劉助春，劉紅業(yè)，張 丹

（湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南 株洲 412001）

0 引言

為滿足汽車前后碰撞的安全性要求，電動(dòng)汽車（EV）電池組通常安裝在車身的底部，然而這樣布置的電池組在側(cè)面碰撞跟地面撞擊時(shí)仍然會(huì)受損。不僅會(huì)損壞結(jié)構(gòu)，而且造成火災(zāi)事故[1-4]的可能性很大。對(duì)電動(dòng)汽車[5]火災(zāi)事故的綜合統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示，約有三分之一的火災(zāi)事故是由地面沖擊或其他類型的機(jī)械載荷引起的。

由于在電動(dòng)汽車或電池組上進(jìn)行直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)成本較高，因此，有限元仿真已成為該廣泛應(yīng)用的電池結(jié)構(gòu)安全研究工具。當(dāng)前已有不少研究者通過(guò)有限元來(lái)優(yōu)化電動(dòng)汽車電池組的安全性，一部分學(xué)者從電池材料本構(gòu)模型[6-7]、電池單體[8-9]、電池模塊[10-11]等多尺度研究鋰離子電池機(jī)械沖擊下的力學(xué)特性，構(gòu)建了基于電池單體級(jí)別的電池包碰撞模型，進(jìn)行電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包防碰撞設(shè)計(jì)優(yōu)化。還有一部分學(xué)者利用有限元方法對(duì)電池包箱體疲勞振動(dòng)、碰撞安全等方面進(jìn)行了相關(guān)研究，從優(yōu)化電池箱體結(jié)構(gòu)的角度提升電池箱安全性[12-13]。

整體而言，當(dāng)前的研究在一定程度上提升了電池的碰撞安全性，但少有學(xué)者對(duì)于電動(dòng)汽車電池箱體結(jié)構(gòu)變形機(jī)理進(jìn)行研究。筆者通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的電池組結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值評(píng)價(jià)，探究動(dòng)力電池箱體結(jié)構(gòu)變形機(jī)理，并基于其變形機(jī)理提出4 種電池箱體結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真分析對(duì)比，選出綜合最優(yōu)結(jié)構(gòu)，以提高電池碰撞安全性安全性。

1 有限元分析模型構(gòu)建

圖1 為電池包模型，模型的不同的區(qū)域以不同大小的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，對(duì)于變形集中的中心區(qū)域，采用平均網(wǎng)格尺寸為1 mm 的細(xì)網(wǎng)格，而其他區(qū)域采用網(wǎng)格尺寸為3 mm 的粗網(wǎng)格。撞擊物體的模型為一個(gè)7.5 kg 的錐形剛體，半徑為40 mm，錐形角為45°，其初始加載速度為30 m/s，方向垂直于屏蔽板，模擬車輛在行視過(guò)程中撞擊凸起物。

圖1 電池包模型

單軸壓縮測(cè)試[4]表明，當(dāng)電池被壓縮3 mm 時(shí)會(huì)發(fā)生短路，因而電池最大變形量的大小直接影響電池碰撞安全。在本研究中，通過(guò)Abaqus/Viewer 的處理，計(jì)算出所有單元格之間的最大形變，電池縮短量隨電池變形前端位移的變化過(guò)程，如圖2 所示。

圖2 電池板變形量關(guān)系圖

為了探索變形的機(jī)理，提取了與變形曲線特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的變形模式（圖3）。由圖知，在開(kāi)始時(shí)，只有屏蔽板和電池單元存在變形。隨后，沖擊載荷通過(guò)電池組及其外殼結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)到地板上，地板的變形可以釋放單元格的縮短，但當(dāng)它完全變形時(shí)，單元格的縮短又開(kāi)始迅速增加。在?時(shí)刻，可以觀察到在屏蔽板的中心開(kāi)始發(fā)生斷裂，隨后屏蔽板被穿透，電池的縮短達(dá)到最大值。之后，整個(gè)結(jié)構(gòu)（包括屏蔽板、電池組、外殼結(jié)構(gòu)和底板）的變形模式由局部變?yōu)槿?，更多的區(qū)域參與到變形過(guò)程中。研究發(fā)現(xiàn)，電池短路通常發(fā)生在電池縮短3 ～4 mm 時(shí)，此電池的最大縮短是3.17 mm，因此這對(duì)電池模塊是不安全的。

圖3 電池箱體變形模式圖

2 電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)電池在變形過(guò)程中的特征與機(jī)理，設(shè)計(jì)了4種不同結(jié)構(gòu)的電池，如圖4 所示。第一個(gè)是一個(gè)增強(qiáng)的多隧道結(jié)構(gòu)外殼箱，該結(jié)構(gòu)中原來(lái)的整個(gè)箱體被分成幾個(gè)小隧道，電池單元被放置在隧道中，由于上表面和底表面之間的支撐板，該結(jié)構(gòu)具有更高的彎曲剛度，有利于限制細(xì)胞的變形。

圖4 電池箱體4 種結(jié)構(gòu)圖

其他3 種設(shè)計(jì)都采用了增強(qiáng)屏蔽板的策略，而不是外殼盒。設(shè)計(jì)2 是一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)單板組成，這兩個(gè)板的厚度相同（3.175 mm），并牢固地綁在一起，不同剛度、強(qiáng)度和斷裂行為的材料可以分配到兩個(gè)板，以達(dá)到最佳耐撞性。設(shè)計(jì)3，Nav 結(jié)構(gòu)板是一種在海洋工程領(lǐng)域非常常用的桁架結(jié)構(gòu)，也被廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè)。設(shè)計(jì)4 為BRAS，它是由國(guó)外學(xué)者Lee提出的，并已被證明是非常有效的能量吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的名稱來(lái)自于其在沖擊載荷時(shí)的自適應(yīng)和漸進(jìn)變形模式。

3 仿真分析

本研究的4 種電池箱體結(jié)構(gòu)的仿真分析結(jié)果如圖5 所示，其中基線情況用虛線繪制，各設(shè)計(jì)的最大值見(jiàn)表1。設(shè)計(jì)1：增強(qiáng)的外殼結(jié)構(gòu)，在細(xì)胞縮短率方面表現(xiàn)最差，隨著入侵程序的發(fā)展，縮短曲線迅速增加。設(shè)計(jì)2：雙材料的雙層板，與基線基本相同，最大縮短時(shí)間僅略微降低。設(shè)計(jì)3：導(dǎo)航桁架板，有顯著減少的縮短-最大值與基線相比降低了17.67%。

圖5 4 種結(jié)構(gòu)仿真分析對(duì)比圖

在4 種設(shè)計(jì)中，BRAS 結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最佳，其最大縮短時(shí)間減少了一半以上（57.73%），即使在斷裂后（曲線的第一個(gè)峰值）之后，屏蔽板還是有助于吸收動(dòng)能。在設(shè)計(jì)1 中，由于外殼結(jié)構(gòu)太硬而不能變形，整個(gè)電池模塊頭部被提升。然而，當(dāng)屏蔽板斷裂時(shí)，電池前端開(kāi)始直接使電池模塊變形。在這一階段，變形處于局部模式，這意味著沖擊能量被非常少量的細(xì)胞吸收。

與設(shè)計(jì)1 相比，其他三種情況的變形模式更加全局，許多細(xì)胞同時(shí)共享變形。雙層外殼與基線幾乎相同，除了第一個(gè)板斷裂，而第一個(gè)板斷裂可以吸收一定數(shù)量的動(dòng)能，因此對(duì)細(xì)胞有利。最后，BRAS 與Nav結(jié)構(gòu)板的局部變形都很小。與Nav 結(jié)構(gòu)板相比，BRAS板由于具有復(fù)雜的核心輪廓，具有更多的能量吸收能力，Nav 結(jié)構(gòu)板最終被穿透，而B(niǎo)RAS 沒(méi)有穿透。

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)安全電池組結(jié)構(gòu)的必須遵循兩個(gè)基本原理：

（1）設(shè)計(jì)電池箱體結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)始終避免局部變形模式，讓盡可能多的部件參與變形吸能。

（2）電池組下面的屏蔽板比外殼箱更重要，即使后者是電池單元的直接容納體，直接增強(qiáng)殼體結(jié)構(gòu)可能會(huì)使殼體結(jié)構(gòu)的接地沖擊性，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，只增強(qiáng)這兩個(gè)組件中的一個(gè)并不一定有利于保護(hù)電池。

當(dāng)然，本研究結(jié)論是基于對(duì)特定類型的撞擊物體在固定初始速度下的模擬得出的，有些因素的影響有待進(jìn)一步研究，雖然根據(jù)已有研究，這種影響很小。通過(guò)本研究明確，BRAS 結(jié)構(gòu)在3 種被研究的屏蔽板中是最有效的，其成功應(yīng)歸因于其獨(dú)特的漸進(jìn)式變形模式，通過(guò)觸發(fā)彎曲變形，完全避免了板的彎曲，從而具備更好地吸能效果與抗撞擊性。