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電池模組動(dòng)態(tài)沖擊介紹

2020-08-08 00:43:13·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
引言新能源汽車的推廣被視為我國邁向汽車強(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)彎道超車的希望。因此近年來，從中央到地方各級(jí)政府推出一系列政策引導(dǎo)新能源汽車的健康快速發(fā)展。
引言
 
新能源汽車的推廣被視為我國邁向汽車強(qiáng)國，實(shí)現(xiàn)汽車工業(yè)彎道超車的希望。因此近年來，從中央到地方各級(jí)政府推出一系列政策引導(dǎo)新能源汽車的健康快速發(fā)展。
 
2019年，中國新能源汽車銷量超過120萬輛；隨著能源和環(huán)保的壓力增大，新能源汽車正在成為汽車的發(fā)展重要方向之一。
圖1:2014~2019歷年新能源車銷量

電池系統(tǒng)作為純電動(dòng)及混合動(dòng)汽車的重要?jiǎng)恿碓?，能量密度和功率較高，其可靠性及安全性直接決定整車的安全。目前，全球主要國家及地區(qū)都對(duì)電動(dòng)/混動(dòng)汽車碰撞安全以及動(dòng)力電池有相應(yīng)的法規(guī)要求，見表1。

表1 全球主要地區(qū)電動(dòng)車碰撞安全&動(dòng)力電池法規(guī)

相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明[1]，2010到2019年發(fā)生的電動(dòng)汽車燃燒事故中，由于車輛碰撞導(dǎo)致電池包燃燒起火的事故占16%，主要原因有以下幾點(diǎn)：①正面或者追尾碰撞導(dǎo)致電池包X向發(fā)生變形；②側(cè)面碰撞導(dǎo)致電池包Y向變形；③車輛托底引發(fā)的電池包Z向變形。因此，有效地評(píng)估電池碰撞的力學(xué)和電學(xué)特性對(duì)避免新能源汽車發(fā)生嚴(yán)重安全事故意義重大。

圖2新能源安全事故分類

本文針對(duì)一種電池模組在典型碰撞工況下力-位移-電行為進(jìn)行研究，采用圓弧沖頭對(duì)電池模組的三個(gè)方向進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，模擬整車高速碰撞中電池系統(tǒng)受到的撞擊的工況，對(duì)電池的力學(xué)和安全性能進(jìn)行了評(píng)估，確定電池受碰撞沖擊載荷的極限，進(jìn)而指導(dǎo)整車開發(fā)設(shè)計(jì)。

1  電池模組試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)材料

本文試驗(yàn)用電池模組含有八塊電池單體，（見圖3）。

圖3 電池模組

定義電池模組方向與整車X、Y、Z方向?qū)?yīng)（見圖4），通過X向和Y向的沖擊試驗(yàn)?zāi)M電池模組在整車碰撞過程中的受力工況，Z向的試驗(yàn)則對(duì)應(yīng)整車碰撞中地板等結(jié)構(gòu)變形擠壓電池模組上蓋的情況。

圖4 電池模組方向定義

1.2試驗(yàn)測(cè)試方法

試驗(yàn)在落錘試驗(yàn)機(jī)上完成，如圖5所示。三個(gè)方向試驗(yàn)中的電池模組均靠其自身的安裝螺栓固定，以盡可能反映其在實(shí)車中的安裝方式。

該試驗(yàn)中載荷傳感器安裝在電池模組的支撐平板下面。通過測(cè)量貼于傳感器側(cè)壁的應(yīng)變片的電壓變化，獲取試驗(yàn)中電池模組所受的載荷。通過超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀高速采集卡采集載荷傳感器的電壓信號(hào)及電池模組電壓。使用非接觸測(cè)量技術(shù)測(cè)量沖擊頭的位移（即電池模組的侵入量）和沖擊速度[2]。

圖5 落錘試驗(yàn)機(jī)

2  電池模組動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)

2.1 物理現(xiàn)象及特點(diǎn)分析

基于落錘試驗(yàn)臺(tái)，完成了X、Y和Z方向的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)后的電池模組如圖6所示。三個(gè)方向試驗(yàn)后的電池模組在試驗(yàn)后均發(fā)生持續(xù)冒煙，但未產(chǎn)生起火。X方向動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)后，電池模組頂部鋁合金框架發(fā)生變形和斷裂，離錘頭最近的1#單體和2#單體受沖擊破壞嚴(yán)重，內(nèi)部電芯被擠出。其余單體均有不同程度的變形損傷，見圖6a。電池模組Y向沖擊造成模組的鋁合金框架、電路板、底部塑料板和4#和5#電池單體變形嚴(yán)重，電池單體鋁殼被破壞，電芯外漏，見圖6b。Z方向沖擊試驗(yàn)后模組被劈開，鋁制框架和塑料底部發(fā)生破壞，電路板折斷，4#和5#電池單體擠壓變形嚴(yán)重,電極連接片脫落，見圖6c。

 圖6 電池模組動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)后照片

2.2 動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖7展示了電池模組三個(gè)方向沖擊載荷作用下的載荷、侵入位移和總電壓隨時(shí)間變化曲線。X方向載荷呈現(xiàn)雙峰形狀，當(dāng)模組承受載荷達(dá)到第一峰時(shí)，出現(xiàn)內(nèi)部短路，總電壓從10V持續(xù)下降到7.5V。其原因是1# 電池組的破壞導(dǎo)致電壓下降到0V。載荷達(dá)到第一峰后，外層鋁制框架破壞，載荷下降，錘頭進(jìn)一步擠壓模組，各電池單體為主要承載部件，載荷曲線上升第二峰值，1#和2#單體電芯被擠出鋁殼后，載荷曲線開始下降至0。

Y向和Z向載荷在經(jīng)歷了上升的階段后均達(dá)到75kN左右水平的載荷平臺(tái)，錘頭持續(xù)擠壓4#和5#電池單體的Y向和Z向。電壓曲線的變化表明兩種工況下均較早地發(fā)生了內(nèi)短路，這可能是由于Y和Z向的沖擊試驗(yàn)過程中，更容易對(duì)電池模組內(nèi)部的電路板造成破壞，造成內(nèi)部提前短路。

使用單體電壓下降時(shí)刻的侵入位移和沖擊載荷兩個(gè)參數(shù)指標(biāo)作為損傷容限來評(píng)價(jià)電池模組的安全性能，相比Y和Z方向，X方向的承載能力和抗侵入能力更強(qiáng)；Y方向的抗侵入能力最??；Z方向的承載能力最弱。

圖7 電池模組落錘試驗(yàn)結(jié)果

3  結(jié)束語

研究結(jié)果表明：電池模組在動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)過程中出現(xiàn)內(nèi)短路和熱失控現(xiàn)象，試驗(yàn)的模組外層鋁制框架破壞，單體外殼破壞，電芯外漏。電池模組的承載能力和損傷容限表現(xiàn)出明顯的方向特性。高速工況下，X方向的承載能力最強(qiáng)，Y方向抗侵入能力最弱，而Z方向的承載能力最小。

在新能源汽車電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)中，需要考慮電池模組在高速工況下的特性，同時(shí)綜合考慮和利用電池單體不同方向的承載能力和損傷容限，以求達(dá)到最佳的輕量化和碰撞安全設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn) ：
[1] 動(dòng)力電池BMS測(cè)試評(píng)價(jià)與標(biāo)準(zhǔn)體系.2019.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司
[2] 汪凱夏勇顧功堯王元博周青.用于車身材料力學(xué)試驗(yàn)的非接觸測(cè)量系統(tǒng)開發(fā).[J]. 汽車工程, Vol. 30,No.11, 1006-1008, 2008.
 
 
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