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純電動(dòng)汽車(chē)托底工況與動(dòng)力電池防護(hù)

2019-06-02 21:32:37·  來(lái)源：模態(tài)空間  作者：王朋波  
　
1、概述托底工況指的是汽車(chē)底盤(pán)在行駛中碰到地面或者地面突出物。汽車(chē)過(guò)減速帶、撞擊路沿、上坡頂、走坑洼路以及壓過(guò)路面上的石頭或磚塊，都可能發(fā)生托底。車(chē)輪
1、概述
托底工況指的是汽車(chē)底盤(pán)在行駛中碰到地面或者地面突出物。汽車(chē)過(guò)減速帶、撞擊路沿、上坡頂、走坑洼路以及壓過(guò)路面上的石頭或磚塊，都可能發(fā)生托底。車(chē)輪帶起石子擊打車(chē)底的情況也可歸屬到托底工況。
 
對(duì)于傳統(tǒng)燃油車(chē)，托底的危害主要是油底殼變形、排氣管變形、懸架部件變形和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損傷，通常不會(huì)對(duì)乘員造成人身傷害。所以傳統(tǒng)燃油車(chē)的碰撞安全性能開(kāi)發(fā)中一般不考慮托底工況，最多是將托底作為氣囊標(biāo)定的誤作用工況來(lái)研究。
圖1 蔚來(lái)ES8底盤(pán)受撞數(shù)日后電池包自燃
 
但對(duì)于在地板下布置動(dòng)力電池的純電動(dòng)汽車(chē)，托底的后果要嚴(yán)重的多。動(dòng)力電池底面不受車(chē)身結(jié)構(gòu)的保護(hù)，而且面積大，更容易受到剮蹭和撞擊。托底工況易造成電池?fù)p傷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)起火爆炸。而且托底造成的損傷在電池底部，不易察覺(jué)，具有隱蔽性。有些托底事故雖然當(dāng)時(shí)未發(fā)生短路起火，車(chē)輛還能繼續(xù)行駛，但電池包已經(jīng)嚴(yán)重變形。如果用戶未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，電池芯體和高壓器件持續(xù)處于擠壓狀態(tài)，電池包可能在一段時(shí)間后發(fā)生自燃。

2、托底工況的試驗(yàn)?zāi)M
托底對(duì)動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)的破壞主要有兩種模式。一種是刮底模式，即動(dòng)力電池的前端和底部受到前后方向的剮蹭，載荷以水平方向?yàn)橹?，也有一些垂向成分。通常?huì)造成電池前邊框和電池底殼前半部變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)㈦姵貧んw從前到后劃開(kāi)。
 
另一種是撞底模式，即動(dòng)力電池底面受到向上的擠壓或撞擊。載荷以垂直方向?yàn)橹?，可使?chē)輪一輪或多輪離地。通常會(huì)造成電池底殼垂向變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將電池底殼頂穿后進(jìn)而刺破內(nèi)部芯體。
 
針對(duì)以上兩種電池破壞模式，可以用兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況來(lái)模擬托底。
 
第一種是整車(chē)刮底工況：
 
地面固定一楔形剛性塊，如圖2。楔形塊斜面為45度，高度設(shè)置為與電池殼體在Z向有35mm左右的重疊量。
整車(chē)以每小時(shí)10公里的速度駛過(guò)楔形塊。
共進(jìn)行三次刮底試驗(yàn)，楔形塊分別對(duì)應(yīng)電池包的左側(cè)、右側(cè)和中心線。

圖2 刮底工況用的楔形塊

第二種是車(chē)底球擊工況：
 
車(chē)輛按滿載狀態(tài)靜止于地面。用直徑75mm的剛性圓球，從車(chē)底沿Z向頂起動(dòng)力電池底面，如圖3。
采用準(zhǔn)靜態(tài)加載，載荷從0逐漸增加至整車(chē)滿載質(zhì)量的一半。
剛性圓球加載點(diǎn)選擇電池底部最薄弱或者最危險(xiǎn)的數(shù)個(gè)位置，逐個(gè)進(jìn)行考察。
圖3 底部球擊工況
托底是可能多次發(fā)生的情況，所以我們將整車(chē)刮底和車(chē)底球擊定義為整車(chē)耐久工況而不是整車(chē)安全工況。對(duì)于整車(chē)安全工況，要求電芯不受撞擊和擠壓以避免起火爆炸，但并不要求動(dòng)力電池還能繼續(xù)使用，動(dòng)力電池允許損壞甚至報(bào)廢。對(duì)于整車(chē)耐久工況，則要求這種工況發(fā)生多次后動(dòng)力電池都能保證功能正常，且無(wú)安全隱患。
 
基于以上考慮，可以將整車(chē)刮底和車(chē)底球擊工況的考察指標(biāo)設(shè)定如下：
  1. 加載后電池包殼體結(jié)構(gòu)不破碎、無(wú)可見(jiàn)裂紋。
  2. 電池包殼體無(wú)明顯變形（建議加載過(guò)程中殼體最大侵入量小于4mm，加載后殼體永久變形量小于1mm）。
  3. 內(nèi)部冷卻系統(tǒng)和管線、插接件和芯體等無(wú)損傷。
  4. 動(dòng)力電池功能正常，可繼續(xù)使用。
要達(dá)到以上指標(biāo)，電池包下殼體要非常強(qiáng)壯，通常只有厚度足夠且設(shè)計(jì)有大量加強(qiáng)筋的鑄造殼體才能達(dá)標(biāo)。對(duì)于擠壓鋁、鋼板或者鋁板材質(zhì)的下殼體，在大載荷下容易發(fā)生較大變形，要通過(guò)整車(chē)刮底和車(chē)底球擊工況考察，需考慮增加電池包防護(hù)梁和電池包底護(hù)板。

3、電池包防護(hù)梁設(shè)計(jì)
整車(chē)刮底工況導(dǎo)致的電池包損傷主要集中在電池包前部區(qū)域，在動(dòng)力電池包前布置一道防護(hù)梁能夠有效保護(hù)電池。
目前已經(jīng)有多款量產(chǎn)車(chē)型應(yīng)用了電池包防護(hù)梁，如圖4。防護(hù)梁有圓管截面、矩形截面、三角形截面和平板型等多種形式。其中圓管型梁工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，剛強(qiáng)度好，應(yīng)當(dāng)是電池包防護(hù)梁的首選。
圖4 各種電池包防護(hù)梁
防護(hù)梁的安裝布置要注意以下三點(diǎn)：
  1. 防護(hù)梁應(yīng)裝在車(chē)身上，不要直接裝在電池包上，以避免防護(hù)梁將載荷傳遞到電池包。
  2. 防護(hù)梁最下緣應(yīng)比電池包底面至少低10mm，保證防護(hù)梁先于電池包與地面突起物接觸。
  3. 防護(hù)梁距離電池包前端的X向距離應(yīng)控制在100-150mm左右。如果距離太遠(yuǎn)，影響防護(hù)效果；如果距離太近，防護(hù)梁受力變形后有可能撞擊到電池包。
電池防護(hù)梁的防護(hù)功能實(shí)際有三種：
  1. 對(duì)于類(lèi)似圖2的楔形固定物，車(chē)輛向前行駛，防護(hù)梁刮過(guò)楔形物，如圖5。防護(hù)梁能夠保護(hù)電池前端不受直接撞擊，僅電池底面的中后部會(huì)受到楔形物刮蹭。此種情況最大的風(fēng)險(xiǎn)是電池包底面刮蹭破壞。
  3. 圖5 電池包防護(hù)梁刮過(guò)楔形塊
  4. 對(duì)于石塊磚塊等地面異物，車(chē)輛向前行駛時(shí)，防護(hù)梁將異物撞飛或者擊碎，避免電池包前端與突起物撞擊。此種工況下最大的風(fēng)險(xiǎn)是飛濺的異物碎片擊壞電池包下殼體。
  5. 對(duì)于柱狀地面障礙物，車(chē)輛向前行駛，防護(hù)梁被障礙物阻擋，如圖6。車(chē)輛無(wú)法繼續(xù)前進(jìn)，電池包不會(huì)與障礙物接觸。此種情況最大的風(fēng)險(xiǎn)是防護(hù)梁變形過(guò)大撞擊電池包前端。
圖6 電池包防護(hù)梁被障礙物阻擋
本文所介紹的整車(chē)刮底工況實(shí)際只考察了第一種防護(hù)功能，如果只考慮整車(chē)刮底工況，較細(xì)的電池防護(hù)梁即可滿足。但要實(shí)現(xiàn)第二種和第三種防護(hù)功能，則要求電池防護(hù)梁足夠強(qiáng)壯。所以在空間和重量允許的情況下，我們應(yīng)盡量將電池防護(hù)梁截面做大，厚度適當(dāng)增加，與車(chē)身的連接點(diǎn)也盡量增多，建議采用4處連接點(diǎn)。

4、電池包底護(hù)板設(shè)計(jì)
 
整車(chē)刮底和車(chē)底球擊工況下，電池底面都有可能受力損壞，增加底護(hù)板是相當(dāng)有效的防護(hù)手段。
電池包底護(hù)板應(yīng)滿足以下指標(biāo)要求：
 
給動(dòng)力電池足夠防護(hù)，使電池包通過(guò)車(chē)底球擊工況考察。
與電池包防護(hù)梁配合，使電池包通過(guò)整車(chē)刮底工況考察。
 整車(chē)刮底和車(chē)底球擊工況下，電池包護(hù)板不破碎，不出現(xiàn)可見(jiàn)裂紋，但允許有可見(jiàn)變形。
底護(hù)板安裝后的約束模態(tài)頻率大于30Hz。
上海市強(qiáng)制性地方標(biāo)準(zhǔn)BD31T634-2012規(guī)定的整車(chē)涉水工況下，底護(hù)板不破裂不脫落。

底護(hù)板可考慮采用2mm左右厚度的鋁板或者1.2mm左右厚度的鋼板，需要涂裝防石擊涂層。也可采用非金屬材料，例如改性塑料和玻纖復(fù)合材料等，料厚通常需要在3mm以上。
 
底護(hù)板應(yīng)采用螺栓與電池包連接，不能使用膠粘連接。這是因?yàn)槁萁拥牡鬃o(hù)板可歸屬車(chē)身，其重量不會(huì)影響電池包能量密度測(cè)算。如果底護(hù)板與電池包粘接，底護(hù)板的重量只能歸屬到電池包，將會(huì)降低電池包能量密度值，影響補(bǔ)貼金額。
 
為保證防護(hù)效果和模態(tài)頻率達(dá)標(biāo)，底護(hù)板需要設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)筋。底護(hù)板兩側(cè)和前后都應(yīng)有固定點(diǎn)，中部還應(yīng)有多個(gè)固定點(diǎn)與電池底殼相連接，如圖7所示。底護(hù)板中間連接點(diǎn)的數(shù)目不應(yīng)低于4個(gè)，且應(yīng)分布均勻，避免出現(xiàn)局部受力集中點(diǎn)。
圖7 一種底護(hù)板方案
為保證在涉水工況下不發(fā)生破壞，底護(hù)板應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)泄水孔。底護(hù)板螺栓安裝點(diǎn)處必須有足夠的壓緊面，即在每個(gè)安裝點(diǎn)處，護(hù)板與電池包壓緊配合面的直徑不小于20mm，否則在涉水時(shí)安裝點(diǎn)處極有可能發(fā)生撕裂。
 
5、小結(jié)
對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)，托底工況容易造成動(dòng)力電池包損壞，可能引發(fā)嚴(yán)重事故。托底工況包含刮底和撞底兩種載荷模式，可采用整車(chē)刮底和車(chē)底球擊兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況來(lái)分別模擬。
 
當(dāng)前大多數(shù)動(dòng)力電池殼體很難直接通過(guò)整車(chē)刮底和車(chē)底球擊工況考察。電池包防護(hù)梁和電池包底護(hù)板是有效的加強(qiáng)方案?？擅黠@緩解托底造成的電池?fù)p壞。
 
電池包防護(hù)梁應(yīng)設(shè)計(jì)得盡量粗壯，應(yīng)裝在車(chē)身上而不是電池包殼體上。其最下緣應(yīng)比電池包底面至少低10mm，距離電池包前端的X向距離應(yīng)控制在100-150mm左右。
 
電池包底護(hù)板要有足夠的厚度，需要設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)筋，中部還應(yīng)有多個(gè)固定點(diǎn)與電池底殼相連接。其約束模態(tài)應(yīng)大于30Hz,還須保證在涉水工況下的強(qiáng)度。
 
作者簡(jiǎn)介
王朋波，清華大學(xué)力學(xué)博士，汽車(chē)結(jié)構(gòu)CAE分析專(zhuān)家。重慶市科協(xié)成員、《計(jì)算機(jī)輔助工程》期刊審稿人、交通運(yùn)輸部項(xiàng)目評(píng)審專(zhuān)家。專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域?yàn)檎?chē)疲勞耐久/NVH/碰撞安全性能開(kāi)發(fā)與仿真計(jì)算，車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化，CAE分析流程自動(dòng)化等。王朋波私人微信：poplewang。 
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