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碰撞工况下某电池包挤压力分析
2021-11-01 23:37:03· 来源：电动学堂 作者：袁光亮等
文章来源：1.重庆化工职业学院智能制造与汽车学院2.中国汽车工程研究院股份有限公司引言随着国内新能源汽车的推广，电动汽车的保有量逐年增多，电动车尤其是动力
文章来源：1.重庆化工职业学院智能制造与汽车学院2.中国汽车工程研究院股份有限公司
引言
随着国内新能源汽车的推广，电动汽车的保有量逐年增多，电动车尤其是动力电池的安全问题越发突出。与传统燃油汽车不同，为拥有足够的续航能力，动力电池普遍存在体积大、质量大等问题，严重占用下车体空间，横、纵梁难以布置，且电池包本身在一定程度上充当正碰及侧碰能量的传递路径。而电池包内部的模组在挤压及冲击作用下有爆炸及燃烧的可能性。因此，有必要对电池包的碰撞安全性能进行研究。
近年来，国内外学者针对电池安全问题做了大量研究，大多针对电池包热管理、静强度、振动冲击以及疲劳寿命等问题，对电池包碰撞挤压问题分析较少，尤其是针对电池包安全性能法规中碰撞挤压工况。
本文依据国标中的要求,对电池包进行挤压仿真，并结合侧碰及柱碰，从受力及变形的角度对电池包结构安全进行讨论，为电池包安全性能的设计提供参考。
1电池包有限元建模
由于铝合金密度小，比吸能率高等特点，在电池包的设计中得到广泛应用。本文以某铝合金电池包为研究对象，如图1所示，包括电池包箱体、电池模组、吊耳、紧固螺栓及控制电源等。控制电源等电器件通过质量单元配重在其安装点位置，考虑到单元类型对刚度的影响，电池模组采用六面体单元简化，材料属性为可压缩泡沫。
各部件具体材料及单元类型如表1所示，模型共861876个单元，其中实体单元510516个，最小单元2mm，最小雅克比为0.6，满足计算精度要求。动力电池总成质量为450kg。模组通过螺栓预紧力固定在电池包箱体横梁上，预紧力大小根据测得的预紧力矩转化得到。焊缝采用刚性单元点对点连接。
该模型铝合金及钢材的材料参数均由材料试验所得，电池模组建模方法及材料参数由参考文献所得，兰凤崇等人已对建模方法进行验证，可用于后续进一步研究。
2电池包有限元分析
由于目前纯电动汽车下车体结构布置的原因，多数动力电池吊耳直接通过螺栓与门槛梁连接。在车辆发生侧碰时，如图2所示，框架式电池包与下车体形成一个整体，侧碰力通过门槛梁直接作用在电池包上。而侧碰中，车体通过变形吸收的能量有限，更多的是将力传递到非碰撞侧。因此，本文着重针对电池包侧向碰撞进行讨论。
2.1电池包侧向挤压分析
根据2017年修改稿规定，挤压板为半径75mm的半圆柱体，沿y向对电池包进行挤压。挤压力达到100kN时停止挤压，模型如图3所示。
图4(c)给出了电池包受挤压时的时间-作用力的关系曲线，受力达到100kN、200kN时分别为20.3ms和28.5ms。当挤压板作用力达到100kN时，电池包变形情况如图4(a)所示，模组与箱体刚发生接触，变形主要集中在吊耳上，模组自身变形不大，相对安全，满足法规要求。但当挤压力达到200kN时，如图4(b)所示，电池包箱体框架被完全压扁，严重侵入模组，存在漏液及短路等风险。
2.2侧面碰撞分析
为更好地说明电池包在实际碰撞中所承受的挤压力，本文分别参照C-NACP侧面可变形碰撞及Euro-NCAP侧面刚性柱碰进行仿真分析，并提取电池包驾驶员侧吊耳的截面力。计算模型的沙漏能及质量增长均小于5%，模型结果可靠。
2.2.1可变形侧面碰撞结果
由图5可以看出，发生侧碰时，B柱侵入量最大可达到96mm，但是门槛梁并没有明显侵入，与电池包直接连接的门槛梁下部最大侵入量小于10mm。主要是由于2018版C-NACP侧面碰撞的撞车距地面较高，撞车可变形部位只有很小一部分直接撞击门槛梁，且该模型门槛梁为铝合金型材，不易发生翻转及压溃，抗弯能力强。但不排除国标规定中小撞车对门槛梁及电池包的影响。
2.2.2刚性柱碰结果
纯电动汽车质量较大，普遍比相同的燃油车重300kg左右，因此在柱碰中冲击力更大。从图6可以看出整个分析过程中电池包的变形量，在0～20ms内，门槛梁内侵导致电池包吊耳发生变形。20ms后，电池包框架出现折弯，从而挤压模组。
此后，柱体持续挤压电池包直至75ms车体出现回弹。整个碰撞过程中电池包的最大侵入量约为165mm，电池包框架已严重挤压到电池模组，存在模组漏液等风险。从电池包整体变形分析可以看出，电池包吊耳到门槛梁的间距直接影响电池包挤压开始的时间，在设计中应避免吊耳直接与门槛梁连接。
可以在下车体布置纵梁并对电池包进行连接，既增加了正面碰撞的传递路径又阻断了门槛梁对电池包的直接影响。通过门槛梁的变形吸收更多的能量，从而改善电池包的受力情况。
2.2.3截面力提取及比较
图7给出了侧碰及柱碰的吊耳截面力。侧面可变形碰撞中截面力最大为31.2kN，与门槛梁侵入量较小相符，对电池包挤压的影响较小。刚性柱碰中电池包吊耳在37ms左右达到最大承载力182kN，此时电池包最大侵入量为75mm，挤压较为严重，存在安全风险。
柱碰中电池包的最大承受力大于国标规定的100kN，且如今多数电动汽车并不参加C-NCAP等碰撞测试，仅通过国家强制性法规，其侧面抵抗变形的能力有待商榷。因此，即使满足国标（修改稿）中电池包挤压试验的要求，在其他碰撞事故中仍然存在挤压力过大而导致漏液、短路以及爆炸等风险，对人身及财产安全存在隐患。
图4(b)中可以看出200kN时模组明显受到挤压，同时在参考文献中，通过试验得出发生起火或爆炸的挤压力范围在210kN以上。因此，法规中规定的限制无法保证较多的电池包碰撞安全问题。
3结论
通过电池包的精细建模方法建立了某车型铝合金电池包模型。根据可变形侧面碰碰撞及刚性柱碰的分析结果，讨论了电池包的受力及变形情况。通过分析结果可以看出，纯电动汽车在使用或试验中电池包的受力存在大于100kN的可能性。
在满足挤压试验法规后，碰撞试验中仍存在安全风险。因此，在设计中，除了考虑法规中电池包挤压力限值外，还需额外增强门槛梁强度，避免侧碰力直接传递至电池包上，通过电池包与门槛梁的间距获得吸能空间。
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