一種電池包底部抗碰撞性能的測(cè)試方法研究

胡雷，黃巧慧，柳惠君，周揚(yáng)，唐莉，李月明

吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司，浙江杭州 311228

0 引言

由于道路路況復(fù)雜，電動(dòng)汽車(chē)的電池包通常布置于車(chē)輛底部。在實(shí)際的行駛過(guò)程中，電池包底部容易受到各種異物的沖擊，造成不同程度和多種形式的損傷。電池包結(jié)構(gòu)受損，正負(fù)電極容易短路并引起內(nèi)部溫度急劇升高，最終致使電池自燃。車(chē)輛電池包底部損傷主要有水平撞擊、翻轉(zhuǎn)撞擊和負(fù)坎工況3種形式。水平撞擊主要發(fā)生在平坦路面上，車(chē)輛行駛過(guò)程中電池包底部被在豎直方向存在高差的固定物體撞擊;翻轉(zhuǎn)撞擊主要發(fā)生在平坦路面，車(chē)輛行駛過(guò)程中電池包底部被在豎直方向存在高差的非固定物體撞擊，撞擊過(guò)程中該物體出現(xiàn)運(yùn)動(dòng);負(fù)坎工況主要發(fā)生車(chē)輛行駛過(guò)程中路面存在明顯高差，車(chē)輛底部前端的副車(chē)架等車(chē)體結(jié)構(gòu)容易避開(kāi)障礙物，使電池包底部直接與障礙物撞擊，造成電池包底部嚴(yán)重?fù)p傷。根據(jù)調(diào)查分析，售后調(diào)查的電池包的損傷場(chǎng)景發(fā)生在負(fù)坎工況。

1 負(fù)坎試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

負(fù)坎試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)主要有跑道系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)、燈光攝像系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)。其中牽引系統(tǒng)、數(shù)采系統(tǒng)和燈光攝像系統(tǒng)在市場(chǎng)上已有成熟的測(cè)試設(shè)備，但跑道系統(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)需要單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.1 跑道臺(tái)架設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)跑道

如圖1所示，跑道主要由斜坡、高臺(tái)階跑道、低臺(tái)階跑道和沖擊壁障4個(gè)部分組成。斜坡主要目的是保證車(chē)輛順利運(yùn)行至高臺(tái)階跑道上面。為了保證力墻傳感器和沖擊壁障的安裝，將跑道進(jìn)行了抬高設(shè)計(jì)，高臺(tái)階跑道離地高度330 mm，長(zhǎng)度需保證車(chē)輛前后輪從斜坡上來(lái)后均在其上方運(yùn)行。車(chē)輛行駛上高臺(tái)階跑道后須保證一個(gè)車(chē)位運(yùn)行距離，結(jié)合車(chē)型軸距，高臺(tái)階跑道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為6 m。

圖1 負(fù)坎試驗(yàn)跑道設(shè)計(jì)

為減小斜坡對(duì)加速度分量的影響，計(jì)算跑道斜坡角度控制在6°以下，最后推算斜坡長(zhǎng)度約3 m。低臺(tái)階跑道的高度可調(diào)，以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛負(fù)坎高度的調(diào)節(jié)，同時(shí)也避免車(chē)輛從高臺(tái)階跑道下落時(shí)直接撞擊試驗(yàn)地面，造成試驗(yàn)場(chǎng)地?fù)p壞。此次試驗(yàn)的低臺(tái)階跑道高度為110 mm。因此該試驗(yàn)方案的負(fù)坎高度為220 mm。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，利用實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的牽引系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)車(chē)輛運(yùn)行，從斜坡運(yùn)行至高臺(tái)階跑道上并繼續(xù)向前運(yùn)行。當(dāng)車(chē)輛從高臺(tái)階跑道開(kāi)始跌落時(shí)，牽引系統(tǒng)與試驗(yàn)車(chē)輛分離。車(chē)輛從高臺(tái)階跑道跌落過(guò)程中，電池包底部與撞擊壁障發(fā)生接觸沖擊。

1.1.2 撞擊壁障設(shè)計(jì)

行駛過(guò)程中的車(chē)輛具有很大的動(dòng)能，當(dāng)汽車(chē)底部的電池包與地面異物碰撞時(shí)，其動(dòng)能將導(dǎo)致接觸區(qū)材料快速進(jìn)入塑性狀態(tài)，極大影響電池包的安全性。汽車(chē)電池包與道路異物撞擊時(shí)具有很多非線性表現(xiàn)，這些非線性表現(xiàn)由車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、道路異物的幾何形狀等不確定因素所決定，因此汽車(chē)電池包和道路異物的碰撞問(wèn)題比較復(fù)雜。

為了簡(jiǎn)化模型，提高試驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性以及試驗(yàn)過(guò)程的安全性，在車(chē)輛負(fù)坎試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)如表1所示的壁障尺寸，模擬負(fù)坎時(shí)的面面接觸形式，撞擊壁障如圖2所示。

表1 壁障尺寸

圖2 撞擊壁障

1.1.3 撞擊壁障安裝位置的確定

如圖3所示，撞擊壁障中心線方向距離高臺(tái)階跑道30 mm，壁障高度距離地面430 mm，即高出高臺(tái)階跑道100 mm。

圖3 撞擊壁障X方向布置位置

如圖4所示，撞擊壁障中心線向距離車(chē)輛縱向中心線40 mm。

圖4 撞擊壁障Y方向布置位置

1.2 觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)觸發(fā)是通過(guò)帶狀開(kāi)關(guān)撞擊實(shí)現(xiàn)數(shù)采系統(tǒng)的觸發(fā)。但在負(fù)坎試驗(yàn)中通過(guò)帶狀開(kāi)關(guān)觸發(fā)會(huì)影響撞擊壁障和車(chē)輛的重疊量，同時(shí)對(duì)電池包底部撞擊點(diǎn)的損傷程度也有一定影響。因此根據(jù)數(shù)采系統(tǒng)觸發(fā)原理，設(shè)計(jì)了非接觸式的紅外觸發(fā)系統(tǒng)，如圖5所示。紅外觸發(fā)系統(tǒng)的信號(hào)處理模塊根據(jù)紅外線激光的變化進(jìn)行信號(hào)處理，然后通過(guò)繼電器模塊產(chǎn)生高低電平信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高壓電測(cè)量系統(tǒng)觸發(fā)。同時(shí)，可以根據(jù)觸發(fā)時(shí)刻確認(rèn)數(shù)采系統(tǒng)零時(shí)刻。

圖5 紅外觸發(fā)系統(tǒng)

1.3 負(fù)坎試驗(yàn)速度確定

負(fù)坎工況的電池包底部剮蹭主要出現(xiàn)在車(chē)輛低速行駛過(guò)程中，同時(shí)如果速度過(guò)快車(chē)輛將可能由于慣性從壁障上方飛過(guò)從而不能與壁障發(fā)生接觸。結(jié)合負(fù)坎高度和壁障高度，經(jīng)過(guò)分析調(diào)試確認(rèn)此次負(fù)坎試驗(yàn)速度設(shè)定為20 km/h。車(chē)輛通過(guò)牽引系統(tǒng)加速，在高臺(tái)階跑道上速度達(dá)到20 km/h后跌落，復(fù)現(xiàn)負(fù)坎工況。

2 負(fù)坎試驗(yàn)及電池包底部損傷分析

試驗(yàn)后底部損傷照片,如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)后底部損傷照片

在負(fù)坎試驗(yàn)工況下，呈現(xiàn)面面接觸形式。電池包與壁障接觸面積較大，集中載荷較小，底部沒(méi)有被壁障擊穿，接觸區(qū)域出現(xiàn)隆起和較大面積變形。電池包底部在與撞擊壁障主要呈現(xiàn)塑性變形。試驗(yàn)過(guò)程中，電池包未出現(xiàn)開(kāi)裂或者擊穿。壁障方向力最大值為25 300 N，方向力最大值為4 093 N。撞擊壁障方向力如圖7所示。

圖7 撞擊壁障Z方向力

3 結(jié)論

本文介紹了一種用于檢測(cè)電池包底部防護(hù)性能的負(fù)坎試驗(yàn)方法，設(shè)計(jì)的壁障以及撞擊壁障可以在、、3個(gè)方向可調(diào)，以滿足轎車(chē)和SUV車(chē)輛的不同重疊量測(cè)試需求，用于復(fù)現(xiàn)實(shí)際場(chǎng)景中電池包的損傷情況，也可以用于驗(yàn)證汽車(chē)電池包在負(fù)坎工況中的抗沖擊性能。同時(shí)也設(shè)計(jì)了一種非接觸式觸發(fā)系統(tǒng)，代替了傳統(tǒng)的接觸式觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的觸發(fā)和高壓電的零時(shí)刻確定。

電池包底部損傷過(guò)程復(fù)雜，主要有塑性變形、開(kāi)裂和擊穿等失效模式。試驗(yàn)主要復(fù)現(xiàn)了電池包的塑性變形，未能復(fù)現(xiàn)電池包的開(kāi)裂和擊穿等失效模式，后期可以調(diào)整壁障形式實(shí)現(xiàn)在負(fù)坎工況中，對(duì)電池包損傷進(jìn)行更深的損傷研究。