電動汽車電池包箱體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)碰撞變形與響應(yīng)分析*

蘭鳳崇 劉金 陳吉清 黃培鑫

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院∥廣東省汽車工程重點實驗室, 廣東 廣州 510640)

電動汽車電池包箱體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)碰撞變形與響應(yīng)分析*

蘭鳳崇 劉金 陳吉清?黃培鑫

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院∥廣東省汽車工程重點實驗室, 廣東 廣州 510640)

目前關(guān)于電池包碰撞安全性問題研究較少,且大多的關(guān)注點在于電池包箱體及電池包安裝位置，無法清楚地了解電池包內(nèi)部的安全性.針對這一問題,文中結(jié)合一款實例電池包的開發(fā)，建立了考慮電池包內(nèi)部電池單體、觸點、固定裝置以及電池包內(nèi)架等的精細(xì)化結(jié)構(gòu)模型,從變形量和加速度兩個角度、電池包整體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)兩個層面對電池包碰撞結(jié)果進(jìn)行分析，探討了電池包在碰撞過程中箱體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形與響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明,電池包撞擊側(cè)吊耳、內(nèi)架、螺釘和電池模組均發(fā)生了不同程度的變形,電池觸點及附屬構(gòu)件安裝點處加速度峰值過大.

電動汽車；電池包；精細(xì)化模型；碰撞；變形；響應(yīng)規(guī)律

相對于傳統(tǒng)汽車,電動汽車在碰撞中具有自己的獨特性,主要表現(xiàn)在高能量、大質(zhì)量的動力電池在碰撞中受到擠壓、沖擊時可能會引起內(nèi)部短路、起火甚至爆炸等.電動汽車的碰撞安全問題,特別是其核心部件——動力電池包在碰撞中的安全性問題一直是阻礙電動汽車發(fā)展的主要因素.因此電動汽車碰撞安全性問題研究更加重要[1- 2].

近年來國內(nèi)外學(xué)者圍繞動力電池包以及電動汽車碰撞安全性問題展開了一些探索性研究.Wang等[3]應(yīng)用有限元方法對某純電動客車進(jìn)行側(cè)面碰撞安全性分析,指出了車身骨架及動力電池系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、連接方式和布置形式方面存在的問題,并給出優(yōu)化改進(jìn)措施.Istiyanto等[4]參照相關(guān)法規(guī)建立了電池架正面碰撞、側(cè)面碰撞以及后面碰撞仿真模型,并根據(jù)仿真計算結(jié)果對電池架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,大大提升了電池架耐撞性能.馬也[5]結(jié)合奧運電動客車的結(jié)構(gòu)特點,采用柱碰撞分析方法對動力電池系統(tǒng)進(jìn)行耐撞性分析.王震坡等[6]以提高側(cè)碰撞工況下電動客車動力電池系統(tǒng)安全性為目標(biāo),提出了側(cè)碰撞工況下電動客車動力電池組分?jǐn)喾雷o(hù)策略.Sibz等[7]基于電池碰撞安全問題對純電動城市公交車動力鋰離子電池包安裝位置展開了研究,經(jīng)過大量的實驗和仿真分析發(fā)現(xiàn)電動城市公交車地板下方安裝位置比較合理.

這些研究為電池包碰撞安全性研究提供了有益的探索,但這些研究關(guān)注的重點大多是電池包箱體以及電池包安裝位置,并沒有考慮電池包內(nèi)部單體、觸點以及附屬電氣構(gòu)件等在碰撞過程中受到的沖擊和擠壓.而相關(guān)研究表明,單體電池過大變形量、電池模組觸點和附屬構(gòu)件過高的沖擊加速度都可能會引起電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)短路[7- 8];且調(diào)查顯示,頻繁的電動汽車爆炸事件也多是由于碰撞導(dǎo)致電池包內(nèi)部短路引起的.

為提高電池包耐撞性能,降低碰撞事故對乘員造成的機(jī)械傷害、電傷害以及化學(xué)傷害,必須對電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)在碰撞過程中的變形及響應(yīng)進(jìn)行研究.基于此,文中提出了一套電池包箱體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)分析方法,分析思路和技術(shù)路線如圖1所示.以某量產(chǎn)微型電動車的電池包為例,介紹了整個分析流程;首先建立考慮電池包內(nèi)部電池單體、觸點以及電池包內(nèi)架等的精細(xì)化結(jié)構(gòu)模型,并對其進(jìn)行有效性驗證;然后結(jié)合精細(xì)化電池包結(jié)構(gòu)模型,建立電動汽車整車碰撞仿真模型,確定碰撞方案并進(jìn)行仿真計算,從變形與加速度兩個角度,電池包內(nèi)部和箱體兩個層面全面分析動力電池包碰撞性能.

圖1 電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)及箱體的變形與響應(yīng)分析技術(shù)路線

Fig.1 Technology roadmap of deformation and response analysis of battery pack and its internal structure

1 電池包精細(xì)化模型建立及驗證

1.1 動力電池包系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

研究對象為某款微型電動車鋰離子動力電池包,其包括電池包箱體、內(nèi)架、上壓蓋、上壓桿、前壓桿、吊耳、塑料支架、電池單體、溫度傳感器、排氣扇以及控制電源等，如圖2(a)所示.電池包內(nèi)架通過點焊與箱體連接,電池單體布置在內(nèi)架內(nèi),垂向上通過上壓桿、上壓蓋、內(nèi)架以及螺釘固定,縱向上通過前壓桿、內(nèi)架以及螺釘固定，每12塊電池單體并聯(lián)組成一個電池模組,模組與模組之間串聯(lián)，各關(guān)鍵部件連接關(guān)系如圖2(b)所示.

電池包不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且內(nèi)部還附設(shè)復(fù)雜的電安全系統(tǒng),因此須對電池包進(jìn)行相應(yīng)的簡化.具體簡化方案為:①不考慮溫度傳感器和線路;②排氣扇和控制電源等相關(guān)附屬構(gòu)件簡化處理,通過質(zhì)量單元平均分配到相應(yīng)安裝點上;③由于單體電池數(shù)量和單體與單體之間的接觸面太多,綜合考慮建模工作量、計算時間和精度,電池建模以模組為最小單元,即將12個單體電池組成的電池模組視為一個實體.簡化后的電池包模型如圖2(c)所示.

圖2 電池包結(jié)構(gòu)模型

1.2 動力電池包有限元模型

建立精細(xì)化電池包有限元模型的重點和難點是電池的模擬,目前已有研究大多是用剛體模型模擬電池,這不僅不能真實模擬碰撞過程中電池的變形損傷,還會加大電池的沖擊速度,仿真模擬誤差大.Sahraei等[9]通過一些基礎(chǔ)力學(xué)實驗發(fā)現(xiàn)具有多層性的鋰離子電池表現(xiàn)出一種可壓縮泡沫材料屬性,即其應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始階段有一個平臺期,而且并沒有明顯的屈服應(yīng)力,如圖3所示.Sahraei等[9]還建立了具有可壓縮泡沫材料屬性的18650型鋰離子單體電池有限元模型,并利用該模型成功模擬了多種載荷下單體電池變形情況,與實驗結(jié)果非常吻合.

圖3 單體電池應(yīng)力-應(yīng)變曲線[9]

動力電池包各部件單元模擬類型及相應(yīng)材料參數(shù)如表1所示.其中上壓蓋和螺釘由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜而采用四面體單元模擬.電池模組采用六面體單元模擬,其他部件采用殼單元模擬.電池模組采用可壓縮性泡沫材料模擬,其材料參數(shù)從參考文獻(xiàn)中獲得[10].采用RBE2剛性連接模擬電池包箱蓋與箱體之間的螺栓,內(nèi)架與電池包箱底的點焊連接用CWELD單元模擬.電池包整體有限元模型如圖4所示,共包括349 164個單元,其中實體單元117 113個,節(jié)點266 441個,最小單元尺寸1 mm,最小雅克比0.5,滿足計算要求.

圖4 電池包有限元模型

表1 各部件單元模擬類型及材料參數(shù)

1.3 模型有效性驗證

利用模態(tài)試驗對電池包有限元模型進(jìn)行驗證,以保證模型準(zhǔn)確性和后續(xù)碰撞仿真分析的可信度.

動力電池包是一個復(fù)雜的裝配體,而其中螺栓預(yù)緊力以及部件的重力使得組合結(jié)構(gòu)在裝配完成后存在預(yù)應(yīng)力場,預(yù)應(yīng)力場會影響整個裝配體的固有頻率[10].因此,動力電池包的模態(tài)分析需采用接觸模態(tài)有限元分析方法.接觸狀態(tài)由預(yù)緊力、接觸剛度和摩擦系數(shù)共同決定[11- 12].動力電池包中螺栓預(yù)緊力通過實驗測得的預(yù)緊力矩5 N·m換算而得.電池及塑料支架與箱體之間通過螺栓和壓桿連接,存在許多接觸面,綜合考慮計算量和精度,主要考慮電池與箱體之間的接觸面.表面接觸中主要考慮接觸面的切向行為和法向行為,分別用切向摩擦系數(shù)f和法向接觸剛度n表征,取f=0.1,n=0.022 4.模態(tài)仿真結(jié)果如表2所示.

采用力錘法對電池包裝配體進(jìn)行模態(tài)試驗,從表2中可以看出,仿真與實驗結(jié)果吻合度較高,前4階頻率誤差均在4%以內(nèi),且振型基本一致,在一定程度上驗證了該電池包有限元模型的有效性.

表2 電池包模態(tài)仿真與試驗對比

Table 2 Comparison of simulation results and experiment results of battery pack’s model

階數(shù)頻率/Hz仿真結(jié)果實驗結(jié)果振型誤差/%135．335．2整體一階扭轉(zhuǎn)0．2249．551．2前板一階彎曲3．3365．066．6側(cè)板一階彎曲2．4472．371．1前板二階彎曲，后板一階彎曲1．7

2 電池包側(cè)面剛柱碰撞仿真與分析

2.1 碰撞方案的選取

國內(nèi)外電動汽車碰撞安全相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)主要是美國的FMVSS 305、中國的GB/T 18384.1—2001和GB/T 19751—2005以及歐洲的ECE R100等,但GB/T 18384.1—2001、GB/T 19751—2005以及ECE R100主要是對電動車輛結(jié)構(gòu)和功能方面要求,對碰撞試驗方面沒有詳細(xì)規(guī)定和要求,FMVSS 305對碰撞試驗做出了相關(guān)規(guī)定,但只針對電動客車,并不適用乘用車.所以目前關(guān)于電動汽車碰撞試驗和仿真分析主要參考傳統(tǒng)汽車碰撞試驗標(biāo)準(zhǔn).

該微型電動車動力電池包安裝在車中間地板下方,側(cè)面碰撞更能直接反映電池包的碰撞性能.側(cè)面碰撞主要有側(cè)面移動壁障碰撞和側(cè)面剛性柱碰撞兩種試驗工況,與前者相比,側(cè)面剛性柱碰撞試驗工況更為惡劣,碰撞中剛性柱不具備吸能效果,撞擊受力面積小,車輛側(cè)面可用來變形吸能的空間也較小,侵入量更大,對電池包的威脅也更大,因此側(cè)面剛性柱碰撞方案更加適合該微型電動車電池包碰撞性能分析.

為使碰撞結(jié)果更好地體現(xiàn)出電池包碰撞安全性能,在參照歐洲NCAP傳統(tǒng)汽車側(cè)面剛性柱碰撞試驗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合電池包在微型車中布置位置、形式,對側(cè)面剛性柱碰撞方案進(jìn)行了調(diào)整,調(diào)整后碰撞方案為:剛性柱直徑為254 mm,剛性柱頂?shù)脚鲎曹囕v頂部垂直距離為100 mm,剛性柱底到碰撞車輛門底部垂直距離為102 mm.剛性柱與車輛碰撞速度為29 km/h,碰撞方向與車輛縱軸垂直.由于電動汽車副駕駛員側(cè)門檻梁與電池包之間的間隙比駕駛員側(cè)更小,且電池模組更靠近副駕駛員側(cè)的電池包內(nèi)壁,因此車輛撞擊側(cè)選擇副駕駛側(cè),剛性柱軸線與碰撞方向組成的平面通過電池包靠近副駕駛員側(cè)吊耳的中心位置.整個碰撞過程設(shè)為100 ms.側(cè)面剛性柱碰撞有限元模型線框圖如圖5所示,模型共有709 841個單元,730 125個節(jié)點,其中三角形單元有12 953個,占單元總數(shù)的1.8%(<5%),符合要求.車身覆蓋件選用8 mm殼單元畫分,并用4點積分Belytschko-Tsay算法仿真計算,后軸和懸架采用梁單元模擬,車身焊點采用Beam單元模擬.

圖5 電動車整車有限元模型線框圖

2.2 碰撞仿真結(jié)果分析

圖6(a)描述了整個碰撞構(gòu)成中模型系統(tǒng)能量隨時間的變化情況,碰撞結(jié)束時,系統(tǒng)總能量為19.5 kJ,沙漏能為0.357 kJ,、僅占總能量的1.83%,質(zhì)量增加了3.27 kg、占總質(zhì)量的0.56%.沙漏能和質(zhì)量增加均遠(yuǎn)小于5%的標(biāo)準(zhǔn),也在一定程度上驗證了模型的有效性.

從整車碰撞結(jié)果中可以看出剛性柱的侵入量很大(見圖6(b)),已擠壓到電池包箱體,對電池包安全造成威脅.下面將從變形量和加速度兩方面對電池包進(jìn)行分析,探討碰撞可能給乘員造成的機(jī)械傷害、電傷害和化學(xué)傷害等.

2.2.1 變形分析

碰撞結(jié)果中最直觀的是各部件變形量,過大的變形量會對內(nèi)部電池安全造成威脅,因此變形量是評價電池包碰撞安全性的重要標(biāo)準(zhǔn).

(1)電池包整體變形分析

圖6 整車碰撞結(jié)果

圖7 電池包位移云圖

從圖7碰撞過程中電池包位移云圖可以看出電池包在整個過程中的變形情況.在0～25 ms時,剛性柱撞擊微型電動車副駕駛員側(cè),副駕駛員側(cè)的車門和門檻梁變形起到緩沖作用,電池包基本沒有變形；在30 ms時,車門和門檻梁已經(jīng)發(fā)生了較大的變形,侵入到電池包左側(cè)吊耳處,使電池包受到擠壓開始發(fā)生變形；在30～50 ms階段,隨著碰撞力的傳遞,電池包左側(cè)吊耳處的變形逐漸擴(kuò)大直至電池包左側(cè)整個包壁；在50 ms后,電池包變形趨于平穩(wěn),無擴(kuò)大趨勢.電池包在整個碰撞過程中只有20 ms左右的變形時間.

碰撞中電池包左側(cè)吊耳侵入量最大值已達(dá)到34.7 mm(見圖8).由于撞擊側(cè)電池包壁非?？拷姵匕鼉?nèi)部的電池組,34.7 mm的侵入量已經(jīng)對電池組造成比較嚴(yán)重的擠壓,對電池包內(nèi)部安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅.從電池包整體變形分析可推知,電池包吊耳到門檻梁的間距較小,導(dǎo)致電池包過早受到擠壓變形,可以將電池包在整車Y方向的尺寸縮短,增大電池包吊耳到門檻梁的間距,以便更好地保護(hù)電池包.

圖8 左側(cè)吊耳侵入量

(2)電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形分析

從圖9(a)電池包內(nèi)架和螺釘應(yīng)力云圖中可知,電池包內(nèi)架左側(cè)架由于受到電池包吊耳向內(nèi)撞擊而發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形;右側(cè)架由于設(shè)計的相對較為薄弱,雖然遠(yuǎn)離撞擊位置,但在受到電池組的大慣性沖擊時也發(fā)生了嚴(yán)重的彎曲變形;電池包內(nèi)架中間部位發(fā)生了向右傾斜,并無明顯彎曲變形趨勢,電池包內(nèi)架其他部位無明顯變形趨勢.連接上壓桿、上壓蓋和內(nèi)架的緊固螺栓在碰撞過程中也發(fā)生了彎曲變形,其中圖9(a)中黑色圓圈內(nèi)螺栓變形尤為嚴(yán)重,不考慮螺釘失效.螺釘發(fā)生彎曲變形是由于上壓蓋在碰撞過程中沿碰撞方向發(fā)生了較大的平動位移造成的,靠近碰撞位置的上壓蓋受到了電池包吊耳和內(nèi)壁的擠壓而發(fā)生平動位移,迫使螺釘發(fā)生彎曲變形.這一點從圖9(b)中也可以看出,圖中顯示上壓蓋只有撞擊位置處受到應(yīng)力,其他位置并無明顯應(yīng)力發(fā)生,只是上壓蓋的位置發(fā)生了較為明顯的變化,即平動位移.

圖9 電池包內(nèi)部各部件應(yīng)力圖

碰撞中電池模組的安全對電動汽車整車碰撞安全性至關(guān)重要,中國汽車行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn) QC/T 743—2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》中對電池擠壓試驗做出相關(guān)規(guī)定,即利用擠壓板對蓄電池模塊施壓,擠壓方向垂直于蓄電池單體排列方向,擠壓至蓄電池模塊原始尺寸的 85%,保持5 min 后再擠壓至蓄電池模塊原始尺寸的 50%,要求蓄電池不爆炸、不起火.但該標(biāo)準(zhǔn)只是要求電池不爆炸和不起火,并未對是否發(fā)生短路和電解液泄露做相關(guān)規(guī)定,而當(dāng)電池模組內(nèi)部發(fā)生短路和電解液泄露時已對電池包安全性構(gòu)成很大威脅.崔佳[13]在參照該標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,將電池組的安全變形量設(shè)定為擠壓方向原始尺寸的10%,即變形至原始尺寸的90%.文中研究的電池模組在擠壓方向上原始尺寸為131 mm,其安全變形量為13.1 mm.

選取圖9(d)中電池模組變形最大位置為電池模組安全變形量檢驗點,即圖中位置A和位置B.位置A和位置B處電池模組變形量曲線圖如圖10所示.

由圖10可見，在45 ms時電池模組位置A處變形量達(dá)到最大值12.58 mm,非常接近電池模組安全變形量閾值13.1 mm.除了電池模組在擠壓方向發(fā)生變形外,模組B和模組C還發(fā)生了上下跳動,最大跳動量達(dá)到15 mm.

圖10 電池模組變形量

電池包內(nèi)架、上壓桿、上壓蓋、前壓桿以及緊固螺釘起到固定電池模組的作用,防止在受到振動和碰撞等沖擊時電池組相對電池包發(fā)生過大的平動和上下跳動,引起安全隱患.從以上碰撞變形結(jié)果及相關(guān)分析中可以看出,電池包的設(shè)計仍有不足之處,主要體現(xiàn)在兩個方面:①電池模組在碰撞時仍有較大的上下跳動量；②上壓蓋太靠近電池包內(nèi)壁,導(dǎo)致內(nèi)壁過早擠壓上壓蓋,迫使上壓蓋帶動螺栓從而擠壓電池模組.

2.2.2 加速度分析

瞬態(tài)加速度是評價電池包碰撞性能的另一重要指標(biāo),過大的加速度可能會造成電池包內(nèi)部的短路,甚至引起起火以及爆炸等.加速度值過大引起安全性問題主要是電氣構(gòu)件的電安全性問題和電池模組觸點的可靠性問題.電池模組觸點受到較大加速度沖擊時可能會導(dǎo)致觸點的松動、脫落等,進(jìn)而引起短路,同樣電池包內(nèi)部控制電源等部件在受到高加速度沖擊時也會造成內(nèi)部線路以及元件的損壞等.側(cè)面剛性柱碰撞中,電池包受到的加速度沖擊主要來自碰撞方向(即Y方向).基于此,測得了電池包主要電氣構(gòu)件安裝點和電池模組觸點的Y向加速度曲線,如圖11所示.

圖11 電池包不同部位Y向加速度變化曲線

Fig.11Y-direction acceleration curves of battery pack’s diffe-rent positions

從圖11中加速度變化曲線可以看出,電池包電氣構(gòu)件和電池模組觸點加速度值均較大,最大值分別達(dá)到55g和110g.電池模組中加速度較大的觸點分別為觸點1、觸點4和觸點5,與圖9(c)中電池模組應(yīng)力云圖一致,應(yīng)力云圖中應(yīng)力較大位置也發(fā)生在觸點1、觸點4和觸點5附近.相關(guān)實驗表明電池模組僅能承受最大加速度35g和脈沖持續(xù)時間為51 ms的半正弦波沖擊[7].與51 ms的脈沖持續(xù)時間相比,該電池模組的加速度脈沖持續(xù)時間較短,但其加速度峰值是其3倍左右,巨大的加速度峰值很可能直接造成電池模組觸點的松動和脫落,進(jìn)而引起短路、起火和爆炸等危險.

側(cè)面剛性柱碰撞中,剛性柱與車門及門檻梁直接接觸碰撞,并無緩沖吸能部件,且電池包中電池模組慣性大,使得附屬電氣構(gòu)件及電池模組觸點產(chǎn)生了較大加速度,造成安全隱患.為提高電池包碰撞安全性,建議在電動車門檻梁與電池包箱體之間添加緩沖吸能材料,例如泡沫鋁等,可有效降低碰撞過程中電池包模組等的沖擊加速度.

3 結(jié)語

(1)提出了一套電池包箱體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)碰撞響應(yīng)分析方法,為電池包設(shè)計開發(fā)、性能分析以及安全評價提供參考.

(2)建立了包括電池包內(nèi)架、電池模組、電池觸點、固定裝置以及附屬電氣構(gòu)件等的精細(xì)化電池包模型,并進(jìn)行了有效性驗證,為之后的電池包碰撞、振動分析以及優(yōu)化設(shè)計提供了基礎(chǔ).

(3)在參考?xì)W洲NCAP側(cè)面剛性柱碰撞試驗標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合電池包內(nèi)部電池模組的布置形式以及電池包在整車上的安裝位置,提出了一種適合分析電動汽車電池包碰撞性能的碰撞方法.

(4)從變形量和加速度兩個角度,電池包整體和電池包內(nèi)部兩個層面對電池包碰撞結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果表明,電池包撞擊側(cè)吊耳發(fā)生了向內(nèi)入侵,電池包內(nèi)架、螺栓和電池模組均發(fā)生了不同程度的變形,電池模組觸點及附屬構(gòu)件安裝點處加速度峰值均過高,給電池包帶來了安全隱患.

[1] 劉崇剛,譚玲生,史鵬飛.鋰離子電池的安全特性分析 [J].電池工業(yè),2008,13(2):78- 81. LIU Chong-gang,TAN Ling-sheng,SHI Peng-fei.Study on the safety performance of Li-ion batteries [J].Chinese Battery Industry,2008,13(2):78- 81.

[2] 王震坡,孫逢春.電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[3] WANG Z P,SHI S J,WANG Y,et al.The simulation analysis on side collision safety of electric buses [J].Applied Mechanics & Materials,2011,121/122/123/124/125/126:1130- 1137.

[4] ISTIYANTO J,SUMARSONO D A,UTOMO M S,et al.Development of platform structure as protection to lithium batteries in electric vehicle during crash impact [C]∥2013 Joint International Conference on Rural Information & Communication Technology and Electric-Vehicle Tech-nology(rICT & ICeV-T).Bandung-Bali:IEEE,2013:1- 8.

[5] 馬也.電動汽車電池箱組件耐撞性研究 [D].錦州:遼寧工業(yè)大學(xué),2009.

[6] 王震坡,李海濤.電動客車動力電池組分?jǐn)喾雷o(hù)仿真分析 [J].北京理工大學(xué)學(xué)報,2015,35(9):898- 901. WANG Zhen-po,LI Hai-tao.Simulation analysis on breaking protection of power battery pack for electric bus [J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2015,35(9):898- 901.

[7] SIBZ W,BREITFUβC,TOMASCH E,et al.Integration of a crashworthy battery in a fully electric city bus [J].International Journal of Crashworthiness,2012,17(1):105- 118.

[8] SAHRAEI E,MEIER J,WIERZBICKI T.Characterizing and modeling mechanical properties and onset of short circuit for three types of lithium-ion pouch cells [J].Journal of Power Sources,2014,247:503- 516.

[9] SAHRAEI E,HILL R,WIERZBICKI T.Calibration and finite element simulation of pouch lithium-ion batteries for mechanical integrity [J].Journal of Power Sources,2012,201:307- 321.

[10] 談卓君,廖日東,左正興,等.接觸條件下組合結(jié)構(gòu)的動力學(xué)分析 [J].機(jī)械強(qiáng)度,2006,28(5):658- 663. TAN Zhuo-jun,LIAO Ri-dong,ZUO Zheng-xing,et al.Dynamic analysis of composite structure on contact condition [J].Journal of Mechanical Strength,2006,28(5):658- 663.

[11] 趙猛,張以都,馬良文,等.裝配結(jié)構(gòu)模態(tài)仿真與實驗對比研究 [J].振動與沖擊,2005,24(1):28- 29. ZHAO Meng,ZHANG Yi-du,MA Liang-wen,et al.Research on modal analysis of assembly structures based on MSC/Nastran [J].Journal of Vibration and Shock,2005,24(1):28- 29.

[12] 傅志方.振動模態(tài)分析與參數(shù)辨識 [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[13] 崔佳.電動客車側(cè)向被動安全仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究 [D].北京:北京理工大學(xué),2015.

Deformation and Response Analysis of Pack and Internal Structure of Electrical Vehicle Battery in Collision

LANFeng-chongLIUJinCHENJi-qingHUANGPei-xin

(School of Mechanical and Automotive Engineering∥Guangdong Provincial Key Laboratory of Automotive Engineering,South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

There are few researches on the collision safety of battery pack, and most of the researches emphasize on the battery box and its installation location instead of the internal security of the battery pack. In order to solve this problem, a refined model of battery pack, which takes into consideration the cell, the cell contact, the fixed structure and the inner shelf, was proposed, with an actual battery pack being used as the example. Then, by analyzing the collision results of battery pack and its internal structure in the aspects of deformation and acceleration, the deformation and response law of the battery box and the internal structure during the collision were investigated. The results indicate that the lifting lug near the impact position, the internal shelf, the bolt and the battery modules all deform in different degrees; and that, after the collision, the acceleration magnitudes are excessive at the cell contact and the installation point of attached components.

electrical vehicle; battery pack; refined model; collision; deformation; response law

2016- 07- 09

廣東省科技計劃項目(2014B010106002，2014B010125001，2015B010137002，2016A050503021) Foundation items: Supported by the Science and Technology Planning Project of Guangdong Province(2014B010106002，2014B010125001，2015B010137002，2016A050503021)

蘭鳳崇( 1959-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車身結(jié)構(gòu)及安全研究.E-mail:fclan@scut.edu.cn

? 通信作者: 陳吉清( 1966-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事車身結(jié)構(gòu)及安全研究.E-mail:chjq@scut.edu.cn

1000- 565X(2017)02- 0001- 08

U 469.72

10.3969/j.issn.1000-565X.2017.02.001