碰撞工況下某電池包擠壓力分析

袁光亮，姜廣志

（1.重慶化工職業學院 智能制造與汽車學院，重慶 401220；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

關鍵字：碰撞；擠壓；電池包；安裝點

引言

隨著國內新能源汽車的推廣，電動汽車的保有量逐年增多，電動車尤其是動力電池的安全問題越發突出。與傳統燃油汽車不同，為擁有足夠的續航能力，動力電池普遍存在體積大、質量大等問題，嚴重占用下車體空間，橫、縱梁難以布置，且電池包本身在一定程度上充當正碰及側碰能量的傳遞路徑。而電池包內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，有必要對電池包的碰撞安全性能進行研究。

近年來，國內外學者針對電池安全問題做了大量研究，大多針對電池包熱管理、靜強度、振動沖擊以及疲勞壽命等問題[1-4]，對電池包碰撞擠壓問題分析較少，尤其是針對電池包安全性能法規中碰撞擠壓工況。蘭鳳崇[5]等建立并驗證了電池包精細化模型，并結合柱碰分析提出了一種適用于電動汽車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程中的形變及應力情況，并進行優化設計。郭巖[7]利用試驗，對比了國內外電池包試驗的差異，總結歸納了合理的電池包試驗順序。本文依據國標中的要求,對電池包進行擠壓仿真，并結合側碰及柱碰，從受力及變形的角度對電池包結構安全進行討論，為電池包安全性能的設計提供參考。

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，在電池包的設計中得到廣泛應用。本文以某鋁合金電池包為研究對象，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。控制電源等電器件通過質量單元配重在其安裝點位置，考慮到單元類型對剛度的影響[8]，電池模組采用六面體單元簡化，材料屬性為可壓縮泡沫[5]。各部件具體材料及單元類型如表1所示，模型共861 876個單元，其中實體單元510 516個，最小單元2 mm，最小雅克比為0.6，滿足計算精度要求。動力電池總成質量為450 kg。模組通過螺栓預緊力固定在電池包箱體橫梁上，預緊力大小根據測得的預緊力矩轉化得到。焊縫采用剛性單元點對點連接。

圖1 電池包有限元模型

表1 電池包各部件單元類型及材料參數

該模型鋁合金及鋼材的材料參數均由材料試驗所得，電池模組建模方法及材料參數由參考文獻[5]所得，蘭鳳崇等人已對建模方法進行驗證，可用于后續進一步研究。

2 電池包有限元分析

由于目前純電動汽車下車體結構布置的原因，多數動力電池吊耳直接通過螺栓與門檻梁連接。在車輛發生側碰時，如圖2所示，框架式電池包與下車體形成一個整體，側碰力通過門檻梁直接作用在電池包上[9]。而側碰中，車體通過變形吸收的能量有限，更多的是將力傳遞到非碰撞側。因此，本文著重針對電池包側向碰撞進行討論。

圖2 側碰中電動車下車體的主要傳力路徑

2.1 電池包側向擠壓分析

根據2017年修改稿[10]規定，擠壓板為半徑75 mm的半圓柱體，沿y向對電池包進行擠壓。擠壓力達到100 kN時停止擠壓，模型如圖3所示。

圖3 電池包側向擠壓有限元模型

圖4(c)給出了電池包受擠壓時的時間-作用力的關系曲線，受力達到100 kN、200 kN時分別為20.3 ms和28.5 ms。當擠壓板作用力達到100 kN時，電池包變形情況如圖4(a)所示，模組與箱體剛發生接觸，變形主要集中在吊耳上，模組自身變形不大，相對安全，滿足法規要求。但當擠壓力達到200 kN時，如圖4(b)所示，電池包箱體框架被完全壓扁，嚴重侵入模組，存在漏液及短路等風險。

圖4 電池包變形量及接觸力

2.2 側面碰撞分析

為更好地說明電池包在實際碰撞中所承受的擠壓力，本文分別參照C-NACP側面可變形碰撞及Euro-NCAP側面剛性柱碰進行仿真分析，并提取電池包駕駛員側吊耳的截面力。計算模型的沙漏能及質量增長均小于5%，模型結果可靠。

2.2.1 可變形側面碰撞結果

由圖5可以看出，發生側碰時，B柱侵入量最大可達到96 mm，但是門檻梁并沒有明顯侵入，與電池包直接連接的門檻梁下部最大侵入量小于10 mm。主要是由于2018版C-NACP側面碰撞的撞車距地面較高，撞車可變形部位只有很小一部分直接撞擊門檻梁，且該模型門檻梁為鋁合金型材，不易發生翻轉及壓潰，抗彎能力強。但不排除國標規定中小撞車對門檻梁及電池包的影響。

圖5 側碰B柱及門檻梁侵入量

2.2.2 剛性柱碰結果

純電動汽車質量較大，普遍比相同的燃油車重300 kg左右，因此在柱碰中沖擊力更大。從圖6可以看出整個分析過程中電池包的變形量，在0～20 ms內，門檻梁內侵導致電池包吊耳發生變形。20 ms后，電池包框架出現折彎，從而擠壓模組。此后，柱體持續擠壓電池包直至75 ms車體出現回彈。整個碰撞過程中電池包的最大侵入量約為165 mm，電池包框架已嚴重擠壓到電池模組，存在模組漏液等風險。從電池包整體變形分析可以看出， 電池包吊耳到門檻梁的間距直接影響電池包擠壓開始的時間，在設計中應避免吊耳直接與門檻梁連接。可以在下車體布置縱梁并對電池包進行連接，既增加了正面碰撞的傳遞路徑又阻斷了門檻梁對電池包的直接影響。通過門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給出了側碰及柱碰的吊耳截面力。側面可變形碰撞中截面力最大為31.2 kN，與門檻梁侵入量較小相符，對電池包擠壓的影響較小。剛性柱碰中電池包吊耳在37 ms左右達到最大承載力182 kN，此時電池包最大侵入量為75 mm，擠壓較為嚴重，存在安全風險。

圖7 吊耳截面力

柱碰中電池包的最大承受力大于國標規定的100 kN，且如今多數電動汽車并不參加C-NCAP等碰撞測試，僅通過國家強制性法規，其側面抵抗變形的能力有待商榷。因此，即使滿足國標（修改稿）中電池包擠壓試驗的要求，在其他碰撞事故中仍然存在擠壓力過大而導致漏液、短路以及爆炸等風險，對人身及財產安全存在隱患。圖4(b)中可以看出200 kN時模組明顯受到擠壓，同時在參考文獻[7]中，通過試驗得出發生起火或爆炸的擠壓力范圍在210 kN以上。因此，法規中規定的限制無法保證較多的電池包碰撞安全問題。

3 結論

通過電池包的精細建模方法建立了某車型鋁合金電池包模型。根據可變形側面碰碰撞及剛性柱碰的分析結果，討論了電池包的受力及變形情況。通過分析結果可以看出，純電動汽車在使用或試驗中電池包的受力存在大于100 kN的可能性。在滿足擠壓試驗法規后，碰撞試驗中仍存在安全風險。因此，在設計中，除了考慮法規中電池包擠壓力限值外，還需額外增強門檻梁強度，避免側碰力直接傳遞至電池包上，通過電池包與門檻梁的間距獲得吸能空間。