某換電電動(dòng)汽車側(cè)面柱碰的動(dòng)力電池保護(hù)

宿學(xué)深 吳鵬 吳澤勛 閆高峰 徐?；?/p>

（浙江吉智新能源科技有限公司）

電動(dòng)汽車的續(xù)航里程不足以及充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)仍是困擾其發(fā)展的關(guān)鍵因素?；诖吮尘埃恼乱該Q電電動(dòng)汽車為例，對(duì)換電電池側(cè)面柱碰動(dòng)力電池保護(hù)進(jìn)行了研究。換電電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的安全性至關(guān)重要，目前在各國(guó)法規(guī)和NCAP 中，整車側(cè)面柱碰工況對(duì)動(dòng)力電池包來(lái)說(shuō)是最惡劣的。傳統(tǒng)汽車門檻設(shè)計(jì)較弱，發(fā)生側(cè)面柱碰時(shí)，可用的壓潰空間較少，車身侵入量大，會(huì)導(dǎo)致動(dòng)力電池包內(nèi)電池模組之間相互擠壓、殼體破裂、電解液泄漏、短路等，進(jìn)而引起汽車起火、爆炸等危險(xiǎn)情況發(fā)生，威脅人員生命安全、造成群眾財(cái)產(chǎn)損失。文章提出以門檻侵入量及動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度峰值為評(píng)價(jià)目標(biāo)，對(duì)側(cè)面柱碰車輛結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行研究，運(yùn)用先進(jìn)工藝與材料加強(qiáng)門檻設(shè)計(jì)，解決了側(cè)面柱碰時(shí)動(dòng)力電池包的保護(hù)問(wèn)題。

1 整車側(cè)面柱碰建模

1.1 換電電動(dòng)汽車基本結(jié)構(gòu)

文章研究的為全新正向開(kāi)發(fā)換電電動(dòng)汽車，動(dòng)力電池布置于車身底部，通過(guò)12 個(gè)可快速更換的螺栓與車身連接，如圖1 所示。與傳統(tǒng)燃油車型相比，該車整車質(zhì)心靠后。由于電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的要求，動(dòng)力電池包要盡可能布置更多模組，所以動(dòng)力電池包在X 向和Y 向占用了盡可能多的布置空間，尤其是Y 向，整車側(cè)面柱碰可壓潰空間明顯減少，動(dòng)力電池包安全性風(fēng)險(xiǎn)增大，因此對(duì)此車進(jìn)行整車側(cè)面柱碰動(dòng)力電池包安全性研究十分必要。

圖1 某換電電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包安裝位置

1.2 仿真模型建立

按照換電電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)建立整車有限元模型[1]，如圖2 所示。模型由白車身、四門兩蓋、電機(jī)、動(dòng)力電池包、前后懸等組成，包含2604200個(gè)節(jié)點(diǎn)、2873258個(gè)單元、1528個(gè)零件。建模軟件采用的是ANSA 中的HyperMesh 2017。

圖2 某換電電動(dòng)汽車整車有限元模型示意圖

1.3 壁障撞擊位置確定

E-NCAP 評(píng)價(jià)體系是評(píng)價(jià)汽車安全技術(shù)水平的重要指標(biāo)。該體系被全球許多國(guó)家作為制定本國(guó)NCAP的依據(jù)，同時(shí)該評(píng)價(jià)體系也是全球消費(fèi)者購(gòu)買汽車時(shí)的重要參考。其中E-NCAP 柱碰工況對(duì)動(dòng)力電池包來(lái)說(shuō)是最為惡劣的碰撞工況。一般使用E-NCAP 中的柱碰工況（整車碰撞速度為32 km/h、碰撞角度為75°、壁障柱直徑為150 mm）[2]研究柱碰后動(dòng)力電池包的安全性。

采用碰撞側(cè)均布碰撞點(diǎn)進(jìn)行碰撞仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果選取最薄弱點(diǎn)作為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)門檻的基礎(chǔ)模型。碰撞點(diǎn)選擇方法：以R 點(diǎn)對(duì)應(yīng)避障柱位置為基礎(chǔ)點(diǎn)，以150 mm 為間隔分別向前、后均勻取點(diǎn)，其中向前取6 個(gè)碰撞點(diǎn)，向后取3 個(gè)碰撞點(diǎn)，具體如圖3 所示，碰撞仿真求解器為L(zhǎng)S-DYNA R7。

圖3 汽車側(cè)面柱碰仿真分析碰撞點(diǎn)位置示意圖

分析以上10 個(gè)碰撞位置的仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：R-3 位置門檻變形嚴(yán)重，動(dòng)力電池包內(nèi)模組發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓。由此選擇R-3 碰撞位置為基礎(chǔ)模型。

2 側(cè)面柱碰動(dòng)力電池安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

2.1 門檻侵入量

對(duì)于整車側(cè)面柱碰工況，門檻是唯一介于壁障和動(dòng)力電池包之間的結(jié)構(gòu)件，所以門檻起到了阻擋壁障侵入和吸收碰撞能量的作用。圖4 示出某換電電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包變形示意圖。從圖4 可以看出，基礎(chǔ)模型門檻沒(méi)能有效阻擋壁障的侵入，導(dǎo)致壁障侵入230 mm，門檻變形嚴(yán)重，門檻壓潰后壁障進(jìn)一步擠壓電池模組，仿真中電池模組產(chǎn)生較大變形，可以認(rèn)為：實(shí)際碰撞發(fā)生時(shí)，電池模型變形破裂，可能進(jìn)一步引發(fā)電解液泄漏、短路、起火、爆炸等嚴(yán)重后果。

圖4 換電電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包變形示意圖

將門檻侵入量（門檻外板Y 方向位移）作為一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，門檻侵入量越小，則電池模組發(fā)生擠壓變形的風(fēng)險(xiǎn)越小[3]，電池模型實(shí)際的破裂風(fēng)險(xiǎn)越小。

2.2 動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度峰值

動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度峰值過(guò)大，會(huì)引起動(dòng)力電池包內(nèi)模組與電池包框架連接失效、模組與模組擠壓、模組內(nèi)部零件之間擠壓以及不可預(yù)估的電安全風(fēng)險(xiǎn)。圖5 示出仿真分析基礎(chǔ)模型動(dòng)力電池包Y 向的碰撞加速度，其峰值為43g，參考某車企企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度小于35g），該加速度峰值較大。

圖5 換電電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度仿真曲線

3 門檻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)門檻設(shè)計(jì)已無(wú)法滿足文章中換電電動(dòng)汽車在側(cè)面柱碰工況下保護(hù)動(dòng)力電池的要求，文章提供了3 種門檻加強(qiáng)設(shè)計(jì)方案以滿足要求。

3.1 方案1（門檻內(nèi)部增加圓形管梁）

在門檻內(nèi)部增加圓形管梁以阻擋壁障的侵入，減少門檻壓潰變形。門檻內(nèi)支撐板材料采用的是HC340/590DP，厚度為1.2 mm；圓形管梁材料為16MnAl，厚度為2.0 mm，其仿真模型，如圖6 所示。

圖6 圓形管梁仿真模型示意圖

門檻內(nèi)部增加圓形管梁后，側(cè)面柱碰仿真結(jié)果顯示，后門檻侵入量較基礎(chǔ)模型減小76 mm，但是動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度卻明顯增大，加速度峰值達(dá)到57g。

3.2 方案2（門檻采用復(fù)合車身解決方案）

采用復(fù)合車身解決方案，即門檻內(nèi)填充一種由熱膨脹結(jié)構(gòu)粘膠粘接的特殊復(fù)合結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，如圖7 所示。該加強(qiáng)結(jié)構(gòu)由熱膨脹結(jié)構(gòu)粘膠結(jié)合工程化骨架組成，能夠保持或提升汽車疲勞耐久性、車身剛度和碰撞安全性能。復(fù)合車身產(chǎn)品的骨架部分通常采用比強(qiáng)度比較高的工程塑料或者金屬。門檻內(nèi)填充復(fù)合加強(qiáng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品后，模型中復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)800 MPa。經(jīng)整車側(cè)面柱碰模型碰撞仿真計(jì)算，門檻侵入量較方案1 進(jìn)一步減小到127 mm，動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度峰值為44g，較方案1 降低13g，但仍高于目標(biāo)值（35g）的要求。

圖7 復(fù)合車身解決方案仿真示意圖

3.3 方案3（門檻內(nèi)部填充鋁型材）

采用門檻內(nèi)填充擠壓鋁型材方案，連接方式為擠壓鋁型材由熱膨脹結(jié)構(gòu)粘膠粘接到門檻腔體內(nèi)。其仿真模型，如圖8 所示，鋁型材為Al6063，厚度為2.0 mm，鋁型材有限元單元通過(guò)膠粘連接到門檻內(nèi)外板上，求解器為L(zhǎng)S-DYNA。

圖8 換電電動(dòng)汽車門檻內(nèi)鋁型材仿真模型

門檻內(nèi)填充鋁型材的仿真結(jié)果顯示，門檻侵入量為135 mm，沒(méi)有擠壓到動(dòng)力電池包，雖然門檻侵入量較方案2 增加了8 mm，但動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度為35g，滿足動(dòng)力電池加速度峰值目標(biāo)。

3 種方案的仿真結(jié)果對(duì)比情況，如表1 所示。

表1 某換電電動(dòng)汽車門檻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果對(duì)比

從表1 可以看出，方案3（門檻內(nèi)填充鋁型材）的仿真結(jié)果較方案1、方案2 更好，不僅抵擋住了壁障柱的侵入，且具有良好的吸能特性，降低了動(dòng)力電池包Y 向碰撞加速度峰值。

4 結(jié)論

動(dòng)力電池包作為易燃易爆產(chǎn)品，應(yīng)持續(xù)研究其在碰撞時(shí)的安全性，同時(shí)進(jìn)一步研究電池模組及單體在碰撞時(shí)的安全性。對(duì)電動(dòng)汽車門檻采用擠壓鋁型材，可有效降低門檻侵入量及降低動(dòng)力電池包碰撞加速度峰值。相較于傳統(tǒng)門檻鈑金加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，文章所用鋁型材的抗彎能力更強(qiáng)，吸能效果更好。該鋁型材雖然質(zhì)量輕、強(qiáng)度高，但成本略高，汽車工程師設(shè)計(jì)車身結(jié)構(gòu)時(shí)需權(quán)衡性能、質(zhì)量、成本后采用。文章的研究對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的保護(hù)設(shè)計(jì)有參考價(jià)值。