隨著新能源汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度越來(lái)越高，新能源汽車碰撞后的安全問(wèn)題一直是各大主機(jī)廠和電池企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。如何精準(zhǔn)識(shí)別整車碰撞后動(dòng)力電池系統(tǒng)的危害并在研發(fā)期間提高整車安全性已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)亟需解決的難題。

基于上述行業(yè)現(xiàn)狀，中汽中心工程院安全開(kāi)發(fā)部新能源安全團(tuán)隊(duì)研發(fā)出了基于碰撞場(chǎng)景的動(dòng)力電池機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)。該平臺(tái)基于團(tuán)隊(duì)對(duì)動(dòng)力電池?zé)崾Э丶盁釘U(kuò)散特性的深入研究，并依托部門豐富的整車結(jié)構(gòu)安全性開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了以動(dòng)力電池力學(xué)模型為基礎(chǔ)的機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)耦合仿真模型，實(shí)現(xiàn)了基于一個(gè)模型能夠多角度分析動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性的目標(biāo)。

基于該技術(shù)可將新能源整車機(jī)械安全性與動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性進(jìn)行聯(lián)合開(kāi)發(fā)，能夠從整車角度準(zhǔn)確判斷特定碰撞工況下電池系統(tǒng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行針對(duì)性安全優(yōu)化，避免過(guò)保護(hù)，提升安全性的同時(shí)兼顧整體輕量化，從而降低成本。以下是動(dòng)力電池系統(tǒng)多物理場(chǎng)耦合仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)流程：

圖1 基于碰撞場(chǎng)景的動(dòng)力電池系統(tǒng)機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)模型開(kāi)發(fā)流程

整個(gè)技術(shù)以動(dòng)力電池機(jī)械模型為切入點(diǎn)，通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊、靜態(tài)擠壓實(shí)驗(yàn)，確定安全邊界，同時(shí)標(biāo)定相應(yīng)材料特性，構(gòu)建精準(zhǔn)力學(xué)模型；基于電池?zé)崾Э貦C(jī)理構(gòu)建電池?zé)崾Э啬Ｐ?，并確保模型的最高溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差在10%以內(nèi)；通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行HPPC測(cè)試，標(biāo)定等效電路模型相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建電池充放電模型。將力學(xué)模型、熱失控模型、充放電模型進(jìn)行耦合，得到動(dòng)力電池多物理場(chǎng)耦合仿真模型?；谠撃Ｐ?，可以分析動(dòng)力電池的受力特性、溫度變化、電壓變化等，以下是動(dòng)力電池多物理場(chǎng)耦合模型的仿真結(jié)果：

（a）力學(xué)仿真結(jié)果 （b）溫度仿真結(jié)果

（c）SOC仿真結(jié)果 （d）仿真結(jié)果對(duì)標(biāo)

圖2 動(dòng)力電池機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)耦合仿真結(jié)果

基于動(dòng)力電池多物理場(chǎng)耦合仿真模型，可進(jìn)一步擴(kuò)展到系統(tǒng)級(jí)別，分析整個(gè)電池包受到碰撞后電壓變化以及熱擴(kuò)散特性，同時(shí)也可以為預(yù)警算法的開(kāi)發(fā)提供合理的判定條件。此外，通過(guò)提取整車碰撞工況的邊界條件作為輸入?yún)?shù)，賦予電池包多物理場(chǎng)耦合模型，實(shí)現(xiàn)了新能源整車的安全性與動(dòng)力電池系統(tǒng)安全性的融合，可基于特定工況同時(shí)分析整車安全性和動(dòng)力電池系統(tǒng)的機(jī)械安全性、熱安全性和電安全性，進(jìn)而能夠從電池包到整車進(jìn)行多角度安全優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)流程的統(tǒng)一性，優(yōu)化了整個(gè)設(shè)計(jì)流程，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率。以下是特定工況下的動(dòng)力電池系統(tǒng)多場(chǎng)耦合模型仿真結(jié)果：

（a）溫度仿真結(jié)果 （b）SOC仿真結(jié)果

圖3  基于柱碰的動(dòng)力電池系統(tǒng)機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)耦合仿真結(jié)果

（a）溫度仿真結(jié)果 （b）圖(a)局部放大

圖4  基于整車柱碰的動(dòng)力電池系統(tǒng)機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)耦合仿真結(jié)果

（a）力學(xué)仿真結(jié)果

（b）溫度仿真結(jié)果 （c）SOC仿真結(jié)果

圖5  基于臺(tái)車托底的動(dòng)力電池系統(tǒng)機(jī)-電-熱多物理場(chǎng)耦合仿真結(jié)果