摘要

文章結(jié)合國(guó)內(nèi)外汽車(chē)法規(guī)及新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程，研究了不同碰撞工況對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的損傷影響。研究發(fā)現(xiàn)，在側(cè)面斜柱碰工況下，電池模組容易受到擠壓，動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生短路、漏液及起火的風(fēng)險(xiǎn)較大; 同時(shí)，通過(guò)對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)在斜柱碰工況下電安全防護(hù)設(shè)計(jì)的研究，提出一種基于電池模組損傷容限的動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法，該方法有利于車(chē)輛的輕量化開(kāi)發(fā)，可降低電動(dòng)汽車(chē)能耗及整車(chē)物料成本。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池、損傷容限、碰撞安全設(shè)計(jì)方法、輕量化、電動(dòng)汽車(chē)

作者：胡海濤、郭鳳駿
單位：上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心

近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)迅猛發(fā)展，由此帶來(lái)的安全事故逐年遞增，嚴(yán)重威脅著社會(huì)公眾的人身財(cái)產(chǎn)安全。2019 年，中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心研究發(fā)現(xiàn)，在電動(dòng)汽車(chē)起火事故中，碰撞事故占比為16%，因此，碰撞工況中電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的力學(xué)特性及其防護(hù)設(shè)計(jì)研究引起越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

Wang H 等［1］采用漸進(jìn)式壓痕試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了鋰離子電池的機(jī)械變形過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電池電芯短路與電芯厚度的變化有關(guān); Jiang X 等［2］對(duì)電池主要組分材料進(jìn)行了應(yīng)變率相關(guān)力學(xué)行為表征，為電池模組的精細(xì)化建模提供支持; 康華平等［3］對(duì)鋰離子動(dòng)力電池模組進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)電池模組的耐撞性能具有方向性，并與電池模組的電量有關(guān); 趙紅偉等［4］利用變密度拓?fù)浞椒▽?duì)某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池倉(cāng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)更加合理、應(yīng)力分布更加均勻; 雷正保等［5］研究了正面及追尾碰撞工況下電動(dòng)汽車(chē)的耐撞性響應(yīng)，并采用動(dòng)態(tài)拓?fù)浞椒▽?duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，進(jìn)而使得白車(chē)身結(jié)構(gòu)材料分布合理、承力布局清晰; 謝倫杰［6］結(jié)合電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)特性和正面耐撞性特點(diǎn)，對(duì)車(chē)身進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，使得車(chē)體具有更好的靜態(tài)剛度和正面耐撞性能; 李仲奎等［7］利用試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法優(yōu)化了某電動(dòng)汽車(chē)B 柱結(jié)構(gòu)，從而提高了該電動(dòng)汽車(chē)的側(cè)碰安全性; 李寧寧等［8］將軟包動(dòng)力電池的擠壓短路失效應(yīng)用到電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，并利用拓?fù)鋬?yōu)化及正交試驗(yàn)方法進(jìn)行了優(yōu)化，降低了軟包電池失效的風(fēng)險(xiǎn)。

雖然目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車(chē)耐撞性均做了大量研究，但電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池材料及結(jié)構(gòu)形式正在快速發(fā)展和演變，材料方面有磷酸鐵鋰、三元鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰和石墨烯等，結(jié)構(gòu)形式方面有電芯－ 模組－ 電池包結(jié)構(gòu)、電芯－ 電池包( CTP) 結(jié)構(gòu)等，不同材料、不同結(jié)構(gòu)的動(dòng)力電池的力學(xué)性能表現(xiàn)也不同。鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行研究并形成切實(shí)可行的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)的方法，用以指導(dǎo)快速迭代的電動(dòng)汽車(chē)碰撞工況下的動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，大多數(shù)國(guó)內(nèi)整車(chē)企業(yè)在進(jìn)行車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，仍將動(dòng)力電池作為剛體或者質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，給出的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)往往是電池模組不能受力，這種嚴(yán)格的設(shè)計(jì)要求導(dǎo)致車(chē)身結(jié)構(gòu)存在過(guò)設(shè)計(jì)的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外法規(guī)及新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程，對(duì)某款電動(dòng)汽車(chē)在不同碰撞工況下的耐撞性進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)針對(duì)惡劣工況下的電動(dòng)汽車(chē)電安全防護(hù)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化，使得車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理。

1  電動(dòng)汽車(chē)碰撞工況概述

目前，世界上主要國(guó)家或地區(qū)對(duì)車(chē)輛( 包括電動(dòng)汽車(chē)) 的上市均有明確的碰撞法規(guī)要求。表1列舉了部分具有代表性的國(guó)家的強(qiáng)制性法規(guī)碰撞工況。

為進(jìn)一步提高車(chē)輛的碰撞安全性能，部分國(guó)家及地區(qū)制定了比法規(guī)更加嚴(yán)格的新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程( NCAP) 及保險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)體系，表2 列舉了主要國(guó)家及地區(qū)的NCAP 及保險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)體系中的碰撞工況。

為規(guī)范電動(dòng)汽車(chē)碰撞后的安全評(píng)價(jià)，美國(guó)、歐盟及中國(guó)先后制定法規(guī)，明確了碰撞后電動(dòng)汽車(chē)電安全相關(guān)的性能要求，具體內(nèi)容見(jiàn)FMVSS 305( 美國(guó)) ，ECE Ｒ94、ECE Ｒ95、ECE Ｒ135 等( 歐洲)及GB /T 31498 － 2015 ( 中國(guó)) 。本文研究動(dòng)力電池的安全防護(hù)設(shè)計(jì)，對(duì)于高壓線(xiàn)路及絕緣等不做考察，動(dòng)力電池相關(guān)性能要求如表3 所示。通過(guò)對(duì)比可以看出，各個(gè)法規(guī)重點(diǎn)關(guān)注的是動(dòng)力電池電解液是否泄漏、短路及保持在原位置，本文的分析將參考這幾個(gè)方面考察典型碰撞工況中動(dòng)力電池的特點(diǎn)。



2  不同碰撞工況下動(dòng)力電池特點(diǎn)

從表1 和表2 可以看出，對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)損傷較大的典型工況有56 km/h 正面剛性墻( FFB) 、64 km/h 40% 重疊可變形壁障( ODB) 、64 km/h25%重疊剛性壁障( SOB) 、50 km/h 50%兩車(chē)對(duì)撞( MPDB) 、60 km/h 1 400 kg 可變形移動(dòng)壁障( EuronCAP AEMDB) 以及32 km/h 75 ° 側(cè)面剛性柱( SP) 等6 個(gè)工況。



本文利用有限元方法對(duì)某電動(dòng)車(chē)型的6 個(gè)典型的高速工況進(jìn)行仿真分析，考慮動(dòng)力電池防護(hù)的要求，SP 工況考察了包括規(guī)程要求的假人頭部質(zhì)心在內(nèi)整個(gè)動(dòng)力電池所覆蓋的范圍，變形情況如圖1 所示?？梢钥闯?，在FFB 工況( 圖1( a) ) 、ODB 工況( 圖1( b) ) 及MPDB 工況( 圖1( d) ) 中，動(dòng)力電池框架未受擠壓。這主要是因?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)與壁障重疊較高，防撞橫梁及前縱梁參與變形吸能; 此外，前艙中未布置發(fā)動(dòng)機(jī)，可變形區(qū)域較大。




在SOB 工況( 圖1( c) ) 中，電池模組雖未受到擠壓，但由于車(chē)輛與壁障的重疊率較低，車(chē)身參與吸能的結(jié)構(gòu)較少，導(dǎo)致車(chē)身吸能較少。因車(chē)輪受到較大擠壓，在撞擊過(guò)程中與動(dòng)力電池間隙較小，使得動(dòng)力電池受擠壓風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，SOB 是電動(dòng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的工況。在A(yíng)EMDB工況( 圖1( e) ) 中，由于車(chē)輛的動(dòng)能在碰撞中主要被前端的蜂窩鋁及B 柱、車(chē)門(mén)等結(jié)構(gòu)吸收，門(mén)檻變形量較小，因此動(dòng)力電池沒(méi)有被擠壓的風(fēng)險(xiǎn)。在SP 工況( 圖1( f) ) 中，動(dòng)力電池框架明顯受到擠壓。這是由于車(chē)輛的動(dòng)能需完全被自身結(jié)構(gòu)所吸收，而側(cè)圍與動(dòng)力電池之間可變形空間較小，當(dāng)空間完全被壓縮，能量還未完全耗散時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致周?chē)Y(jié)構(gòu)擠壓動(dòng)力電池。

此外，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剛性柱沿著車(chē)輛縱向移動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池受擠壓程度不同，這不僅與車(chē)輛質(zhì)心和剛性柱中心線(xiàn)同碰撞速度方向所確定平面的距離有關(guān)，與撞擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有較大關(guān)系。

綜上所述，在當(dāng)前法規(guī)及新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程規(guī)定的碰撞工況中，SP 工況中動(dòng)力電池受到的損傷最為嚴(yán)重，在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的防護(hù)設(shè)計(jì)中，需重點(diǎn)關(guān)注。值得注意的是，在所有工況中動(dòng)力電池均保持在安裝位置。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)力電池吊掛點(diǎn)分布合理，吊掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)及周?chē)?chē)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足剛度要求，動(dòng)力電池在法規(guī)及新車(chē)評(píng)價(jià)體系的碰撞工況中不會(huì)移位。因此，后續(xù)對(duì)動(dòng)力電池保持在原位置的要求不再進(jìn)一步討論。

3  電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全設(shè)計(jì)方法

由于在側(cè)面柱碰工況下，動(dòng)力電池受到的侵入最為惡劣，電池起火風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，本文以此工況為例，提出一種新的設(shè)計(jì)方法對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池進(jìn)行碰撞防護(hù)設(shè)計(jì)，作為對(duì)比，同時(shí)利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法對(duì)同一電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1  設(shè)計(jì)方法概述

由于對(duì)動(dòng)力電池模組的力學(xué)性能與電化學(xué)性能之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)不夠深入，目前多數(shù)整車(chē)企業(yè)設(shè)定電池模組不能被擠壓，并基于此進(jìn)行動(dòng)力電池的防護(hù)設(shè)計(jì)，具體流程如圖2 所示。這種方法（方法1) 對(duì)車(chē)身耐撞性要求過(guò)于嚴(yán)苛，一般會(huì)產(chǎn)生過(guò)設(shè)計(jì)，導(dǎo)致車(chē)身重量增加，加大能耗，降低續(xù)航里程。



為滿(mǎn)足動(dòng)力電池安全防護(hù)的要求，同時(shí)滿(mǎn)足降低整車(chē)質(zhì)量的要求，本文提出一種基于電池模組損傷容限進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)的方法( 方法2) ，具體流程如圖3 所示。


圖3 基于電池模組損傷容限的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法流程圖

可以看出方法2 中有兩個(gè)因素對(duì)動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)的影響較大:

( 1) 動(dòng)力電池防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的確立需要通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，本文中設(shè)計(jì)案例涉及的動(dòng)力電池防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)參考文獻(xiàn)［3］，其試驗(yàn)邊界條件即是通過(guò)方法2 中的流程獲取的。通過(guò)試驗(yàn)分析得出電池模組內(nèi)短路時(shí)電池單體的損傷容限，如表4 所示?？紤]到整車(chē)電安全的穩(wěn)健性，需引入安全系數(shù)α 對(duì)電池模組的損傷容限進(jìn)行加權(quán)，計(jì)算公式為Si = αSitmin ( 1)



式中: Si為電池模組第i 個(gè)損傷指標(biāo)安全閥值；Sitmin為試驗(yàn)中電池模組第i 個(gè)損傷指標(biāo)的最小容限值。本文中設(shè)定安全系數(shù)α 為0． 6。

由于在內(nèi)短路時(shí)刻前，電解液未發(fā)生泄漏，在安全閥值內(nèi)，電解液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步減小，本文后續(xù)設(shè)計(jì)中將不再考慮電解液泄漏，電池模組的損傷指標(biāo)設(shè)定為侵入位移和載荷。

( 2) 電池模組有限元模型的精度。本文中使用的模組模型先通過(guò)CAD 的數(shù)據(jù)初步建立，用于提取模組力學(xué)試驗(yàn)的邊界條件，再通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)校核，以確保模組的有限元模型的精度，具體建模方法本文不再詳細(xì)討論。

基于SP 工況，通過(guò)方法1 和方法2 對(duì)本文第2 章中涉及的電動(dòng)汽車(chē)優(yōu)化后的電池模組的損傷進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如表5 所示。相對(duì)于方法2，方法1 為保證電池模組不被擠壓，對(duì)車(chē)身及電池框架進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，整車(chē)結(jié)構(gòu)增重2． 36 kg。



3.2  試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的有效性，分別對(duì)兩種設(shè)計(jì)方法得到的整車(chē)結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

( 1) 在進(jìn)行方法1 設(shè)計(jì)的整車(chē)試驗(yàn)過(guò)程中，電池模組保持完好，沒(méi)有受到擠壓;

( 2) 在進(jìn)行方法2 設(shè)計(jì)的整車(chē)試驗(yàn)中，電池模組變形量為6． 6 mm，比仿真預(yù)測(cè)值小0． 5 mm，試驗(yàn)與仿真的模組變形模式一致，如圖4 所示。


圖4 基于方法2 的電池模組變形情況

兩次試驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)漏液、短路及動(dòng)力電池移位的情況。

4  結(jié)論

本文總結(jié)了主要國(guó)家及地區(qū)法規(guī)及新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程中的碰撞工況，從碰撞形式及撞擊能量的角度，選取了電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池受損傷幾率較大的典型碰撞工況，并基于某款電動(dòng)汽車(chē)?yán)糜邢拊椒ㄟM(jìn)行了仿真分析。

此外，本文提出一種新的針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池安全防護(hù)的設(shè)計(jì)方法，利用仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的方式驗(yàn)證方法的有效性，作為對(duì)比，還利用傳統(tǒng)方法對(duì)同款電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池進(jìn)行了碰撞防護(hù)設(shè)計(jì)。

通過(guò)研究得出以下結(jié)論:

( 1) 在當(dāng)前主要國(guó)家和地區(qū)法規(guī)及新車(chē)評(píng)價(jià)體系的碰撞工況中，在32 km/h 75 °側(cè)面剛性柱工況下，動(dòng)力電池受損傷風(fēng)險(xiǎn)最大。動(dòng)力電池受損傷程度與車(chē)輛質(zhì)心同剛性柱中心線(xiàn)和碰撞速度方向所確定平面的距離以及整車(chē)結(jié)構(gòu)均有關(guān)聯(lián)。

( 2) 基于電池模組損傷容限的動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法能夠有效降低車(chē)身重量，有利于整車(chē)輕量化設(shè)計(jì)，提高電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，降低整車(chē)物料成本。






參考文獻(xiàn)
［1］ WANG H，KUMAＲ A，SIMUNOVIC S． Progressive Mechanical Indentation of Large － format Li － ion Cells ［J］． Journal of Power Sources，2017，341: 156-164．
［2］ JIANG Xuqian，LUO Hailing，XIA Yong，et al． Mechanical Behavior of Lithium － Ion Battery Component Materials and Error Sources Analysis for Test Ｒesults［J］． SAE Int． J． Mater． Manf，2016，9( 3) : 139-152．
［3］ 康華平，李政． 鋰離子動(dòng)力電池模組碰撞失效行為試驗(yàn)研究［J］． 上海汽車(chē)，2019( 8) : 7-12．
［4］ 趙紅偉，陳瀟凱，林逸． 電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池倉(cāng)拓?fù)鋬?yōu)化［J］． 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，39( 4) : 846-850．
［5］ 雷正保，劉助春，廖卓． 純電動(dòng)汽車(chē)白車(chē)身耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法［J］． 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)( 工學(xué)版) ，2016，37( 5) : 77-81．
［6］ 謝倫杰． 基于多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化的電動(dòng)汽車(chē)正碰安全性研究［D］． 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué)，2012．
［7］ 李仲奎，夏衛(wèi)群，秦信武． 純電動(dòng)轎車(chē)側(cè)面碰撞安全性能提升［J］． 汽車(chē)科技，2014( 1) : 11-16．
［8］ 李寧寧． 電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)力電池碰撞安全性研究［D］． 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué)，2019．