-high Strength Steel Battery Pack

YANG Zhi-hui1,2, XU Dong-kai1,2, XIAO Hua1,2

(1. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels (BaoSteel Group), Shanghai 201900, China)

The paper aims to study the simulation analysis method of ball impact condition at the bottom of ultra-high strength steel battery pack and verify the accuracy of the simulation analysis method by physical test comparison. By establishing the simulation model of the bottom ball impact of the battery pack, the working condition of the bottom ball impact is simulated. The distribution of stress and strain and the deformation energy of the base plate during the process of ball striking are analyzed. The physical test of bottom ball impact is carried out and compared with the simulation results. In the process of ball striking, with the increase of the displacement of the ball striking head hitting the bottom plate, the extrusion force increases gradually, and the deformation energy of the bottom plate also increases gradually. When the extrusion force reaches 10 kN, the simulation displacement is 19.127 mm and the test result displacement is 20 mm. When the displacement reaches 20 mm, the deformation energy of the simulated bottom plate is 73.716 J, and the test result is 70.581 J. The simulation results are consistent with the test results. The results show that the ultra-high strength steel battery pack does not crack in the bottom ball impact test, which meets the standard requirements. The simulation method can provide guidance for the bottom ball impact condition of the battery pack.

battery pack; bottom shot; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.021

U469.72

A

1674-6457(2022)06-0154-07

2021–12–13

國家重點研發(fā)計劃（2017YFB0304400）

楊智輝（1989—），男，碩士，工程師，主要研究方向為汽車板先進成形技術。

責任編輯：蔣紅晨