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碰撞工況下某電池包擠壓力分析

2021-11-01 23:37:03·  來源：電動學堂  作者：袁光亮等  
　
文章來源：1.重慶化工職業(yè)學院智能制造與汽車學院2.中國汽車工程研究院股份有限公司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
文章來源：1.重慶化工職業(yè)學院智能制造與汽車學院2.中國汽車工程研究院股份有限公司

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(fā)突出。與傳統(tǒng)燃油汽車不同，為擁有足夠的續(xù)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，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(guī)中碰撞擠壓工況。
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，電池模組采用六面體單元簡化，材料屬性為可壓縮泡沫。
各部件具體材料及單元類型如表1所示，模型共861876個單元，其中實體單元510516個，最小單元2mm，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450kg。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。


該模型鋁合金及鋼材的材料參數(shù)均由材料試驗所得，電池模組建模方法及材料參數(shù)由參考文獻所得，蘭鳳崇等人已對建模方法進行驗證，可用于后續(xù)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(shù)動力電池吊耳直接通過螺栓與門檻梁連接。在車輛發(fā)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。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。

2.1電池包側向擠壓分析
根據2017年修改稿規(guī)定，擠壓板為半徑75mm的半圓柱體，沿y向對電池包進行擠壓。擠壓力達到100kN時停止擠壓，模型如圖3所示。

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100kN、200kN時分別為20.3ms和28.5ms。當擠壓板作用力達到100kN時，電池包變形情況如圖4(a)所示，模組與箱體剛發(fā)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(guī)要求。但當擠壓力達到200kN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。


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(fā)生側碰時，B柱侵入量最大可達到96mm，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10mm。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(fā)生翻轉及壓潰，抗彎能力強。但不排除國標規(guī)定中小撞車對門檻梁及電池包的影響。

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300kg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0～20ms內，門檻梁內侵導致電池包吊耳發(fā)生變形。20ms后，電池包框架出現(xiàn)折彎，從而擠壓模組。

此后，柱體持續(xù)擠壓電池包直至75ms車體出現(xiàn)回彈。整個碰撞過程中電池包的最大侵入量約為165mm，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。

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31.2kN，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37ms左右達到最大承載力182kN，此時電池包最大侵入量為75mm，擠壓較為嚴重，存在安全風險。

柱碰中電池包的最大承受力大于國標規(guī)定的100kN，且如今多數(shù)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(guī)，其側面抵抗變形的能力有待商榷。因此，即使?jié)M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200kN時模組明顯受到擠壓，同時在參考文獻中，通過試驗得出發(fā)生起火或爆炸的擠壓力范圍在210kN以上。因此，法規(guī)中規(guī)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100kN的可能性。

在滿足擠壓試驗法規(guī)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(guī)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。
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