汽車的托底碰撞事故比較常見，道路上的雜物、減速帶、路緣及路邊的樹墩都可能造成托底碰撞。但在沒有電動(dòng)車的時(shí)代托底事故被關(guān)注不多，是因?yàn)橥械资鹿室话悴粫?huì)造成人員傷害。我們在上一篇文章中介紹了電動(dòng)汽車托底碰撞的試驗(yàn)評估方法，這篇我們來介紹仿真評估方法，使大家了解，托底碰撞不僅在電池包底部產(chǎn)生高度集中的變形損傷區(qū)域，而且變形破壞的程度與碰撞強(qiáng)度（比如高速還是低速、高重疊量還是低重疊量）并不是一個(gè)簡單的關(guān)系。具體分析可以參考我們?nèi)ツ暝诿绹鴻C(jī)械工程師學(xué)會(huì)年會(huì)上宣講的論文。

   電動(dòng)車發(fā)生托底碰撞，是由于電池包底部的離地間隙低于道路上障礙物，電池包與障礙物存在高度方向的幾何不匹配，具有一垂向重疊量，當(dāng)車輛行駛過道路障礙物時(shí)，電池包被障礙物撞擊和刮蹭，稱為托底碰撞，如圖1所示。

圖1    托底碰撞示意圖

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電池包托底碰撞模型

與仿真工況矩陣

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    從結(jié)構(gòu)區(qū)分，電池包通常包括四個(gè)結(jié)構(gòu)層級(jí)，由外到內(nèi)分別為電池包、電池模組、電池單體和電池卷芯，如圖2所示。在本研究中，我們采用刀片電池單體，它是一種相對簡單的封裝類型，它的形狀是一個(gè)長、薄和窄的長方體，使用電池單體直接集成至電池包的組裝形式（Cell-to-pack），沒有電池模組層級(jí)。電池包模型和邊界條件如圖3所示。

    仿真模型中，給定電池包在行進(jìn)方向（整車X方向）的初始速度，使障礙物由前至后完整刮蹭整個(gè)電池包。仿真矩陣包括三個(gè)初始速度（為20 km/h、60 km/h和 100 km/h）和三個(gè)托底重疊量（H為10 mm、20 mm和 30 mm），共有九種不同嚴(yán)重程度的托底碰撞工況進(jìn)行仿真參數(shù)化分析。

    由于結(jié)構(gòu)的變形和損傷越嚴(yán)重，塑性能量耗散越大。因此，在評估電池卷芯及電池包相關(guān)元件的碰撞損傷中，我們使用塑性能量耗散和塑性變形來評估電池的損傷程度。我們分析比較了不同嚴(yán)重程度的托底碰撞下電池包碰撞響應(yīng)和電池?fù)p傷響應(yīng)的相對變化趨勢。

圖2    電動(dòng)車電池包和動(dòng)力電池的不同結(jié)構(gòu)層級(jí)

圖3    刀片電池組成的電池包：

(a) 真實(shí)電池包; (b) 有限元模型; 

(c) 電池單體級(jí)別側(cè)視圖; (d) 電池單體級(jí)別前視圖

  ?   托底工況仿真結(jié)果分析   ?  

    托底碰撞下電池包的von Mises等效應(yīng)力云圖如圖4所示，展示工況為電池包初始速度100 km/h、托底重疊量為20 mm。在電池包托底碰撞過程中，電池單體作為主要傳導(dǎo)碰撞的結(jié)構(gòu)元件，將托底碰撞的沖擊力由中心的碰撞區(qū)傳至電池包兩側(cè)。即使如此，被障礙物刮蹭過的電池包，無論是電池包殼體或電池單體，都在中間的碰撞區(qū)沿碰撞方向由前至后出現(xiàn)明顯的變形集中情況。

圖4    托底沖擊過程電池包應(yīng)力云圖：

(a) 內(nèi)部裝有電芯的整個(gè)電池包視圖；

(b) 移除電池包外殼以查看電池單體視圖

    圖5展示電池包模型中單節(jié)電池卷芯的塑性能量耗散分布。展示工況為初始速度100 km/h、托底重疊量為 20 mm。損傷最嚴(yán)重的電池卷芯為第1節(jié)電池，由于電池包前端的電池承受托底碰撞初期相對大的沖擊載荷，以及在電池包前端及末端的電池卷芯受到電池包殼體擠壓相對嚴(yán)重，電池卷芯能量耗散較多，也代表變形損傷較嚴(yán)重。電池包中間的電池單體因?yàn)橹苓叺募s束相對較弱，且電池單體之間存在間隙，在托底碰撞過程中電池單體能通過彎曲、變形等方式減緩沖擊損傷。因此，于電池包托底碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)中，在條件許可的情況下，可以通過間隙和布置吸能材料降低電池包結(jié)構(gòu)件對電池的變形傳遞，以保護(hù)電池包內(nèi)前端及后端的電池單體。

圖5    電池包前端和末端卷芯變形最嚴(yán)重：

(a) 卷芯能量耗散；(b) 應(yīng)力云圖

    電池包及其內(nèi)部元件在不同嚴(yán)重程度的托底碰撞中，塑性能量耗散的完整參數(shù)分析如圖6所示。第一行中的三個(gè)子圖展示整個(gè)電池包的能量吸收，包括電池包殼體、112組電池單體殼體、112組電池卷芯、電池包上蓋及電池單體上蓋的總和；第二行僅展示電池包殼體；第三行僅展示112組電池單體殼體的總和；第四行僅展示112組電池卷芯的總和。不同列組成的子圖分別比較了不同托底重疊量的結(jié)果。每個(gè)子圖包括三條曲線，分別代表三種初始速度。

    圖6參數(shù)分析的結(jié)果揭示了一些在電池包托底碰撞中易于解釋的規(guī)律。一般來說，在高負(fù)載情況（高的初始速度和/或高的托底重疊量）時(shí)，整個(gè)電池包以及各別元件的能量吸收會(huì)更高。高初始速度和高托底重疊量的情況下，電池包殼體的能量耗散大于電池單體殼體，而在低速度和中、低托底重疊量時(shí)，電池包殼體的能量耗散小于電池單體殼體。因此，電池包殼體是嚴(yán)重托底碰撞下的主要保護(hù)結(jié)構(gòu)，而電池單體殼體在中、低托底碰撞下起著更為重要的保護(hù)作用。另一方面，在大多數(shù)情況下，電池單體殼體吸收的能量耗散大約是電池卷芯的三倍，說明電池單體殼體對于電池卷芯而言是非常重要的保護(hù)結(jié)構(gòu)，在電池包托底碰撞保護(hù)設(shè)計(jì)中不容忽視電池單體殼體的重要性。

圖6    電池包及其元件在不同初速度和不同托底重疊量的能量耗散

  ?    結(jié)論    ?  

    以電動(dòng)車不同初始速度和電池包與底部障礙物不同的重疊量作為不同碰撞嚴(yán)重程度的參數(shù)，對托底碰撞電池包損傷情況進(jìn)行了參數(shù)化研究，得到以下結(jié)論：

    1、針對電動(dòng)車托底碰撞，發(fā)現(xiàn)電池包殼體是高強(qiáng)度碰撞的主要保護(hù)結(jié)構(gòu)，而電池單體殼體在中、低強(qiáng)度碰撞中的能量吸收作用更為顯著。

    2、在不同托底碰撞嚴(yán)重程度下，電池包殼體的能量耗散約占碰撞中總能量耗散的25%～55%；電池單體殼體約占30%～70%，電池卷芯約占10%～20%。

參考文獻(xiàn)

    Chen P, Xia Y, Zhou Q, et al. Damage Assessment Method of Battery Pack of Electric Vehicle in Undercarriage Collision[C]. ASME 2021 International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2021-69776.

論文原文鏈接：

https://www.researchgate.net/publication/358114142