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電池模組動態(tài)沖擊介紹
2020-08-08 00:43:13· 來源：上汽安全與CAE技術
引言新能源汽車的推廣被視為我國邁向汽車強國，實現(xiàn)汽車工業(yè)彎道超車的希望。因此近年來，從中央到地方各級政府推出一系列政策引導新能源汽車的健康快速發(fā)展。
引言
新能源汽車的推廣被視為我國邁向汽車強國，實現(xiàn)汽車工業(yè)彎道超車的希望。因此近年來，從中央到地方各級政府推出一系列政策引導新能源汽車的健康快速發(fā)展。
2019年，中國新能源汽車銷量超過120萬輛；隨著能源和環(huán)保的壓力增大，新能源汽車正在成為汽車的發(fā)展重要方向之一。
圖1:2014~2019歷年新能源車銷量
電池系統(tǒng)作為純電動及混合動汽車的重要動力來源，能量密度和功率較高，其可靠性及安全性直接決定整車的安全。目前，全球主要國家及地區(qū)都對電動/混動汽車碰撞安全以及動力電池有相應的法規(guī)要求，見表1。
表1 全球主要地區(qū)電動車碰撞安全&動力電池法規(guī)
相關統(tǒng)計表明[1]，2010到2019年發(fā)生的電動汽車燃燒事故中，由于車輛碰撞導致電池包燃燒起火的事故占16%，主要原因有以下幾點：①正面或者追尾碰撞導致電池包X向發(fā)生變形；②側面碰撞導致電池包Y向變形；③車輛托底引發(fā)的電池包Z向變形。因此，有效地評估電池碰撞的力學和電學特性對避免新能源汽車發(fā)生嚴重安全事故意義重大。
圖2新能源安全事故分類
本文針對一種電池模組在典型碰撞工況下力-位移-電行為進行研究，采用圓弧沖頭對電池模組的三個方向進行動態(tài)沖擊試驗，模擬整車高速碰撞中電池系統(tǒng)受到的撞擊的工況，對電池的力學和安全性能進行了評估，確定電池受碰撞沖擊載荷的極限，進而指導整車開發(fā)設計。
1 電池模組試驗設計
1.1試驗材料
本文試驗用電池模組含有八塊電池單體，（見圖3）。
圖3 電池模組
定義電池模組方向與整車X、Y、Z方向對應（見圖4），通過X向和Y向的沖擊試驗模擬電池模組在整車碰撞過程中的受力工況，Z向的試驗則對應整車碰撞中地板等結構變形擠壓電池模組上蓋的情況。
圖4 電池模組方向定義
1.2試驗測試方法
試驗在落錘試驗機上完成，如圖5所示。三個方向試驗中的電池模組均靠其自身的安裝螺栓固定，以盡可能反映其在實車中的安裝方式。
該試驗中載荷傳感器安裝在電池模組的支撐平板下面。通過測量貼于傳感器側壁的應變片的電壓變化，獲取試驗中電池模組所受的載荷。通過超動態(tài)應變儀高速采集卡采集載荷傳感器的電壓信號及電池模組電壓。使用非接觸測量技術測量沖擊頭的位移（即電池模組的侵入量）和沖擊速度[2]。
圖5 落錘試驗機
2 電池模組動態(tài)沖擊試驗
2.1 物理現(xiàn)象及特點分析
基于落錘試驗臺，完成了X、Y和Z方向的動態(tài)沖擊試驗，試驗后的電池模組如圖6所示。三個方向試驗后的電池模組在試驗后均發(fā)生持續(xù)冒煙，但未產(chǎn)生起火。X方向動態(tài)沖擊試驗后，電池模組頂部鋁合金框架發(fā)生變形和斷裂，離錘頭最近的1#單體和2#單體受沖擊破壞嚴重，內部電芯被擠出。其余單體均有不同程度的變形損傷，見圖6a。電池模組Y向沖擊造成模組的鋁合金框架、電路板、底部塑料板和4#和5#電池單體變形嚴重，電池單體鋁殼被破壞，電芯外漏，見圖6b。Z方向沖擊試驗后模組被劈開，鋁制框架和塑料底部發(fā)生破壞，電路板折斷，4#和5#電池單體擠壓變形嚴重,電極連接片脫落，見圖6c。
圖6 電池模組動態(tài)沖擊試驗后照片
2.2 動態(tài)沖擊試驗數(shù)據(jù)分析
圖7展示了電池模組三個方向沖擊載荷作用下的載荷、侵入位移和總電壓隨時間變化曲線。X方向載荷呈現(xiàn)雙峰形狀，當模組承受載荷達到第一峰時，出現(xiàn)內部短路，總電壓從10V持續(xù)下降到7.5V。其原因是1# 電池組的破壞導致電壓下降到0V。載荷達到第一峰后，外層鋁制框架破壞，載荷下降，錘頭進一步擠壓模組，各電池單體為主要承載部件，載荷曲線上升第二峰值，1#和2#單體電芯被擠出鋁殼后，載荷曲線開始下降至0。
Y向和Z向載荷在經(jīng)歷了上升的階段后均達到75kN左右水平的載荷平臺，錘頭持續(xù)擠壓4#和5#電池單體的Y向和Z向。電壓曲線的變化表明兩種工況下均較早地發(fā)生了內短路，這可能是由于Y和Z向的沖擊試驗過程中，更容易對電池模組內部的電路板造成破壞，造成內部提前短路。
使用單體電壓下降時刻的侵入位移和沖擊載荷兩個參數(shù)指標作為損傷容限來評價電池模組的安全性能，相比Y和Z方向，X方向的承載能力和抗侵入能力更強；Y方向的抗侵入能力最??；Z方向的承載能力最弱。
圖7 電池模組落錘試驗結果
3 結束語
研究結果表明：電池模組在動態(tài)沖擊試驗過程中出現(xiàn)內短路和熱失控現(xiàn)象，試驗的模組外層鋁制框架破壞，單體外殼破壞，電芯外漏。電池模組的承載能力和損傷容限表現(xiàn)出明顯的方向特性。高速工況下，X方向的承載能力最強，Y方向抗侵入能力最弱，而Z方向的承載能力最小。
在新能源汽車電池系統(tǒng)的安全設計中，需要考慮電池模組在高速工況下的特性，同時綜合考慮和利用電池單體不同方向的承載能力和損傷容限，以求達到最佳的輕量化和碰撞安全設計。
參考文獻 ：
[1] 動力電池BMS測試評價與標準體系.2019.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司
[2] 汪凱夏勇顧功堯王元博周青.用于車身材料力學試驗的非接觸測量系統(tǒng)開發(fā).[J]. 汽車工程, Vol. 30,No.11, 1006-1008, 2008.
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