電動汽車和動力電池托底安全測試方法改進

黃云龍　馮富春　盛軍　王莎莎

摘 要：汽車托底是一種常見的道路交通事故類型，電動汽車發(fā)生托底事故后，動力電池受到擠壓和撞擊，常常存在安全隱患。當前，行業(yè)內普遍采用整車刮底試驗和動力電池底部球擊試驗對動力電池系統(tǒng)進行托底安全性設計和驗證。本文根據當前試驗方法存在的問題，對動力電池底部球擊測試方法和評價指標進行改進，提升動力電池的托底耐久性。

關鍵詞：動力電池 托底 底部球擊 耐久性 安全性

Improvement of the Safety Test Method for the Underpinning of Electric Vehicles and Power Batteries

Huang Yunlong Feng Fuchun Sheng Jun Wang Shasha

Abstract：Car undercarriage is a common type of road traffic accidents. After undercarriage accidents occur in electric vehicles， the power battery is squeezed and hit， which often poses safety hazards. At present， the whole vehicle bottom scraping test and the power battery bottom ball hit test are commonly used in the industry to design and verify the safety of the power battery system. Based on the existing problems of the current test method， this article improves the bottom ball hit test method and evaluation index of the power battery to improve the durability of the power battery.

Key words：power battery， bottom support， bottom shot， durability， safety

1 引言

2018年以來，各品牌電動汽車起火事故接連發(fā)生，國外電動汽車品牌特斯拉、國內造車新勢力代表蔚來均牽涉其中，新能源汽車快速發(fā)展背后危機重重。

調查顯示，特斯拉自燃車輛的動力電池曾遭遇托底。而據蔚來官方微博公布，蔚來自燃車輛在送修前底盤曾經遭受過嚴重撞擊，即發(fā)生托底，導致動力電池左后部外殼與冷卻板大面積變形，電池包內部結構在被擠壓的狀態(tài)下經過一段時間后形成短路，最終引發(fā)火情。

目前，行業(yè)內普遍采用整車刮底試驗和動力電池底部球擊試驗對電池系統(tǒng)進行托底安全性驗證，要求試驗后不起火不爆炸，動力電池的托底耐久性并沒有得到充分評估與保證。

2 托底

托底，是指汽車底盤零件與地面或地面的突起物發(fā)生接觸，汽車的底部受到撞擊。汽車過減速帶、撞擊路沿、上坡頂、走坑洼路以及壓過路面上的石頭或磚塊，都可能發(fā)生托底[1]。

圖1所示幾種托底事故較為常見，如果動力電池頻繁發(fā)生損壞或引發(fā)安全事故，會給消費者帶來損失與困擾，繼而會對公司品牌造成負面影響，因次，發(fā)生此類托底事故時，既要保證電池的安全性，不能出現起火爆炸現象，也要保證電池的托底耐久性，電池可以繼續(xù)使用，不能存在安全隱患。

對傳統(tǒng)燃油車，托底的危害主要是油底殼變形、排氣管變形、懸架部件變形和傳動機構損傷，通常不會對乘員造成人身傷害，因此，傳統(tǒng)燃油車的碰撞安全性能開發(fā)中一般不考慮托底工況，只是將托底作為氣囊標定的誤作用工況來研究[1]。

對電動汽車，動力電池布置在乘員艙的下方或者偏后方，電池底面不受車身結構的保護，是整個電池系統(tǒng)最薄弱的部分，托底的危害主要是剮蹭或撞擊動力電池，造成安全隱患[2]。一般而言，電動汽車比傳統(tǒng)燃油車更重，車身懸置壓縮量更大，整車離地間隙更小，更容易發(fā)生托底，而托底造成的損傷在電池底部，不易察覺，具有隱蔽性，有些托底事故雖然當時未發(fā)生起火，車輛還能繼續(xù)行駛，但電池包已嚴重變形，如果未及時發(fā)現處理，電芯和高壓器件持續(xù)處于擠壓狀態(tài)，電池包在一段時間后可能發(fā)生自燃[3]。

托底主要有兩種模式，一種是刮底模式，一種是撞底模式。刮底是指動力電池的前端和底部受到前后方向的剮蹭，載荷以水平方向為主，也有一些垂向成分，一般會造成電池前邊框和電池底殼前半部變形，嚴重時甚至會將電池殼體從前到后劃開。撞底是指動力電池底面受到向上的擠壓或撞擊，以垂直方向載荷為主，可使車輪一輪或多輪離地，通常會造成電池底殼垂向變形，嚴重時會將電池底殼頂穿后進而刺破內部電芯。通常情況下，撞底事故對電池包損傷更加嚴重。

3 電動汽車和動力電池托底安全測試與設計

3.1 托底安全測試

托底主要有刮底和撞底兩種模式，相應的，在電動汽車和動力電池設計過程中，整車企業(yè)和電池供應商一般采用整車刮底和電池包底部球擊兩個標準工況來模擬。

3.1.1 整車刮底試驗

在地面固定一金屬剛性塊，高度設置為與動力電池殼體下底面在Z向有30mm左右的重疊量。整車采用基準質量（整備+100kg），以不低于每小時30公里的速度駛過剛性塊。刮底試驗共進行三次，剛性塊分別對準電池包的左側、右側和中心線。要求試驗后電池包無爆炸、起火、析氣、冒煙、漏液等嚴重危險現象。

3.1.2 電池包底部球擊試驗

用直徑150mm的金屬球頭，以不高于 1mm/s的擠壓速度，擠壓電池包底部薄弱位置，擠壓力達到20kN或者測試對象對應車型滿載重量110%的載荷后（以最低值為準），停止擠壓并保持1min。

電芯/模組在測試過程中無外部短路、無內部短路，允許電芯/模組外形結構發(fā)生變形，但無危害現象產生。允許電池系統(tǒng)產生結構性能變化（如模組、固定結構、支架、連接排、箱體結構與原狀態(tài)比發(fā)生破損、斷裂;冷卻管路破壞除外），但無危害現象產生。測試后要求絕緣電阻值不小于500Ω/V。

3.2 托底安全設計

動力電池底面不受車身結構的保護，在整車刮底和底部球擊工況下，容易發(fā)生較大變形并產生危害現象，為滿足工況考察指標要求以及整包輕量化要求，可以考慮增加電池包防護梁和底護板[4]。

3.2.1 電池包防護梁設計

整車刮底工況導致的電池包損傷主要集中在電池包前部區(qū)域。在動力電池包前布置一道防護梁（防護梁安裝在車身上，其最下緣比電池包底面低10mm以上，與電池包前端的X向距離控制在100-150mm左右），能夠有效保護電池。防護梁有圓管截面、矩形截面、三角形截面和平板型等多種形式，其中圓管梁工藝簡單，成本低廉，剛強度好，應當是電池包防護梁的首選[3]。

3.2.2 電池包底護板設計

整車刮底和撞底工況下，電池底面都有可能損壞，增加底護板是非常有效的防護手段。

底護板一般采用1.2mm左右厚度的鋼板或者2mm左右厚度的鋁板，需要涂裝防石擊涂層，也可采用非金屬材料，如玻纖復合材料，料厚通常需要在3mm以上。為保證防護效果和整車NVH對底護板模態(tài)的要求，還需要在底護板上設計合理的加強筋，且底護板兩側和前后都應有固定點，中部還應有不低于4個的固定點與電池底殼相連接[4]。此外，底護板與電池包之間需安裝密封圈以滿足IPX7水密要求，否則底護板應設計多個泄水孔，以保證在涉水工況下底護板不發(fā)生破壞[1]。

4 試驗改進建議

文中所述的整車刮底試驗和動力電池底部球擊試驗，都是要求試驗后電池系統(tǒng)無爆炸、起火、析氣、冒煙、漏液等嚴重危險現象出現，這只是對電池系統(tǒng)進行了托底安全性驗證與要求，而電池的托底耐久性并沒有得到充分評估與保證。從用戶角度出發(fā)，發(fā)生輕微托底事故時，既要保證動力電池的安全性，不能出現起火爆炸現象，也要保證動力電池的托底耐久性，電池要可以繼續(xù)使用，不能存在安全隱患。

4.1 評價指標優(yōu)化

對常見的、較為輕微的托底事故作為耐久工況保護，建議將整車刮底和電池包底部球擊工況的考察指標設定如下：

a）加載后電池包殼體結構不破碎、無可見裂紋。

b）電池包殼體無明顯變形（建議加載過程中殼體最大侵入量小于25mm，卸載后殼體永久變形量小于3mm）。

c）內部冷卻系統(tǒng)和管線、插接件和芯體等無損傷。

d）動力電池功能正常，可繼續(xù)使用。

4.2 底部球擊試驗方法改進

4.2.1 準靜態(tài)加載

準靜態(tài)加載是目前行業(yè)內普遍采用的試驗方法，雖然不同廠家的評價指標各有差異，但基本類似，一般采用直徑150mm的金屬球頭，以不高于1mm/s的擠壓速度[5]，擠壓電池包底部薄弱位置，當擠壓力達到20kN或者其它廠家設定的值時，停止擠壓。

建議在當前基礎上，增加擠壓球頭位移限制：采用直徑150mm的金屬球頭，以不高于1mm/s的擠壓速度，擠壓電池包底部薄弱位置，當擠壓力達到20kN時，停止擠壓，或者當金屬球頭位移量超過25mm時，停止擠壓[6]，此時應判定試驗不合格。

改進后的試驗方法對動力電池的底面剛度提出明確要求，對電池底面達到一定承載力時的變形量加以約束。

4.2.2 剛性球沖擊加載

準靜態(tài)加載試驗方法簡單，可重復性強，但與實際托底事故有較大差異。實際托底事故以刮底和撞底為主，而通常撞底事故對電池包損害更大，因此，建議電池包底部球擊試驗由準靜態(tài)加載改為剛性球沖擊加載。

另外，汽車發(fā)生托底時，動力電池不同部位被撞擊的概率不同，如圖9示意，A區(qū)被撞擊的可能性較小，B區(qū)被撞擊的可能性較大，C區(qū)和D區(qū)最容易被撞擊（本圖僅為示意圖，根據被撞擊概率的不同進行區(qū)域劃分，需要以大量的事故統(tǒng)計作為基礎）。建議根據不同區(qū)域被撞擊的概率不同，制定不同的試驗方法和評價標準。

剛性球沖擊加載具體試驗方法是，使用一個直徑150mm，質量10kg的剛性球，以初速度V0和撞擊角度α，撞擊電池包底部，對不同的區(qū)域，如表1所示，撞擊能量、初速度、撞擊角度各不相同。

5 結論

常規(guī)托底事故較為常見，發(fā)生事故時，既要保證電池的安全性，不能出現起火爆炸現象，也要保證電池的托底耐久性，電池可以繼續(xù)使用。為此，在設計環(huán)節(jié)，可考慮增加電池包防護梁和底護板，加強電池包底部安全防護;在測試環(huán)節(jié)，建議探索使用剛性球沖擊試驗代替現行底部球擊試驗，同時增加球頭位移限制，對電池底面達到一定承載力時的變形量加以約束。

基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFB0102103）。

參考文獻：

[1]王朋波.純電動汽車托底工況與動力電池防護.模態(tài)空間，2018.

[2]劉金. 碰撞工況下汽車動力電池包動力學響應分析及安全評價[D]. 廣東：華南理工大學碩士論文，2019.

[3]賈麗娜.某電動汽車電池包結構安全性分析及優(yōu)化[D]. 黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學碩士論文，2019.

[4]劉元強. 純電動汽車電池包結構設計及特性研究[D]. 江蘇：東南大學碩士論文，2017.

[5]馮富春，楊重科，李彥良等. 某電動汽車電池包擠壓仿真分析[J]. 電源世界，2017，33-36.

[6] 賈迎龍，吳文娟，熊飛等.某電動汽車動力電池擠壓仿真與試驗[J].新能源汽車，2019，14-17.