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一汽 | 電動汽車電池包整車墜落球擊試驗仿真研究
2021-11-20 13:50:12· 來源：電動學堂 作者：彭亮等
文章來源：1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院2.汽車振動噪聲和安全控制綜合技術國家重點試驗室引言在我國提出碳達峰、碳中和目標的大背景下，新能源汽車產業(yè)成
文章來源：1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院2.汽車振動噪聲和安全控制綜合技術國家重點試驗室
引言
在我國提出碳達峰、碳中和目標的大背景下，新能源汽車產業(yè)成為市場熱點，電動汽車的市場認可度及保有量逐年攀升并保持快速增長。電池包作為電動汽車的高能量密度儲能部件，是電動汽車上最重、最大、最貴的部件，其結構的安全性關乎整車安全性，是業(yè)界關注的熱點問題。
電動汽車火災事故的綜合統(tǒng)計調查顯示，約1/3的火災事故是由道路異物撞擊或其他類型的機械載荷造成的。在整車層面，電動汽車乘用車的電池包通常設計在車身底部排列，這種設計降低了車輛離地間隙，在動態(tài)行駛中，更容易引發(fā)地面撞擊安全問題。地面沖擊物引起的地面撞擊會導致電池包結構發(fā)生變形或破壞，從而引起儲能元件的熱失控和發(fā)生非常嚴重的火災事故。相較于傳統(tǒng)汽車，電動汽車結構安全性需要重點考慮整車底部托底工況，國內行業(yè)專家也指出，允許合理的電池變形的托底評價方法正待開發(fā)。
針對電池包結構的底部撞擊安全性問題，很多學者進行了研究。黃蘆等對道路異物幾何參數(shù)結構模型和車用動力電池包底部碰撞運動學模型進行了詳細研究，以電池包為對象進行碰撞安全性分析及改進驗證。周飛等從整車結構模型靜態(tài)角度對整車托底工況進行分析總結，并結合實際案例進行托底改善分析。但上述研究都沒有從整車系統(tǒng)考慮碰撞過程中的整車姿態(tài)運動學響應。而基于多體動力學虛擬試車場的電動汽車蓄電池包托底工況仿真,無法對電池包箱體與內部模組進行詳細分析與安全性評估。
本文以某大型電動SUV為研究對象，通過建立整車虛擬試驗場動力學模型和精細化電池包模型，利用LS-Dyna軟件顯式積分算法，進行了整車墜落球擊工況下的電池包響應仿真分析，根據(jù)仿真計算結果對電池包結構和內部模組進行球擊后的安全性評估分析，并與實車試驗結果進行對比。在此基礎上，分析評估了不同球擊障礙物尺寸與不同障礙重疊高度的工況強度，同時提出了一套由整車級仿真分析結果分解確定電池包總成級驗證條件的方法。
1整車墜落球擊托底工況
1.1整車托底工況
整車托底工況是指汽車底部在行駛中碰到地面或者突出障礙物。車輛在通過坑洼路、深路轍、上坡頂、減速帶、路面障礙物以及路邊石時都可能發(fā)生托底，車輪帶起石子擊打車底的情況也可歸到托底工況。
1.2整車墜落球擊工況
對于電動汽車動力電池在托底工況時碰撞的安全性控制，國標中對單體電池或電池系統(tǒng)臺架擠壓試驗[;]提出了要求，可從一定程度上對電池系統(tǒng)抗碰撞、抗擠壓、抗沖擊等性能進行驗證，但它并不能真實反應實際道路上復雜多樣的碰撞場景。朱偉等提出了一種純電動乘用車電池包抗路面撞擊試驗方法，可通過整車級別的實際道路工況測試，為電池包的抗路面撞擊安全風險評估提供參考。本文使用其中對電池沖擊變形考核最為嚴苛的整車墜落球擊工況。
整車墜落球擊試驗如圖1所示，安裝有電池包的測試車按照一定的車速從一定高度的路邊石直角臺階上駛下，使電池包與固定在地面的障礙物撞擊。障礙物是頭部為半球型的金屬圓柱結構，障礙物高度為其頂端與電池包的底端之間在垂直于地面的方向出現(xiàn)一定量的重疊。通過預設障礙物與臺階的相對位置，使障礙物撞擊在電池包最薄弱的位置。
2整車有限元模型建立
2.1精細化電池包有限元模型建立
電池包為箱體結構總成，幾何模型如圖2所示。電池包主要包括上箱蓋、箱體、吊耳、箱底板、電池模組、模組罩板、水冷扁管、連接結構、電氣模塊、連接插孔等。電池模組包括連接電極、電池蓋板、墊板、單體電池、電池盒、模組支架等。電池包總共有12個電池模組，每個模組由18個單體電池組成。
為了分析在整車墜落球擊時電池箱體及內部模組的結構響應特性，建立了精細化的電池包有限元模型（包括上箱蓋、箱體、吊耳、箱底板、水冷扁管、連接結構、模組罩板）。由于墜落球擊工況中，電池包只有局部區(qū)域將與球擊障礙物產生碰撞，碰撞區(qū)域為電池模組位置，考慮到整車建模仿真的計算效率和模型結構對仿真精度的影響，對非撞擊區(qū)域的電池模組、電氣模塊、連接插孔等進行簡化建模，只保留其本體結構、連接及質量參數(shù)。電池包箱體結構材料為鋁。對于碰撞區(qū)域的電池模組進行內部詳細化有限元建模。有學者[7]根據(jù)單體電池力學試驗，得到電池的力學特性，并發(fā)現(xiàn)一種可壓縮泡沫材料與該性質極其相似，于是建立材料本構模型，并采用均質化建模方法建立單體電池模型進行仿真分析，且仿真結果與試驗結果十分吻合。因此單體電池材料選用LS-Dyna的63號材料，電池蓋板、電池盒、電池支架等部件均為鋁材料。對電池包模型、電池模組模型建立自接觸，對電池模組內部墊板進行TIE接觸處理。電池包有限元模型如圖3所示，其中圖3a為電池包箱體及簡化模組有限元模型，圖3h為碰撞區(qū)域的詳細電池模組有限元模型。
2.2輪胎有限元模型建立
在整車墜落過程中，車輛從路邊石臺階上駛下，輪胎與路邊石形成直角發(fā)生階躍變形，輪胎的剛度及胎面非線性變形特性將直接影響整車墜落時的動力學仿真精度。通過建立有限元輪胎模型對這種階躍過程進行準確表達。本文建立了275/40R22型號輪胎（圖4)在2.4bar(lbar=10Pa)氣壓下的有限元模型（圖5)。使用Mooney-Rivlin材料超彈材料本構模擬橡膠，建立胎冠等部位實體結構有限元模型。為降低模型規(guī)模，胎壁、輪剕等部分簡化為殼單元，輪輻簡化為剛性單元。內胎層、胎壁層、部分輪銅構成閉合空腔，采用氣囊模型模擬氣壓。
2.3整車有限元模型建立
整車模型包括車身、前懸架、后懸架、電池包、輪胎、路面等。由于整車墜落過程的臺階高度較低且車輛駛下的車速較低，整車懸架的階躍沖擊不會很大，整車懸架和車身將不會受到較大的非線性沖擊載荷?？紤]到整車模型規(guī)模計算效率與精度影響，對整車模型進行適當簡化建模：將懸架結構件與車身結構考慮為剛性單元建模，重點考慮車身與懸架部件的質量與慣量參數(shù)準確；穩(wěn)定杅使用多段梁單元建模；橡膠彈性元件使用實測非線性剛度曲線模型；緩沖塊使用實測剛度曲線建模；減振器特性使用實測速度特性曲線創(chuàng)建。建立整車有限元模型如圖7所示。
針對仿真工況車輛響應特性，重點對整車模型的垂向動態(tài)階躍進行模型有效性驗證。使用實車從路邊石臺階駛下的懸架位移行程測試數(shù)據(jù)和整車模型仿真結果進行對比，驗證整車懸架的動態(tài)階躍響應仿真精度，如圖8所示，證明該整車模型能夠反映真實的車身及懸架系統(tǒng)動態(tài)特性，可以用于整車墜落球擊電池包托底工況仿真。
組的最大變形量不超過5%。圖11所示為電池包碰撞區(qū)域應變云圖，可見電池包結構最大應變?yōu)?.96%，材料的破壞應變?yōu)?0%，說明在碰撞過程中電池包箱體結構沒有破裂風險。圖12所示為電池模組中撞擊位置變形位移云圖，可見電池模組單體最大垂向變形位移為1.17mm,變形量為1.17%，小于要求，說明碰撞過程中電池模組沒有安全性失效風險。
3整車墜落球擊托底分析
3.1整車墜落球擊托底仿真
對驗證后的整車仿真模型進行整車墜落球擊托底仿真。整車模型首先在重力作用下從設計姿態(tài)達到靜平衡，為了加快平衡過程，縮短計算時間，通過多次嘗試施加一定量的全局阻尼，使整車在ls內達到平衡。然后，車輛以3km/h速度從臺階勻速駛下。
通過仿真可觀察到整個撞擊過程，如圖9所示。當后車輪駛下臺階時由于軸荷減小，在重力作用下車身將產生墜落動能，直至電池包與半球形障礙物產生撞擊，沖擊載荷將車身彈起并再次墜落撞擊。通過提取球擊碰撞載荷，垂向載荷峰值為3lkN,縱向的刮擦載荷峰值為6.4kN。載荷時域歷程如圖10所示，可用于更加精細化的電池包系統(tǒng)模型的動態(tài)響應分析。
3.2電池包結構安全性分析
在電池包發(fā)生撞擊時，要求電池包売體不破裂，電池模組的最大變形量不超過5％。圖11所示為電池包碰撞區(qū)域應變云圖，可見電池包結構最大應變?yōu)?.96％，材料的破壞應變?yōu)?0％，說明在碰撞過程中電池包箱體結構沒有破裂風險。圖12所示為電池模組中撞擊位置變形位移云圖可見電池模組單體最大垂向變形位移為1.17mmm，變形量為1.17％，小于要求，說明碰撞過程中電池模組沒有安全性失效風險。
3.3仿真結果與實車試驗驗證分析
使用實車進行整車墜落球擊試驗，電池包在墜落球擊后未發(fā)生箱體破裂及電池模組安全性問題。試驗結果表明，整車墜落球擊托底仿真方法能有效分析預測電池包的安全性能。
對完成試驗的電池包箱體進行點云掃描測量，實車電池包在球擊位置的最終靜態(tài)變形量為4.51mm。（圖13c）。仿真結果為3.99mm（圖13b)，與實車試驗結果驗證吻合。值得注意的是，仿真過程箱體底部最大侵入變形為7.16mm。（圖13a)，這是由于撞擊時刻最大侵入變形量為箱體結構材料的彈性變形和塑性變形疊加產生，而靜態(tài)變形量為材料的塑性變形產生。這說明實車試驗只能測量到箱體的最終塑性變形，無法獲得撞擊時刻的障礙物最大侵入量，因此在工程應用中，整車模型仿真分析就顯得更為重要。
4工況評價及臺架開發(fā)應用研究
在實際開發(fā)過程中，如何確定合適的障礙物尺寸及高度是需要研究的難題，通過進行大量重復試驗不僅成本高昂，而且安全性風險大。同時開發(fā)過程中，如果能根據(jù)整車驗證工況要求，獲得與整車關聯(lián)的電池包系統(tǒng)級的臺架驗證條件，將極大降低開發(fā)成本，縮短研發(fā)驗證周期。
因此在整車仿真模型基礎上，開展了不同球擊障礙物尺寸與不同障礙重疊高度的工況強度評估研究。同時基于動態(tài)仿真能量結果，提出了一套由整車級仿真分析結果分解確定電池包總成級驗證條件的方法。
4.1不同障礙物條件工況強度評估
根據(jù)開發(fā)需求，預設了兩種不同臺階高度、不同車速、不同球擊障礙物直徑、不同初始于涉量的工況方案，如圖14所示。根據(jù)不同工況方案分別進行了整車墜落球擊仿真分析，如圖15所示。結果表明（表2)，臺階高度增高、球擊障礙物直徑變小、于涉量增大，將對電池包產生更大的侵入，同時縱向的碰撞載荷將增大。
4.2關聯(lián)整車的電池包系統(tǒng)臺架條件開發(fā)
在電池包結構開發(fā)時，往往不具備整車條件進行實車的電池包托底試驗驗證，而且實車試驗往往存在電池熱失控安全風險，故電池包前期設計分析及試驗一般在實驗室臺架上進行。目前，電池包碰撞、擠壓臺架試驗條件多為準靜態(tài)力值加載，不能與裝配整車的整車重量、布置位置、懸架特性等影響因素關聯(lián)，且準靜態(tài)與瞬態(tài)沖擊不能很好地等效。
通過實車試驗與仿真研究，整車墜落使車輛產生初始動能，最終動能一部分轉化為懸架阻尼元件與輪胎內能，其余基本轉化為障礙物對電池包造成侵入的塑性內能。根據(jù)這個原理，可采用撞擊頭動態(tài)沖擊電池包的撞擊臺架驗證其安全性能，將仿真過程電池包增加內能進行提取。電池包內能增加53.1J,可將其作為撞擊臺架的初始動能條件，進行關聯(lián)整車試驗的電池包系統(tǒng)臺架驗證。
5結論
l)基于顯式動力學整車建模仿真方法，通過合理的整車建模及精細化電池包建模，可以有效對新能源整車電池包底部球擊虛擬試驗進行安全性預測分析。
2)基于本文新能源整車虛擬試驗仿真方法，可對不同使用工況進行虛擬驗證分析，極大降低開發(fā)成本與安全風險，縮短開發(fā)周期。
3)通過提取整車仿真內能結果，可為電池包系統(tǒng)撞擊臺架提供試驗條件，并與整車試驗進行關聯(lián)，未來可應用于電池包早期的安全性評估與結構開發(fā)。
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