基于交通事故統(tǒng)計(jì)的電池包底部碰撞研究*

王 月，辛鵬程，周大永，李 鋼，唐 莉，王鵬翔

（吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波315336）

前言

隨著新能源汽車銷量快速增長(zhǎng)，相關(guān)的新能源車起火事件層出不窮，已成為國(guó)家和社會(huì)的焦點(diǎn)［1-2］。在《汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》以及《中國(guó)制造2025》的指引下，我國(guó)新能源汽車戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃也日臻完善。新形勢(shì)下，必須加強(qiáng)電動(dòng)汽車安全測(cè)試技術(shù)研究，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行全面、合理的安全測(cè)試，從而更好地提升電動(dòng)汽車的安全性能。國(guó)內(nèi)各企業(yè)和高校已有不少研究成果：2020年3月，比亞迪推出了刀片電池［3］，在公布的針刺穿透測(cè)試視頻中，無(wú)明火現(xiàn)象，且穿透后電池表面溫度僅有30~60℃，意味著當(dāng)汽車遭受異物侵入，并傷及電池時(shí)，不會(huì)發(fā)生爆炸現(xiàn)象，可以有效地保護(hù)車內(nèi)人員的安全。清華大學(xué)夏勇團(tuán)隊(duì)［4-5］研究了商用鋰離子電池組件在不同沖擊載荷條件下的力學(xué)響應(yīng)，以及撞擊后熱逃逸的可能性。分析了不同加載條件下模塊的機(jī)械、電氣和熱響應(yīng)，并指出沿Z方向（電芯堆疊方向）的碰撞是相當(dāng)危險(xiǎn)的，由于產(chǎn)生的熱量不能有效釋放，極易形成火災(zāi)和煙霧。

然而，電動(dòng)汽車的實(shí)際使用過(guò)程中，底部濫用防護(hù)也是十分重要的。在車輪掠過(guò)有凹坑、凸起物或者石頭路面等工況下，如圖1所示，純電動(dòng)車底部極易受到撞擊和剮蹭。同時(shí)底部濫用造成的損傷在電池底部，具有隱蔽性，甚至有些事故雖然在當(dāng)時(shí)未發(fā)生短路起火，但后續(xù)安全性無(wú)法保證［7-12］。本文中以交通事故統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，提出了電池包底部碰撞的兩種典型工況，即：托底（下稱向上撞擊）和水平撞擊工況，分析研究了不同工況撞擊對(duì)電池包的損傷情況。

圖1 不同路況示意

1 交通事故分析及工況定義

基于中國(guó)交通事故深入調(diào)查（China in-depth accident study，CIDAS）數(shù)據(jù)庫(kù)、售后反饋及網(wǎng)絡(luò)報(bào)道等來(lái)源對(duì)電動(dòng)乘用車底部碰撞案例進(jìn)行分析，可將底部碰撞歸納為以下幾種：①撞擊固定障礙物；②向上撞擊；③撞到非固定障礙物且障礙物隨之撞到車輛底部；④其他，如車輛發(fā)生翻滾、墜落等底部撞到障礙物。針對(duì)這幾類事故統(tǒng)計(jì)如圖2所示，發(fā)現(xiàn)向上撞擊事故占比較多，約46%，其次為非固定障礙物，占比22%，再次為固定障礙物，占比13%，而其他無(wú)法歸類的事故匯總占比19%，包含翻滾、墜落、多次撞擊等。

圖2 事故統(tǒng)計(jì)分類及占比

向上撞擊即動(dòng)力電池底面受到向上的擠壓或撞擊，該種工況載荷以垂直方向?yàn)橹鳎管囕喼g存在高度差，如圖3所示，該類場(chǎng)景最常見的情形就是上下路肩，在障礙物與電池包底部發(fā)生撞擊時(shí)，電池包受到Z向的沖擊，通常會(huì)造成電池底殼垂向變形。

圖3 向上撞擊和接觸點(diǎn)沖擊速度示意

《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》立緣石當(dāng)設(shè)置在中間分隔帶、兩側(cè)分隔帶時(shí)，外露高度150~200 mm；當(dāng)設(shè)置在路側(cè)帶兩側(cè)時(shí)，外露高度為100~150 mm。施工誤差要求是±1 cm。

車輛撞到非固定障礙物且障礙物隨之撞到車輛底部的場(chǎng)景類似于動(dòng)態(tài)球擊或穿刺的情況，如圖4所示。該種工況存在相對(duì)垂直向上的沖擊速度，通常會(huì)造成電池底殼局部變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)唐苾?nèi)部芯體引發(fā)熱失控。

圖4 動(dòng)態(tài)球擊/穿刺示意

上述兩種工況對(duì)電池包造成損傷的主要是由于Z向的沖擊造成的，考慮到實(shí)際工況復(fù)現(xiàn)的可行性等因素，將其統(tǒng)一定義成向上撞擊工況進(jìn)行分析研究。結(jié)合不同實(shí)際場(chǎng)景，可以考慮用不同的地面障礙物（下簡(jiǎn)稱地障）形式、臺(tái)階高度等因素來(lái)復(fù)現(xiàn)實(shí)際問(wèn)題。

電池包被刮擦常見于路面凸起障礙物對(duì)車輛電池底板的刮蹭，該類型碰撞存在一個(gè)水平方向的速度，在經(jīng)過(guò)固定的樁或柱時(shí)異物與電池包發(fā)生碰撞，如圖5所示。此種工況下最大的風(fēng)險(xiǎn)是電池包前部被刮蹭到，從事故統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，障礙物高度一般在150~250 mm之間，如圖6所示；速度主要集中在20~50 km/h，即5~13 m/s，如圖7所示。

圖5 水平撞擊示意

圖6 障礙物高度統(tǒng)計(jì)

圖7 車輛行駛速度統(tǒng)計(jì)

從圖8可以看出，障礙物多數(shù)為剛性材料或類似剛性材料，如路肩石、路面、井蓋等。因此分析研究可定義為剛性材料。

圖8 障礙物類型統(tǒng)計(jì)

基于以上分析，將造成電池包受損的工況主要定義為以下兩種，即向上撞擊工況和水平撞擊工況，各參數(shù)見表1。

表1 不同工況參數(shù)定義

2 仿真分析研究

基于對(duì)實(shí)際事故調(diào)研結(jié)果，將事故場(chǎng)景轉(zhuǎn)化成可分析的工況，對(duì)不同類型工況進(jìn)行仿真分析。本研究選取一款轎車進(jìn)行分析研究，其電池包的布置形式如圖9所示。電池包固定在底板下部，且固定點(diǎn)位于地板下縱梁上，電池包前部靠近中通道前部；在副車架與電池包之間位置設(shè)計(jì)有防護(hù)橫梁結(jié)構(gòu)。

圖9 電池包布置示意

2.1 向上撞擊工況仿真分析

由于碰撞分析中很難直接分析車輛不同時(shí)刻速度與車輛姿態(tài)的變化，因此在碰撞分析之前首先基于動(dòng)力學(xué)分析確定在向上撞擊工況中車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與電池包受損嚴(yán)重的工況。

基于事故調(diào)研結(jié)果設(shè)定仿真分析相關(guān)參數(shù)，選取臺(tái)階高度150和200 mm分別進(jìn)行分析，試驗(yàn)速度為20和25 km/h，采用同一種障礙物進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，如圖10所示，研究不同臺(tái)階高度與速度對(duì)電池包的影響。分析結(jié)果如表2所示，在速度20 km/h、臺(tái)階高度200 mm時(shí)，對(duì)電池包底部的刮擦最為嚴(yán)重，此時(shí)Z向速度為1.1 m/s，電池包侵入量為30 mm，而臺(tái)階高度為150 mm時(shí)，電池包接觸時(shí)刻的速度為0.67 m/s，電池包的侵入量為7 mm，變形量相對(duì)較小。速度更高時(shí)，車輛將從地障上面越過(guò)，不會(huì)對(duì)電池包底部造成損傷。

表2 某車型分析結(jié)果對(duì)比

圖10 動(dòng)力學(xué)分析示意

將動(dòng)力學(xué)分析中確定的損傷嚴(yán)重工況的車輛運(yùn)動(dòng)姿態(tài)結(jié)果輸入到碰撞分析模型中進(jìn)行碰撞仿真分析，如圖11所示，確定在此工況中電池包底部受到的損傷情況，同時(shí)研究不同地障對(duì)損傷情況的影響，設(shè)計(jì)的幾種地障形狀如圖12所示，有立方體、長(zhǎng)方體、蘑菇頭、半球頭和錐體等。

圖11 碰撞分析示意

圖12 不同形狀地障示意

對(duì)不同形狀地障撞擊進(jìn)行分析的結(jié)果對(duì)比如表3所示，在電池包底部不出現(xiàn)失效的情況下半球頭的底部侵入相對(duì)較大，其中下殼體的侵入量為21 mm，冷卻水道侵入量為4 mm，侵入情況如圖13所示。而錐體與電池包撞擊后會(huì)直接導(dǎo)致電池包底部殼體失效，直接影響到電池包的性能，如圖14所示。

圖13 半球頭底部侵入情況

圖14 錐體侵入情況

表3 不同形狀地障撞擊結(jié)果對(duì)比 mm

2.2 水平撞擊仿真分析

基于事故分析結(jié)果，電池包底部受到水平撞擊，撞擊物一般為圓柱或突起，會(huì)對(duì)車輛底部造成明顯損壞的場(chǎng)景，結(jié)合事故分析結(jié)果碰撞速度選擇30 km/h，碰撞物與電池包重疊量30 mm，障礙物形狀為半球頭，球頭直徑150 mm。圖15為仿真分析模型示意，分析結(jié)果如圖16所示。該車型在電池包前部設(shè)計(jì)有橫向的防護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)最小離地高度位于副車架位置，因此發(fā)生底部刮擦，副車架與電池包的防護(hù)結(jié)構(gòu)可以很好地起到緩沖作用，因此損傷較大的位置在副車架區(qū)域；電池包前部受到輕微磕碰變形。

圖15 水平撞擊工況分析示意

圖16 水平撞擊工況變形情況示意

圖17 為水平撞擊工況的受力情況。由圖可見：第1個(gè)峰值是地障與動(dòng)力總成接觸而產(chǎn)生，但由于動(dòng)力總成與地障的Z向重疊量較小，因此產(chǎn)生的接觸力也較低；第2個(gè)峰值是地障與副車架的接觸而產(chǎn)生，由于副車架是整車的最小離地間隙位置，因此地障與副車架的重疊量較大，因此產(chǎn)生了較大的撞擊力，約55 kN；第3個(gè)峰值主要是地障與防護(hù)橫梁和電池包前部的接觸而產(chǎn)生，力值為35 kN。

圖17 水平撞擊工況受力情況

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：此種工況電池包受到的損傷情況與車輛的最小離地高度位置和電池包前部是否設(shè)計(jì)有防護(hù)結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此，安全的設(shè)計(jì)方案如下：

（1）總布置時(shí)，電池包不應(yīng)處在車輛的最低點(diǎn)，萬(wàn)一別無(wú)選擇時(shí)，應(yīng)在電池包前部設(shè)計(jì)有防護(hù)結(jié)構(gòu)，在水平撞擊中防護(hù)結(jié)構(gòu)可以阻斷障礙物對(duì)電池包的直接撞擊，同時(shí)發(fā)生撞擊后，使得車輛有騰空的動(dòng)作，可以減小對(duì)電池包的直接撞擊；

（2）建議副車架本體與電池包之間設(shè)計(jì)有高度差，建議大于10 mm。因?yàn)楦避嚰鼙倔w結(jié)構(gòu)較強(qiáng)，可以很好地抵擋水平的直接撞擊；

（3）冷卻密封結(jié)構(gòu)不得布置在電池包的前部位置，如圖18所示，如必須設(shè)計(jì)在前部須設(shè)計(jì)有保護(hù)結(jié)構(gòu)；

圖18 冷卻密封布置在前部示意

（4）為避免向上撞擊對(duì)內(nèi)部電芯造成損傷，電池包底板宜設(shè)計(jì)成帶型腔的結(jié)構(gòu)，如圖19所示。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)實(shí)際事故調(diào)研結(jié)果總結(jié)出造成電池包底部損傷的典型工況：①撞擊固定障礙物；②向上撞擊；③撞到非固定障礙物且障礙物隨之撞到車輛底部。

（2）分析表明：造成電池包底部損傷的工況可歸結(jié)為兩種，即向上撞擊和水平撞擊兩種工況。

（3）不同工況分析結(jié)果表明：在向上撞擊工況中不同地障對(duì)電池?fù)p傷程度存在較大差異，其中錐體地障可直接導(dǎo)致底殼失效；在不失效的條件下，半球頭的損傷較為嚴(yán)重；說(shuō)明水平撞擊工況中整車最小離地間隙位置和電池包前部防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)該工況有重大影響。