1  引言

2018年以來(lái)，各品牌電動(dòng)汽車起火事故接連發(fā)生，國(guó)外電動(dòng)汽車品牌特斯拉、國(guó)內(nèi)造車新勢(shì)力代表蔚來(lái)均牽涉其中，新能源汽車快速發(fā)展背后危機(jī)重重。

調(diào)查顯示，特斯拉自燃車輛的動(dòng)力電池曾遭遇托底。而據(jù)蔚來(lái)官方微博公布，蔚來(lái)自燃車輛在送修前底盤(pán)曾經(jīng)遭受過(guò)嚴(yán)重撞擊，即發(fā)生托底，導(dǎo)致動(dòng)力電池左后部外殼與冷卻板大面積變形，電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)在被擠壓的狀態(tài)下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后形成短路，最終引發(fā)火情。

目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用整車刮底試驗(yàn)和動(dòng)力電池底部球擊試驗(yàn)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行托底安全性驗(yàn)證，要求試驗(yàn)后不起火不爆炸，動(dòng)力電池的托底耐久性并沒(méi)有得到充分評(píng)估與保證。

2  托底

托底，是指汽車底盤(pán)零件與地面或地面的突起物發(fā)生接觸，汽車的底部受到撞擊。汽車過(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。

圖1所示幾種托底事故較為常見(jiàn)，如果動(dòng)力電池頻繁發(fā)生損壞或引發(fā)安全事故，會(huì)給消費(fèi)者帶來(lái)?yè)p失與困擾，繼而會(huì)對(duì)公司品牌造成負(fù)面影響，因次，發(fā)生此類托底事故時(shí)，既要保證電池的安全性，不能出現(xiàn)起火爆炸現(xiàn)象，也要保證電池的托底耐久性，電池可以繼續(xù)使用，不能存在安全隱患。



對(duì)傳統(tǒng)燃油車，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，因此，傳統(tǒng)燃油車的碰撞安全性能開(kāi)發(fā)中一般不考慮托底工況，只是將托底作為氣囊標(biāo)定的誤作用工況來(lái)研究。

對(duì)電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池布置在乘員艙的下方或者偏后方，電池底面不受車身結(jié)構(gòu)的保護(hù)，是整個(gè)電池系統(tǒng)最薄弱的部分，托底的危害主要是剮蹭或撞擊動(dòng)力電池，造成安全隱患。一般而言，電動(dòng)汽車比傳統(tǒng)燃油車更重，車身懸置壓縮量更大，整車離地間隙更小，更容易發(fā)生托底，而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)生起火，車輛還能繼續(xù)行駛，但電池包已嚴(yán)重變形，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，電芯和高壓器件持續(xù)處于擠壓狀態(tài)，電池包在一段時(shí)間后可能發(fā)生自燃。

托底主要有兩種模式，一種是刮底模式，一種是撞底模式。刮底是指動(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，一般?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)。撞底是指動(dòng)力電池底面受到向上的擠壓或撞擊，以垂直方向載荷為主，可使車輪一輪或多輪離地，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)部電芯。通常情況下，撞底事故對(duì)電池包損傷更加嚴(yán)重。

3  電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池托底安全測(cè)試與設(shè)計(jì)

3.1  托底安全測(cè)試

托底主要有刮底和撞底兩種模式，相應(yīng)的，在電動(dòng)汽車和動(dòng)力電池設(shè)計(jì)過(guò)程中，整車企業(yè)和電池供應(yīng)商一般采用整車刮底和電池包底部球擊兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況來(lái)模擬。

3.1.1  整車刮底試驗(yàn)



在地面固定一金屬剛性塊，高度設(shè)置為與動(dòng)力電池殼體下底面在Z向有30mm左右的重疊量。整車采用基準(zhǔn)質(zhì)量（整備+100kg），以不低于每小時(shí)30公里的速度駛過(guò)剛性塊。刮底試驗(yàn)共進(jìn)行三次，剛性塊分別對(duì)準(zhǔn)電池包的左側(cè)、右側(cè)和中心線。要求試驗(yàn)后電池包無(wú)爆炸、起火、析氣、冒煙、漏液等嚴(yán)重危險(xiǎn)現(xiàn)象。

3.1.2  電池包底部球擊試驗(yàn)

用直徑150mm的金屬球頭，以不高于1mm/s的擠壓速度，擠壓電池包底部薄弱位置，擠壓力達(dá)到20kN或者測(cè)試對(duì)象對(duì)應(yīng)車型滿載重量110%的載荷后（以最低值為準(zhǔn)），停止擠壓并保持1min。



電芯/模組在測(cè)試過(guò)程中無(wú)外部短路、無(wú)內(nèi)部短路，允許電芯/模組外形結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，但無(wú)危害現(xiàn)象產(chǎn)生。允許電池系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性能變化（如模組、固定結(jié)構(gòu)、支架、連接排、箱體結(jié)構(gòu)與原狀態(tài)比發(fā)生破損、斷裂；冷卻管路破壞除外），但無(wú)危害現(xiàn)象產(chǎn)生。測(cè)試后要求絕緣電阻值不小于500Ω/V。

3.2  托底安全設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池底面不受車身結(jié)構(gòu)的保護(hù)，在整車刮底和底部球擊工況下，容易發(fā)生較大變形并產(chǎn)生危害現(xiàn)象，為滿足工況考察指標(biāo)要求以及整包輕量化要求，可以考慮增加電池包防護(hù)梁和底護(hù)板。

3.2.1  電池包防護(hù)梁設(shè)計(jì)

整車刮底工況導(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（防護(hù)梁安裝在車身上，其最下緣比電池包底面低10mm以上，與電池包前端的X向距離控制在100-150mm左右），能夠有效保護(hù)電池。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。



3.2.2  電池包底護(hù)板設(shè)計(jì)

整車刮底和撞底工況下，電池底面都有可能損壞，增加底護(hù)板是非常有效的防護(hù)手段。

底護(hù)板一般采用1.2mm左右厚度的鋼板或者2mm左右厚度的鋁板，需要涂裝防石擊涂層，也可采用非金屬材料，如玻纖復(fù)合材料，料厚通常需要在3mm以上。

為保證防護(hù)效果和整車NVH對(duì)底護(hù)板模態(tài)的要求，還需要在底護(hù)板上設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)筋，且底護(hù)板兩側(cè)和前后都應(yīng)有固定點(diǎn)，中部還應(yīng)有不低于4個(gè)的固定點(diǎn)與電池底殼相連接。此外，底護(hù)板與電池包之間需安裝密封圈以滿足IPX7水密要求，否則底護(hù)板應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)泄水孔，以保證在涉水工況下底護(hù)板不發(fā)生破壞。

4  試驗(yàn)改進(jìn)建議

文中所述的整車刮底試驗(yàn)和動(dòng)力電池底部球擊試驗(yàn)，都是要求試驗(yàn)后電池系統(tǒng)無(wú)爆炸、起火、析氣、冒煙、漏液等嚴(yán)重危險(xiǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，這只是對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行了托底安全性驗(yàn)證與要求，而電池的托底耐久性并沒(méi)有得到充分評(píng)估與保證。

從用戶角度出發(fā)，發(fā)生輕微托底事故時(shí)，既要保證動(dòng)力電池的安全性，不能出現(xiàn)起火爆炸現(xiàn)象，也要保證動(dòng)力電池的托底耐久性，電池要可以繼續(xù)使用，不能存在安全隱患。

4.1  評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化

對(duì)常見(jiàn)的、較為輕微的托底事故作為耐久工況保護(hù)，建議將整車刮底和電池包底部球擊工況的考察指標(biāo)設(shè)定如下：

a）加載后電池包殼體結(jié)構(gòu)不破碎、無(wú)可見(jiàn)裂紋。

b）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25mm，卸載后殼體永久變形量小于3mm）。

c）內(nèi)部冷卻系統(tǒng)和管線、插接件和芯體等無(wú)損傷。

d）動(dòng)力電池功能正常，可繼續(xù)使用。

4.2  底部球擊試驗(yàn)方法改進(jìn)

4.2.1  準(zhǔn)靜態(tài)加載

準(zhǔn)靜態(tài)加載是目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的試驗(yàn)方法，雖然不同廠家的評(píng)價(jià)指標(biāo)各有差異，但基本類似，一般采用直徑150mm的金屬球頭，以不高于1mm/s的擠壓速度，擠壓電池包底部薄弱位置，當(dāng)擠壓力達(dá)到20kN或者其它廠家設(shè)定的值時(shí)，停止擠壓。

建議在當(dāng)前基礎(chǔ)上，增加擠壓球頭位移限制：采用直徑150mm的金屬球頭，以不高于1mm/s的擠壓速度，擠壓電池包底部薄弱位置，當(dāng)擠壓力達(dá)到20kN時(shí)，停止擠壓，或者當(dāng)金屬球頭位移量超過(guò)25mm時(shí)，停止擠壓，此時(shí)應(yīng)判定試驗(yàn)不合格。

改進(jìn)后的試驗(yàn)方法對(duì)動(dòng)力電池的底面剛度提出明確要求，對(duì)電池底面達(dá)到一定承載力時(shí)的變形量加以約束。

4.2.2  剛性球沖擊加載

準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，但與實(shí)際托底事故有較大差異。實(shí)際托底事故以刮底和撞底為主，而通常撞底事故對(duì)電池包損害更大，因此，建議電池包底部球擊試驗(yàn)由準(zhǔn)靜態(tài)加載改為剛性球沖擊加載。

另外，汽車發(fā)生托底時(shí)，動(dòng)力電池不同部位被撞擊的概率不同，如圖9示意，A區(qū)被撞擊的可能性較小，B區(qū)被撞擊的可能性較大，C區(qū)和D區(qū)最容易被撞擊（本圖僅為示意圖，根據(jù)被撞擊概率的不同進(jìn)行區(qū)域劃分，需要以大量的事故統(tǒng)計(jì)作為基礎(chǔ)）。建議根據(jù)不同區(qū)域被撞擊的概率不同，制定不同的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。



剛性球沖擊加載具體試驗(yàn)方法是，使用一個(gè)直徑150mm，質(zhì)量10kg的剛性球，以初速度V0和撞擊角度α，撞擊電池包底部，對(duì)不同的區(qū)域，如表1所示，撞擊能量、初速度、撞擊角度各不相同。



5  結(jié)論

常規(guī)托底事故較為常見(jiàn)，發(fā)生事故時(shí)，既要保證電池的安全性，不能出現(xiàn)起火爆炸現(xiàn)象，也要保證電池的托底耐久性，電池可以繼續(xù)使用。

為此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可考慮增加電池包防護(hù)梁和底護(hù)板，加強(qiáng)電池包底部安全防護(hù)；在測(cè)試環(huán)節(jié)，建議探索使用剛性球沖擊試驗(yàn)代替現(xiàn)行底部球擊試驗(yàn)，同時(shí)增加球頭位移限制，對(duì)電池底面達(dá)到一定承載力時(shí)的變形量加以約束。