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電動汽車動力電池碰撞安全設(shè)計方法研究

2021-11-24 20:34:42·  來源：上汽安全與CAE技術(shù)  
　
1 前言最近小編一直在研究國內(nèi)外汽車法規(guī)及新車評價規(guī)程，以及閱讀電動車電安全相關(guān)的論文，小編突然冒出一個想法，就是到底哪種碰撞工況下電池?fù)p傷比較嚴(yán)重，心
1 前言
最近小編一直在研究國內(nèi)外汽車法規(guī)及新車評價規(guī)程，以及閱讀電動車電安全相關(guān)的論文，小編突然冒出一個想法，就是到底哪種碰撞工況下電池?fù)p傷比較嚴(yán)重，心動不如行動，小編就利用FE手段分析了一下，隨著分析的深入，一不小心提出一種基于電池模組損傷容限的動力電池防護(hù)設(shè)計方法，這個方法有利于車輛的輕量化，降低電動汽車能耗及整車物料成本。于是貼出來給大家看看，歡迎批評指正。
2 不同碰撞工況下動力電池特點
小編嘔心瀝血地分析各國及地區(qū)的法規(guī)，認(rèn)為對車身結(jié)構(gòu)損傷較大的典型工況有56km/h正面剛性墻（FFB），64km/h 40%重疊可變形壁障（ODB），64km/h 25%重疊剛性壁障（SOB），50km/h 50%兩車對撞（MPDB），60km/h 1400kg可變形移動壁障（Euro NCAP AEMDB），32km/h 75°側(cè)面剛性柱（SP）等6個工況。因此就分析了這幾個工況，考慮動力電池防護(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)整個動力電池所覆蓋的范圍，變形情況如圖1?？梢钥闯?，F(xiàn)FB工況（圖1.a）、ODB工況（圖1.b）及MPDB工況（圖1.d）中，動力電池框架未受擠壓。主要是因為電動汽車與壁障重疊較高，防撞橫梁及前縱梁參與變形吸能；此外，前艙中未布置發(fā)動機，可變形區(qū)域較大。SOB工況（圖1.c）中，電池模組雖未受到擠壓，但由于車輛與壁障的重疊率較低，車身參與吸能的結(jié)構(gòu)較少，車身吸能較少。車輪受到較大擠壓，撞擊過程中與動力電池間隙較小，使得動力電池受擠壓風(fēng)險增加。因此，SOB是電動汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要重點關(guān)注的工況。AEMDB工況（圖1.e）中，由于trolley小車的動能在碰撞中主要被前端的蜂窩鋁及B柱、車門等結(jié)構(gòu)吸收，門檻變形量較小，因此動力電池沒有被擠壓的風(fēng)險。SP工況（圖1.f）中，動力電池框架明顯受到擠壓。這是由于車輛的動能需完全被自身結(jié)構(gòu)所吸收，側(cè)圍與動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，就會導(dǎo)致周圍結(jié)構(gòu)擠壓動力電池。此外，小編發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剛性柱沿著車輛縱向移動時，動力電池受擠壓程度不同，這不僅與車輛質(zhì)心和剛性柱中心線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)計也有較大關(guān)系。另外，一般來說，動力電池吊掛點分布合理，吊掛點結(jié)構(gòu)及周圍車身結(jié)構(gòu)強度滿足剛度要求，動力電池在法規(guī)及新車評價體系的碰撞工況中不會移位。因此，后續(xù)對動力電池保持在原位置的要求不再進(jìn)一步討論。


圖1 典型高速工況下動力電池變形情況
3 電動汽車碰撞安全設(shè)計方法
另外小編發(fā)現(xiàn)由于對動力電池模組的力學(xué)性能與電化學(xué)性能之間的關(guān)系認(rèn)識不夠深入，目前多數(shù)主機廠設(shè)定電池模組不能被擠壓，并基于此進(jìn)行動力電池的防護(hù)設(shè)計，具體流程如圖2。這種方法（方法1）對車身耐撞性要求過于嚴(yán)苛，一般會產(chǎn)生過設(shè)計，導(dǎo)致車身重量增加，加大能耗，降低續(xù)航里程。小編就想電動車發(fā)展這么多年了，有沒有更好的方法呢？于是研究來研究去，就提出一種基于電池模組損傷容限進(jìn)行電動汽車動力電池防護(hù)設(shè)計的方法（方法2），具體流程如圖3。

圖2 傳統(tǒng)的電動汽車動力電池防護(hù)設(shè)計方法流程圖
圖3 基于電池模組損傷容限的電動汽車動力電池防護(hù)設(shè)計方法流程圖
可以看出方法2中有兩個因數(shù)對動力電池防護(hù)設(shè)計的影響較大：一是動力電池防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的確立需要通過大量的試驗研究，小編分析的設(shè)計案例涉及的動力電池防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗研究見文獻(xiàn)[3]，試驗邊界條件即是通過方法2中的流程獲取。通過試驗分析得出電池模組內(nèi)短路時的電池單體的損傷容限見表4。
表4 動力電池模組損傷容限
考慮到整車電安全的穩(wěn)健性，需引入安全系數(shù)對電池模組的損傷容限進(jìn)行加權(quán)，具體見公式:
Si=aSitmin
其中，Si指電池模組第i個損傷指標(biāo)安全閥值，Sitmin指試驗中電池模組第i個損傷指標(biāo)的最小容限值。為了保險起見，設(shè)定安全系數(shù)a為0.6。由于內(nèi)短路時刻前，電解液未發(fā)生泄露，在安全閥值內(nèi)，電解液泄露的風(fēng)險進(jìn)一步減小，所以設(shè)計中不再考慮電解液泄露，電池模組的損傷指標(biāo)設(shè)定為侵入位移和載荷。
二是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CAD的數(shù)據(jù)初步建立，用于提取模組力學(xué)試驗的邊界條件，再通過準(zhǔn)靜態(tài)試驗及動態(tài)試驗進(jìn)行對標(biāo)校核，以確保模組的有限元模型的精度，具體建模方法這里不再詳細(xì)討論。
基于SP工況，通過方法1和方法2對本文中涉及電動汽車優(yōu)化后的電池模組的損傷仿真值見表5。相對于方法2，方法1為保證電池模組不被擠壓，對車身及電池框架進(jìn)行進(jìn)一步加強設(shè)計，整車結(jié)構(gòu)增重2.36kg。
表5 動力電池模組各向受擠壓情況

4 結(jié)論
1、當(dāng)前主要國家及地區(qū)法規(guī)及新車評價體系的碰撞工況中，32km/h 75°側(cè)面剛性柱工況下，動力電池受損風(fēng)險最大。動力電池受損傷程度與車輛質(zhì)心同剛性柱中心線和碰撞速度方向所確定平面的距離以及整車結(jié)構(gòu)均有關(guān)系。
2、基于電池模組損傷容限的動力電池防護(hù)設(shè)計方法能夠有效降低車身重量，利于整車輕量化，提高電動汽車的續(xù)航里程，降低整車物料成本。
參考文獻(xiàn)
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