此篇文章介紹電動汽車在側(cè)面柱撞下電池的碰撞安全性，重點在于電池包構(gòu)型的影響，包括電池尺寸、方向和排布形式的影響。我們首先針對某款電動汽車的電池包進(jìn)行側(cè)面柱撞試驗，建立相應(yīng)的有限元模型仿真?zhèn)让嬷补r，進(jìn)而變化電池尺寸、方向和排布形式等參數(shù)，分析電池包中各結(jié)構(gòu)組件的能量耗散分配及卷芯的變形損傷情況。研究論文在今年的美國汽車工程師學(xué)會年會上進(jìn)行了宣講。

電池包側(cè)面柱撞

臺車試驗、仿真模型

及電池排布構(gòu)型工況

本團(tuán)隊采用圖1所示的臺車碰撞試驗方法和配置，模擬電動汽車電池包在側(cè)面柱撞事故中被圓柱形障礙物碰撞的工況。圖2展示了電池包的碰撞變形情況，變形區(qū)域集中于碰撞接觸區(qū)，主要變形元件為電池包殼體、碰撞接觸區(qū)的電池模組和電池單體?；陔姵匕鼫y繪及其側(cè)面柱撞試驗，我們建立了如圖3所示的電池包仿真模型。通過比對試驗與仿真的變形模式和變形程度，我們認(rèn)為仿真模型具有足夠的可信度。

圖1    電池包側(cè)面柱撞臺車試驗設(shè)置

圖2    電池包結(jié)構(gòu)及電池在側(cè)面柱撞下的變形和破壞

圖3    電動汽車電池包、三維數(shù)字模型

及有限元模型和邊界條件

    本研究設(shè)定和分析了15種不同構(gòu)型的電池包模型，包括電池單體長度方向垂直或平行于電池包長度方向、有模組和無模組、薄電池和厚電池、短電池和長電池、電池包有無縱梁結(jié)構(gòu)等，各模型的編號及示意圖如表1及圖4所示。每種構(gòu)型電池卷芯的總體積和總質(zhì)量基本相同，即他們能攜帶的總電量和能量密度相同，側(cè)面柱撞載荷相同，我們在此條件下比較不同構(gòu)型電池的碰撞變形和損傷。

表1    電池包構(gòu)型

圖4    電池包構(gòu)型圖示，編號與表1對應(yīng)

仿真結(jié)果與分析

電動車碰撞事故引發(fā)的電池內(nèi)短路及熱失控與電池卷芯變形高度相關(guān)，因此，本文采用電池卷芯的變形和塑性能量耗散作為電池安全性評價參數(shù)。表2列出了15種電池包構(gòu)型的主要元件能量耗散比值，每列的數(shù)值分別由基準(zhǔn)模型（構(gòu)型1）的相應(yīng)值進(jìn)行歸一化，比較各模型中相應(yīng)的組成部件相對基準(zhǔn)模型的能量耗散值，大于基準(zhǔn)模型的用紅色表示，低于基準(zhǔn)模型的用藍(lán)色表示。

在側(cè)面柱撞下，15種電池包構(gòu)型的電池卷芯能量耗散存在顯著差異，卷芯能量耗散最小的構(gòu)型為使用較薄的電池單體橫向排布（構(gòu)型5），其卷芯能量耗散為基準(zhǔn)模型的59%，卷芯能量耗散最大的構(gòu)型為最長的刀片電池單體橫向排布（構(gòu)型15），為基準(zhǔn)模型的191%。

15種構(gòu)型的電池包總能量耗散與基準(zhǔn)模型的相近，變化范圍僅為100%～103.6%，這是因為電池包的總能量耗散主要取決于外部載荷的沖擊能量和電池包的基本結(jié)構(gòu)及邊界條件，與電池包內(nèi)部的電池排布形式關(guān)系不大，而改變電池排布形式或電池單體幾何尺寸會顯著改變其內(nèi)部部件之間的交互作用及各部件能量耗散的占比。

表2    不同構(gòu)型的電池包各部件能量耗散比較

（構(gòu)型編號描述見表1）

針對側(cè)面柱撞，所有的電池橫向排布構(gòu)型（構(gòu)型4, 5, 6）都比相應(yīng)的縱向排布（構(gòu)型1, 2, 3）更安全。在電池橫向排布中，側(cè)面柱撞碰撞接觸區(qū)域（即最嚴(yán)重的變形區(qū)域）承受的沖擊可以由多個電池單體分擔(dān)，沖擊沿電池單體的長度方向朝電池包的橫向傳遞，減少了損傷集中發(fā)生于某個電池單體。如果是縱向排布的話，則碰撞接觸區(qū)域可能只有一個電池單體位于最外側(cè)并承受沖擊，變形損傷可能過分發(fā)生于該單體。

電池單體的幾何尺寸對變形分布和卷芯能量耗散占比也有顯著影響。與基準(zhǔn)模型相比，使用較薄的電池單體（構(gòu)型2）降低了11.6% 的電池卷芯能量耗散，使用較厚的電池單體（構(gòu)型3）則增加了9.8%。較薄的電池單體在側(cè)面柱撞下相對安全，這是由于薄電池單體的剛性相對較弱，容易通過其變形與相鄰的電池發(fā)生作用，進(jìn)而將沖擊能量分散到更廣的區(qū)域并由更多的電池承擔(dān)。

電池包如果去除電池模組層級，將電池單體直接集成到電池包（Cell-to-pack），是一種提升電池包能量密度的方法。構(gòu)型10和11去除了模組，使得電池單體（電池卷芯和電池單體殼體）的能量耗散增加，電池包殼體的能量耗散降低，這是因為缺少了作為保護(hù)層的電池模組殼體以后，沖擊能量勢必更多由電池單體來承擔(dān)。

結(jié)論

本文將電池卷芯的能量耗散作為碰撞安全評價參數(shù)，分析了電池包中不同的電池排布形式和不同的電池尺寸對碰撞響應(yīng)的影響，得到以下結(jié)論：

1、電動車在遭受側(cè)面柱撞時，電池?fù)p傷集中于碰撞接觸區(qū)域。15種電池包構(gòu)型的電池卷芯能量耗散存在顯著差異，與基準(zhǔn)模型相比，變化范圍從 59% （變好）到 191%（變差）；而電池包的總能量耗散僅在很小的范圍內(nèi)變化。

2、針對側(cè)面柱撞，采用電池單體橫向排布（即電池單體長度方向垂直于車輛的長度方向）比縱向排布安全；使用小尺寸電池比大尺寸電池安全。這兩種方式都促使沖擊和變形分散到電池包內(nèi)更廣的區(qū)域，使更多的結(jié)構(gòu)和電池參與能量耗散并分散碰撞載荷，從而降低碰撞接觸區(qū)域內(nèi)電池單體的破壞程度。

3、針對側(cè)面柱撞的碰撞安全設(shè)計中，需要平衡電池包級別的整體剛度和強度以及電池單體級別的局部剛度和強度。

參考文獻(xiàn)

    Chen P, Xia Y, Zhou Q. Battery Pack Layout for Electric Vehicle under Side Pole Impact [C]. SAE Technical Paper 2022-01-0265.

論文原文鏈接：

https://www.sae.org/publications/technical-papers/content/2022-01-0265/