王輝，楊全凱，吳澤勛，閆高峰，包國(guó)建，宿學(xué)深，韓旭

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，杭州 310000）

引言

21世紀(jì)新能源汽車作為世界各國(guó)重要發(fā)展方向，純電動(dòng)汽車作為絕對(duì)主力全球市場(chǎng)占比逐年穩(wěn)增，較保守的估計(jì)二零二五年年銷量將達(dá)五百多萬輛以上[1]。最近幾年來電動(dòng)汽車起火事故頻頻發(fā)生，其安全性能成為廣大消費(fèi)者及行業(yè)重要關(guān)注焦點(diǎn)之一。

據(jù)綜合統(tǒng)計(jì)調(diào)查，如圖1所示，電動(dòng)汽車因?yàn)榕鲎矊?dǎo)致電池包短路而引起的火災(zāi)占比達(dá)百分之十四[2]。開展車用電池包底部碰撞安全性研究勢(shì)在必行，提高整車電池包安全性已是行業(yè)共識(shí)。

圖1 電動(dòng)汽車火災(zāi)事故統(tǒng)計(jì)

目前行業(yè)相關(guān)組織機(jī)構(gòu)已展開新能源汽車底部碰撞的相關(guān)研究，且已有部分可供參考的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)。2021年12月30日中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布并實(shí)施編號(hào)為T/CASE 244的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，文中明確了關(guān)于整車電池包底部碰撞的具體工況及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[3]。2022年4月8日中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司成功舉辦2022年汽車測(cè)評(píng)國(guó)際峰會(huì)暨C-NCAP年會(huì)，會(huì)議中規(guī)劃了未來關(guān)于新能源車電池包底部碰撞的一些具體研究路線及方法。部分研究也表明，整車電池包底部碰撞主要包括向上撞擊和水平撞擊[4]。

目前電動(dòng)汽車起火事故頻發(fā)，主要原因是電池包安全性不足，為提升整車電池包安全性本文展開了相關(guān)研究?；谏鲜稣囯姵匕撞颗鲎残袠I(yè)研究背景下，本文結(jié)合試驗(yàn)對(duì)整車電池包底部碰撞多個(gè)工況多款電池包進(jìn)行了高精度仿真分析，并對(duì)相關(guān)工況及應(yīng)對(duì)策略開展詳細(xì)研究。

1 工況及電池包介紹

1.1 工況介紹

本文關(guān)于整車電池包底部碰撞工況共設(shè)置4個(gè)工況，分別為前刮底（工況1）、后刮底（工況2）、前托底（工況3）及123 J托底工況（工況4）。各工況如圖2所示，詳細(xì)說明以下：

圖2 電池包底部碰撞工況

工況1：前刮底工況為車輛沿行駛方向以31 km/h的速度撞擊不可移動(dòng)的剛性球柱障礙物，球柱直徑150 mm，障礙物與電池包垂直方向重疊36 mm，Y向選取對(duì)電池包最不利的位置；

工況2：后刮底工況為車輛沿倒車方向以6 km/h的速度撞擊不可移動(dòng)的剛性球柱障礙物，球柱直徑150 mm，障礙物與電池包垂直方向重疊36 mm，Y向選取對(duì)電池包最不利的位置；

工況3：前托底工況為車輛以21 km/h的速度向前行駛向高為200 mm的下臺(tái)階，臺(tái)階下放置不可移動(dòng)的剛性球柱障礙物，球柱直徑150 mm，球柱高出臺(tái)階100 mm，Y向選取對(duì)電池包最不利的位置；

工況4：123 J托底工況為車輛靜止放置在測(cè)試臺(tái)架上，剛性沖擊頭沿垂直方向以123 J的能量撞擊電池包底部，剛性沖擊頭直徑25 mm，質(zhì)量10 kg，撞擊位置選取最不利于電池包的位置。

1.2 電池包介紹

本文對(duì)3款整車搭載可換電電池包進(jìn)行研究，電池包是通過鎖體向上裝配在車身門檻內(nèi)縱梁上。電池包由多個(gè)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成[5]，電池包底部由多層結(jié)構(gòu)組成，其中包括底板及液冷板；電池包1液冷板為分塊式分別嵌在框架與橫梁底部，電池包2和3均為整體式液冷板，安裝在框架下部。此外，由于模組電芯材質(zhì)有所不同，電池包2與3的續(xù)航及總重存在差異。

電池包作為整車結(jié)構(gòu)重要組成部分，無論時(shí)重量、功能及安全性均不容忽視。本文根據(jù)幾何數(shù)據(jù)對(duì)電池包仿真模型進(jìn)行了精細(xì)化建模，且輸入對(duì)標(biāo)參數(shù)，其精度及可靠性有保證。此外，整車的模型精度及可靠性也需要有保證。

2 模型搭建

2.1 整車垂直方向傳力分析

傳統(tǒng)整車工況如正碰、側(cè)碰等與整車電池包底部碰撞工況關(guān)注有所不同，前者主要受整車水平各方向剛度的影響，而后者主要受整車垂直方向剛度的影響。因此，基于傳統(tǒng)整車模型需對(duì)影響整車垂直方向剛度的結(jié)構(gòu)及參數(shù)重新校正。

靜置整車垂直方向做受力如圖3所示，G與F1+F2保持受力平衡，G為重力，F(xiàn)1、F2分別為地面對(duì)前、后輪的支撐力。整車受力及傳力路徑如圖4所示，前輪通過F1傳力至減震器（F1-1）、轉(zhuǎn)向拉桿（F1-2）、傳動(dòng)軸（F1-3）及前懸擺臂（F1-4），其中F1-1直接傳力至車身，F(xiàn)1-2、F1-3及F1-4傳力至副車架，副車架傳力至車身；后輪通過F2傳力至減震器（F2-1）、彈簧（F2-2）及縱臂（F2-3）及前懸擺臂（F2-4），F(xiàn)2-1、F2-2及F2-3最終均傳力至車身。

圖3 整車垂直方向受力分析

圖4 整車受力及傳力路徑

2.2 關(guān)鍵建模

通過上述受力分析所得，整車垂直方向剛度動(dòng)態(tài)響應(yīng)對(duì)分析結(jié)果的可靠性有較大影響。整車垂直方向剛度間隙主要表現(xiàn)在輪胎、動(dòng)總懸置、擺臂襯套、穩(wěn)定桿襯套、前后懸彈簧、減震器阻尼等結(jié)構(gòu)，以及前后懸動(dòng)總等多處的運(yùn)動(dòng)副。

整車半載狀態(tài)下，確保整車質(zhì)量及質(zhì)心的前提下，剛度間隙結(jié)構(gòu)的剛度阻尼特性及運(yùn)動(dòng)副應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際進(jìn)行參數(shù)設(shè)置及建模。在LS-DYNA中前后懸彈簧及襯套可用Beam 6號(hào)單元模擬，材料用MAT196號(hào)，材料中設(shè)置相關(guān)參數(shù)[6]。輪胎進(jìn)行預(yù)壓，對(duì)標(biāo)剛度與試驗(yàn)保持一致[7]。

3 可靠性驗(yàn)證

本文共涉及4個(gè)工況、3款電池包，如全部進(jìn)行需共計(jì)12次試驗(yàn)，項(xiàng)目成本巨大。因此，前期策劃進(jìn)行部分試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型，使得仿真模型的精度及可靠性有保證的前提下再進(jìn)行全工況仿真分析。

根據(jù)對(duì)工況3仿真與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，如圖5所示，試驗(yàn)電池包底板垂直侵入3.9 mm仿真3.5 mm，底板的損傷程度仿真與試驗(yàn)基本相同。如圖6所示，電池包與障礙物的接觸力峰值及曲線走勢(shì)仿真與試驗(yàn)基本相同。

圖5 試驗(yàn)底板受損情況

圖6 電池包&障礙物接觸力曲線

4 全工況仿真分析

通過上文，驗(yàn)證了仿真模型的精度及可靠性，現(xiàn)根據(jù)各工況要求進(jìn)行整車仿真分析。重點(diǎn)考察各電池包模組垂直方向最大侵入及液冷板的塑性應(yīng)變?cè)u(píng)估電池包安全性。結(jié)果匯總?cè)鐖D7。

圖7 評(píng)價(jià)匯總表

根據(jù)仿真分析結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)解析，總結(jié)以下幾點(diǎn)主要內(nèi)容：

1）在各工況下各電池包模組侵入均較小。得益于電池包底部多層結(jié)構(gòu)及框架有效保護(hù)。

2）電池包1在各工況下液冷板塑性應(yīng)變均較小。得益于電池包1的液冷板為分塊式嵌入在框架底部，在工況1、2、3中電池包框架先于液冷板受撞，對(duì)液冷板起到了較好的保護(hù)作用。

3）電池包2及3在工況1下液冷板塑性應(yīng)變均較小。得益于工況1中，車輛前行壁障先與副車架底部發(fā)生碰撞，之后與電池包框架發(fā)生碰撞，對(duì)液冷板起到很好的緩沖及保護(hù)作用。

4）電池包2及3在工況2、3、4下液冷板塑性應(yīng)變均較大，存在電池包液冷系統(tǒng)及氣密性受損風(fēng)險(xiǎn)，電池包繼續(xù)使用或充放電存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)。其主要原因在于電池包2及3的液冷板扣在底板上且與框架同邊界，障礙物撞擊框架的同時(shí)也撞擊到液冷板，從而導(dǎo)致液冷板損傷較嚴(yán)重。

5 小結(jié)

根據(jù)各工況仿真分析結(jié)果，以及結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際可行性，總結(jié)整車電池包底部安全應(yīng)對(duì)策略，具體描述如以下幾點(diǎn)：

1）電池包框架設(shè)計(jì)，邊框截面盡可能設(shè)計(jì)為“L”型，中間盡可能布置多的橫梁，橫梁截面盡可能設(shè)計(jì)為“⊥”字型，設(shè)計(jì)遵從框架在電池包底面投影所占面積越大越好。

2）電池包液冷板位置設(shè)計(jì)，應(yīng)與電池包防護(hù)板和框架邊緣保持安全距離。理想位置是嵌在“L”及“⊥”框架衍生橫梁處上表面。當(dāng)整車發(fā)生前后或底部電池包碰撞時(shí)，橫梁會(huì)起到很好的緩沖載荷及規(guī)避碰撞的保護(hù)作用。

3）電池包模組放置方式，基于模組內(nèi)部電芯及其他結(jié)構(gòu)的組成方式，盡可能保證模組中電芯遠(yuǎn)離底面，模組垂直方向盡可能獲取較大的剛度。該模組放置方式保證了模組盡可能具有較大的抵抗載荷的能力，發(fā)生碰撞時(shí)產(chǎn)生較小的變形。

4）電池包底板設(shè)計(jì)，應(yīng)用較高高強(qiáng)度的材料，底板下表面應(yīng)附著有絕緣防刮蹭性能的特殊質(zhì)料。電池包底板作為電池包受撞時(shí)第一道防線，較強(qiáng)的底板和較低的摩擦系數(shù)能夠起到較好的保護(hù)效果。

5）前后副車架設(shè)計(jì)，靠近電池包的副車架底板或底橫梁的底面應(yīng)低于電池包底面一定距離，且滿足該要求的副車架底板或底橫梁的底面盡可能保證較大的寬度、長(zhǎng)度及垂直方向的剛度。對(duì)于工況1、2該副車架設(shè)計(jì)能夠起到很好的緩沖載荷的保護(hù)作用。

本文對(duì)電池防護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范工況進(jìn)行了深入研究，充分考慮設(shè)計(jì)可行性，使性能與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到平衡點(diǎn)。提出的應(yīng)對(duì)策略能夠有效提高整車工況下動(dòng)力電池包的安全性能。本文中建立了高精度仿真模型，涉及的方法及要點(diǎn)可供借鑒和參考。