1  前言

純電動(dòng)汽車(chē)在碰撞過(guò)程中，動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)易受到擠壓，且碰撞過(guò)程的沖擊加速度會(huì)引起電池內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損壞、電路短路等危險(xiǎn)狀況，進(jìn)而引發(fā)“熱失控”問(wèn)題，造成車(chē)輛起火甚至爆炸。因此，純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)碰撞安全性研究尤為重要。

針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)碰撞安全性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別就電芯材料本構(gòu)模型、電池單體、電池包及整車(chē)等多層級(jí)開(kāi)展了大量研究。周青等根據(jù)大量仿真分析和試驗(yàn)研究結(jié)果，率先給出了動(dòng)力電池的碰撞損傷容限和短路發(fā)生判據(jù)，解析了電芯在機(jī)械載荷作用下材料破壞誘發(fā)短路的機(jī)理，提出了電池碰撞響應(yīng)的高精度數(shù)值模型，用于車(chē)用動(dòng)力電池的碰撞安全評(píng)估和抗撞設(shè)計(jì)。在整車(chē)層面，蘭鳳崇等通過(guò)分析各種整車(chē)碰撞工況，利用有限元分析方法對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行了碰撞安全性分析，提出了動(dòng)力電池包箱體及安裝結(jié)構(gòu)的性能分析方案及評(píng)價(jià)方法。楊威等通過(guò)分析電動(dòng)車(chē)底部不同形狀異物碰撞造成的電池包損壞，研究了不同程度的電池包底部濫用工況。蔡揚(yáng)揚(yáng)等對(duì)電池包箱體的材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造技術(shù)進(jìn)行了梳理，分析了電池包箱體結(jié)構(gòu)輕量化研究的現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)。以上研究為動(dòng)力電池碰撞安全評(píng)價(jià)提供了大量理論支持和有益探索，但其研究重點(diǎn)多集中于電芯模組及電池包結(jié)構(gòu)安全性，沒(méi)有從整車(chē)角度提出完整可行的評(píng)價(jià)體系。受動(dòng)力電池自身特性及目前售后維修能力的限制，車(chē)輛發(fā)生碰撞后，電芯模組損傷無(wú)法量化評(píng)估，一般會(huì)整體更換動(dòng)力電池系統(tǒng)，提高了維修成本。由此可見(jiàn)，在整車(chē)開(kāi)發(fā)階段進(jìn)行動(dòng)力電池安全評(píng)價(jià)意義重大。

本文從整車(chē)側(cè)面柱碰撞工況出發(fā)，提出一種整車(chē)碰撞工況下動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方法，建立考慮動(dòng)力電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的整車(chē)模型，并利用整車(chē)側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行有效性驗(yàn)證，然后詳細(xì)分析動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)變形和加速度沖擊響應(yīng)，全面分析動(dòng)力電池在該工況下的碰撞性能。

2 整車(chē)側(cè)面柱碰撞仿真分析與驗(yàn)證

2.1 整車(chē)側(cè)面柱碰撞

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)側(cè)面碰撞事故導(dǎo)致死亡的案例中有38%由乘員頭部撞擊樹(shù)或柱狀物體造成。純電動(dòng)汽車(chē)的電池包通常整體布置在車(chē)身底部，且布置范圍較大，因此在發(fā)生側(cè)面柱碰撞時(shí)，由于剛性柱的碰撞區(qū)域較集中，車(chē)輛側(cè)面門(mén)檻梁結(jié)構(gòu)侵入量較大，撞擊力難以被車(chē)身結(jié)構(gòu)承載分散，會(huì)對(duì)車(chē)輛及電池系統(tǒng)產(chǎn)生強(qiáng)大的切割沖擊力。因此，側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)代表了一類(lèi)難度大、風(fēng)險(xiǎn)高的極端工況，非常適合考察純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的安全防護(hù)能力。

GB/T37337—2019《汽車(chē)側(cè)面柱碰撞的乘員保護(hù)》于2019年10月1日正式實(shí)施，此外，2021年版中國(guó)新車(chē)評(píng)價(jià)規(guī)程（China-NewCarAssessmentProgram，C-NCAP）管理規(guī)則中新增了針對(duì)新能源汽車(chē)的側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)，替代移動(dòng)可變形壁障側(cè)面碰撞試驗(yàn)，可更有針對(duì)性地考察純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的安全性能。

2.2 動(dòng)力電池有限元模型建立與驗(yàn)證

本文的研究對(duì)象為某車(chē)型鋰離子動(dòng)力電池包，其有限元模型如圖1所示。電芯模組采用硬制鋁殼形式，在以往研究中，電池模組多采用剛體模型，即其在仿真計(jì)算過(guò)程中不發(fā)生變形，但此方法不能模擬電池模組在碰撞過(guò)程中的變形損傷。本文電池模組外殼用鋁制材料模擬，模組內(nèi)部使用編號(hào)為MAT63的材料模擬電芯力學(xué)性能，動(dòng)力電池各部件單元類(lèi)型及材料參數(shù)如表1所示，動(dòng)力電池包經(jīng)質(zhì)量單元配重后總質(zhì)量為441kg。

在有限元模型中，利用RBE2剛性連接單元模擬電池模組與固定橫梁之間的螺栓安裝點(diǎn)和上、下殼體間的安裝點(diǎn)。電池包下殼體周邊有15個(gè)吊掛螺栓安裝孔，用于與車(chē)體安裝連接，在模型中同樣用RBE2剛性連接模擬。電池包上箱蓋采用牌號(hào)為SCR2252的快速固化阻燃預(yù)浸料樹(shù)脂復(fù)合材料，具有較好的機(jī)械強(qiáng)度和阻燃性，下殼體為鋁制材料。

為驗(yàn)證動(dòng)力電池包有限元模型的準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)仿真分析和實(shí)物模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證。

模態(tài)分析可以得到動(dòng)力電池包一階固有頻率和振型，從而觀察電池包結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷分布狀態(tài)。對(duì)電池包吊掛安裝點(diǎn)6個(gè)自由度進(jìn)行全約束，模擬電池包與車(chē)身的約束安裝狀態(tài)，對(duì)電池包及其上箱蓋進(jìn)行模態(tài)仿真分析。采用力錘法對(duì)動(dòng)力電池包箱體及上箱蓋進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)[7]。仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，電池包箱體及上箱蓋一階模態(tài)頻率誤差均小于5%，證明動(dòng)力電池包有限元模型較為準(zhǔn)確。

由于路面引起的車(chē)身振動(dòng)頻率通常在30Hz以下[8]，電池包箱體和上箱蓋一階模態(tài)頻率均大于30Hz，表明該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避開(kāi)路面激勵(lì)的頻率范圍，符合性能要求。

2.3 整車(chē)有限元模型建立

如圖2所示，本文鋰離子動(dòng)力電池包搭載車(chē)型為某純電動(dòng)車(chē)型，該車(chē)型軸距為2585mm，整車(chē)長(zhǎng)度為4200mm，整車(chē)寬度為1780mm，整車(chē)高度為1638mm，整備質(zhì)量為1575kg。該車(chē)型動(dòng)力電池包固定在車(chē)身底板下部，電池包側(cè)邊通過(guò)螺栓連接固定在車(chē)身門(mén)檻梁上，前部通過(guò)螺栓連接固定在前圍下橫梁處，電池包后部延伸至后副車(chē)架前，該形式為目前純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池包的典型布置方案，可有效提高裝載電量。

如圖3所示，建立整車(chē)側(cè)面剛性柱碰撞仿真模型，模型前處理軟件選用HyperMesh，求解器為L(zhǎng)S_DYNA，模型共有2158676個(gè)節(jié)點(diǎn)、2630992個(gè)單元，以殼單元為主，單元尺寸為4~9mm，其中三角形單元有55250個(gè)，占單元總數(shù)的2.1%，符合小于5%的要求，主要采用Belytschko-Ysay單點(diǎn)積分類(lèi)型。根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》[10]試驗(yàn)要求，整車(chē)含規(guī)定配重總質(zhì)量為1738kg。

在模型中設(shè)置平行于車(chē)輛碰撞速度矢量的垂直面與車(chē)輛縱向中心線間形成75°夾角。車(chē)輛碰撞速度設(shè)置為32km/h，仿真計(jì)算時(shí)間設(shè)置為100ms。

2.4 碰撞仿真結(jié)果分析

圖4描述了碰撞仿真過(guò)程中系統(tǒng)能量的變化過(guò)程，隨著仿真時(shí)間的推移，系統(tǒng)動(dòng)能不斷減少，內(nèi)能逐漸增加。在仿真結(jié)束時(shí)刻，系統(tǒng)總能量為71.77kJ，沙漏能為1.55kJ，沙漏能占總能量的2.15%，小于5%的標(biāo)準(zhǔn)，一定程度上證明了模型結(jié)果有效。

仿真分析得出的整車(chē)變形位移云圖如圖5所示，可以看出，第30ms時(shí)，剛性柱已經(jīng)明顯開(kāi)始侵入車(chē)體邊梁，第60ms時(shí)達(dá)到最大變形狀態(tài)，車(chē)門(mén)及側(cè)邊梁結(jié)構(gòu)凹陷嚴(yán)重，第90ms時(shí)，剛性柱已經(jīng)與車(chē)體脫離，車(chē)體受壓結(jié)構(gòu)部分回彈。

2.5 整車(chē)側(cè)面柱碰撞試驗(yàn)

根據(jù)《C-NCAP管理規(guī)則（2021年版）》的試驗(yàn)要求，進(jìn)行整車(chē)側(cè)面剛性柱碰撞試驗(yàn)。如圖6所示，車(chē)輛以32km/h的速度、75°夾角撞擊固定剛性柱，觀察碰撞后的結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)。同時(shí)，如圖7所示，在電池包殼體中心位置安裝加速度傳感器，測(cè)量該位置處的加速度沖擊。

如圖8所示，對(duì)比仿真分析結(jié)果及試驗(yàn)錄像，在碰撞最嚴(yán)重時(shí)刻，即與剛性柱發(fā)生碰撞接觸后第60ms左右時(shí)，車(chē)體受剛性柱沖擊達(dá)到最大變形狀態(tài)，試驗(yàn)及仿真中的車(chē)輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與變形狀態(tài)表現(xiàn)一致。

讀取并處理試驗(yàn)所得的沖擊加速度數(shù)據(jù)，與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖9所示。電池包殼體中心位置沖擊均達(dá)到25g以上，沖擊幅值和加速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)表現(xiàn)一致。試驗(yàn)所得峰值加速度為26.8g，仿真分析所得峰值加速度為26.3g，仿真分析誤差為1.9%，充分證明了仿真模型的準(zhǔn)確性。

綜合以上仿真分析和實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的結(jié)論，在側(cè)面剛性柱碰撞中，受沖擊一側(cè)車(chē)體凹陷變形嚴(yán)重，危及動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)安全。通過(guò)對(duì)比分析仿真計(jì)算的能量變化、車(chē)體變形狀態(tài)及加速度響應(yīng)，充分驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

3 動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

為確保純電動(dòng)汽車(chē)在碰撞過(guò)程中的安全性，電池模組的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。文獻(xiàn)、文獻(xiàn)~文獻(xiàn)都對(duì)電池模組的擠壓損傷極限進(jìn)行了相應(yīng)研究，證明動(dòng)力電池模組可以承受一定限度的擠壓而不發(fā)生起火、爆炸。但實(shí)際碰撞過(guò)程中，車(chē)身結(jié)構(gòu)對(duì)電池的沖擊侵入情況更為復(fù)雜，電池模組一旦被侵入，將陷入不穩(wěn)定狀態(tài)，短路和漏液風(fēng)險(xiǎn)增加，系統(tǒng)危險(xiǎn)性也同步大幅增加。為有效保障安全性，建議在純電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)碰撞性能開(kāi)發(fā)過(guò)程中，任何形式的碰撞都不應(yīng)出現(xiàn)擠壓侵入動(dòng)力電池包內(nèi)部模組的情況。

通過(guò)動(dòng)力電池包的變形狀態(tài)可以更加直觀地觀察碰撞全過(guò)程對(duì)電池包的影響。如圖10所示，在第0~30ms時(shí)間段內(nèi)，電池包邊緣逐步發(fā)生變形，此時(shí)，剛性柱與車(chē)輛外部結(jié)構(gòu)接觸，車(chē)門(mén)及門(mén)檻梁作為直接受力部件接受沖擊，車(chē)門(mén)和門(mén)檻梁的變形為電池包提供了緩沖；在第30~60ms時(shí)間范圍內(nèi)，隨著碰撞能量的不斷加大，車(chē)輛變形逐步嚴(yán)重，碰撞力傳遞到電池包框架上，電池包變形也逐漸達(dá)到最大；在第60~90ms時(shí)間段內(nèi)，車(chē)輛開(kāi)始發(fā)生回彈，電池包變形趨于平穩(wěn)，碰撞過(guò)程結(jié)束，電池包的變形過(guò)程持續(xù)約30ms。

電池包外框架及內(nèi)部支撐梁的受力變形情況如圖11、圖12所示：電池包受沖擊一側(cè)外框架結(jié)構(gòu)隨車(chē)身門(mén)檻梁產(chǎn)生了嚴(yán)重的彎曲變形，電池包與車(chē)身連接的吊掛點(diǎn)位置也承受了較大的沖擊力；電芯模組安裝于電池包內(nèi)部支撐梁處，除碰撞側(cè)支撐梁受力變形嚴(yán)重外，電芯模組安裝點(diǎn)位置也承受了較大的沖擊力；支撐梁與外框架搭接接觸位置變形明顯，實(shí)際碰撞過(guò)程中可能發(fā)生局部安裝點(diǎn)失效。

在電池包受沖擊一側(cè)，選取第4排X向排列模組頂點(diǎn)位置處對(duì)應(yīng)的電池包框架位置為基準(zhǔn)，作為測(cè)量點(diǎn)1。其后每隔160mm取一測(cè)量點(diǎn)，如圖13所示，測(cè)量模組與電池包框架內(nèi)壁間隔距離L的變化情況。

測(cè)量所得各測(cè)點(diǎn)與電池模組間隔距離L的變化曲線如圖14所示，可以看出，L從碰撞開(kāi)始時(shí)的46mm逐漸下降，表示隨著碰撞的發(fā)生，電池包側(cè)邊結(jié)構(gòu)受到擠壓，發(fā)生形變。測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)4最靠近剛性柱撞擊位置，形變最為嚴(yán)重，測(cè)點(diǎn)4形變最嚴(yán)重時(shí)L僅為4mm，即電池外框結(jié)構(gòu)侵入電池42mm，從仿真結(jié)果上看，電池包外框結(jié)構(gòu)并未侵入接觸到模組。

3.2 加速度分析

瞬時(shí)的加速度沖擊是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)損傷的重要指標(biāo)之一。短時(shí)過(guò)大的加速度沖擊很可能引起電池包內(nèi)部短路，甚至導(dǎo)致動(dòng)力電池系統(tǒng)整體起火和爆炸。因此，評(píng)價(jià)加速度沖擊指標(biāo)非常關(guān)鍵。當(dāng)電池模組及其安裝機(jī)構(gòu)受到較大的加速度沖擊時(shí)，可能導(dǎo)致電池模組觸點(diǎn)松動(dòng)、脫落等問(wèn)題，從而引起短路。

為測(cè)量動(dòng)力電池包加速度沖擊，在電池包周邊及中間位置增加加速度測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1~測(cè)點(diǎn)6位置如圖15所示。

如圖16所示為測(cè)點(diǎn)1~測(cè)點(diǎn)6的加速度沖擊響應(yīng)曲線。測(cè)點(diǎn)1最接近碰撞位置，最大加速度為91g，該位置處于直接沖擊范圍，所以變形較大，所承受的加速度沖擊也最大。在GB/T31467.3—2015《電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測(cè)試方法》中，規(guī)定模擬碰撞工況下，電池包系統(tǒng)要承受上限峰值15g，持續(xù)時(shí)間30ms的y向沖擊加速度，要求在以上沖擊條件下電池系統(tǒng)無(wú)泄漏、外殼破裂、著火或爆炸等現(xiàn)象。測(cè)點(diǎn)2~測(cè)點(diǎn)6位置處加速度沖擊最大值在20~25g范圍內(nèi)，持續(xù)時(shí)間為25ms，表明碰撞過(guò)程中電池包系統(tǒng)普遍承受較大的加速度沖擊。

為緩解動(dòng)力電池系統(tǒng)在側(cè)面柱碰撞工況下的加速度沖擊，應(yīng)聯(lián)合車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在門(mén)檻承載處設(shè)計(jì)有效吸能結(jié)構(gòu)，不僅提供足夠的結(jié)構(gòu)支撐作用，還要最大限度降低碰撞加速度沖擊。

在側(cè)面剛性柱碰撞工況下，由于布置原因，動(dòng)力電池一般位于碰撞壁障直接沖擊位置，因此，為保障碰撞后車(chē)輛不發(fā)生漏電、起火和爆炸現(xiàn)象，應(yīng)在電池包和門(mén)檻梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行針對(duì)性安全設(shè)計(jì)，建議如下：

a.總布置階段，應(yīng)在電池包側(cè)邊及門(mén)檻梁處預(yù)留足夠空間，并設(shè)計(jì)成腔體結(jié)構(gòu)，以便在碰撞發(fā)生時(shí)利用結(jié)構(gòu)變形吸收足夠大的沖擊載荷。

b.針對(duì)重點(diǎn)碰撞位置，在門(mén)檻梁處增加局部承載結(jié)構(gòu)，提供足夠的支撐吸能作用，避免造成電池包嚴(yán)重?fù)p傷。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了包含動(dòng)力電池系統(tǒng)的整車(chē)側(cè)面柱碰撞有限元模型，通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，并分別從結(jié)構(gòu)變形和加速度沖擊的角度分析了側(cè)面柱碰撞工況下動(dòng)力電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，結(jié)果表明，側(cè)面柱碰撞工況下，動(dòng)力電池包外框架及內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)均發(fā)生較嚴(yán)重的變形，電池系統(tǒng)各位置均承受較大加速度沖擊。最后，本文基于側(cè)面剛性柱碰撞的特點(diǎn)，指出碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形和加速度沖擊是影響動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)安全性的重要因素，提出了對(duì)動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)和車(chē)身門(mén)檻梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性安全設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的建議。

文章來(lái)源：北京新能源汽車(chē)股份有限公司，唐人寰等