電動(dòng)汽車(chē)正面刮底工況設(shè)計(jì)及電池包防護(hù)優(yōu)化分析

王國(guó)杰，余海龍，何恩澤，李 潔

（1.汽車(chē)噪聲振動(dòng)和安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 401122；2.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.重慶長(zhǎng)安汽車(chē)股份有限公司，重慶 400023）

電池包作為整車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)整體運(yùn)行的性能及安全性有著十分重要的意義。電動(dòng)汽車(chē)電池包攜帶能量高，布置位置一般位于車(chē)輛底部，且受到乘坐空間或續(xù)駛里程的影響，電池包設(shè)計(jì)為車(chē)輛最低點(diǎn)，因此，在車(chē)輛行駛過(guò)程中易受到路面凸起障礙的撞擊而發(fā)生電安全問(wèn)題。以電動(dòng)汽車(chē)底部碰撞為例，碰撞并不會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生足以直接損傷乘員的加速度或變形，但是會(huì)造成電池包局部巨大變形引起高壓回路短路，從而產(chǎn)生急劇溫升，并最終引發(fā)火災(zāi)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者圍繞電動(dòng)汽車(chē)電池包問(wèn)題展開(kāi)了一系列的研究與探索。CHEN等對(duì)電池包的鋁合金材料進(jìn)行了碰撞分析模擬了電池組的失效過(guò)程。某課題組對(duì)單個(gè)電池包進(jìn)行了正面，后面，側(cè)面的碰撞試驗(yàn)分析，基于以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究人員開(kāi)發(fā)了一種計(jì)算機(jī)模型用于模擬電池在不同碰撞工況下如何變形和短路。HU等研究了電池包在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和動(dòng)態(tài)碰撞條件下的失效行為，結(jié)果表明，電池包的變形與單個(gè)電池有很大的關(guān)系。蘭鳳崇等通過(guò)建立電池包內(nèi)部精細(xì)化結(jié)構(gòu)模型，探討了電池包在碰撞過(guò)程中箱體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形與響應(yīng)規(guī)律。周飛通過(guò)對(duì)整車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，增加相應(yīng)的電池包防護(hù)裝置，避免了電池包托底。目前的研究基本是針對(duì)電池包結(jié)構(gòu)和材料的研究，并沒(méi)有結(jié)合任何法規(guī)對(duì)底部電池包正面刮底碰撞工況進(jìn)行研究與分析。同時(shí)，目前法規(guī)和行業(yè)也并未發(fā)布任何關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)正面刮底碰撞工況的標(biāo)準(zhǔn)。

按照電動(dòng)汽車(chē)電池包與障礙物的碰撞位置不同，將電動(dòng)汽車(chē)底部碰撞分為正面刮底、側(cè)面刮底、尾部刮底、底部托底。目前常見(jiàn)的正面刮底工況有過(guò)臺(tái)階、過(guò)枕木、過(guò)駝峰路等，上述工況易對(duì)電池包底部產(chǎn)生刮擦損傷。本文通過(guò)對(duì)不同的正面刮底工況進(jìn)行試驗(yàn)與仿真分析，根據(jù)結(jié)果將電動(dòng)汽車(chē)底部碰撞中的正面刮底工況作為主要研究對(duì)象。旨在為建立一種電動(dòng)汽車(chē)專(zhuān)有底部碰撞安全評(píng)價(jià)工況提供借鑒，為進(jìn)一步完善電動(dòng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)汽車(chē)電池包防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、提升電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全水平和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供重要借鑒和參考。

1 電池包正面刮底碰撞工況研究

1.1 底部碰撞交通事故案例數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

據(jù)相關(guān)媒體報(bào)道，2013年10月，某品牌電動(dòng)汽車(chē)撞上道路金屬物體導(dǎo)致著火；2013年11月，某品牌電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)撞上道路金屬桿起火；2016年10月，某品牌電動(dòng)汽車(chē)行駛時(shí)底盤(pán)被下水道鐵網(wǎng)穿刺；2019年4月，某品牌電動(dòng)汽車(chē)底盤(pán)受?chē)?yán)重碰撞發(fā)生自燃；2019年8月，行駛中的某品牌電動(dòng)汽車(chē)因底盤(pán)遭受?chē)?yán)重撞擊發(fā)生自燃；2020年2月，某品牌電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)汽車(chē)因電池包底部受異物撞擊發(fā)生自燃。

以上數(shù)據(jù)只是較為嚴(yán)重的電動(dòng)汽車(chē)底部碰撞情況列舉，并不全面。但是對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)底部碰撞工況的研究與標(biāo)準(zhǔn)制定也需要相關(guān)從業(yè)者關(guān)注，下面將對(duì)底部碰撞中發(fā)生頻率較高的正面刮底碰撞工況進(jìn)行介紹。

1.2 正面刮底碰撞工況壁障設(shè)計(jì)

正面刮底碰撞工況的一個(gè)重要的邊界條件是障礙物，即壁障。壁障的設(shè)計(jì)主要涉及外形尺寸與定位尺寸。

外形尺寸的重要部位設(shè)計(jì)包括接觸側(cè)設(shè)計(jì)和頂面設(shè)計(jì)。參考GB 38031—2020《電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池安全要求》中對(duì)電池單體、電池包或系統(tǒng)進(jìn)行擠壓試驗(yàn)的擠壓板形狀，將正面刮底碰撞工況壁障與電池包接觸一側(cè)設(shè)計(jì)為半徑為75 mm的圓柱面?？紤]到有些車(chē)輛在電池包前方有防護(hù)結(jié)構(gòu)，將壁障頂面設(shè)計(jì)為與水平呈10°角，防止壁障長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)壁障頂起防護(hù)結(jié)構(gòu)而無(wú)法撞到電池包的情況。

定位尺寸包括壁障方向定位尺寸和壁障與電池包在向重疊定位尺寸。根據(jù)對(duì)大量不同車(chē)型整理知電池包寬度尺寸（方向長(zhǎng)度）在840～1 500 mm，電動(dòng)汽車(chē)電池包模組與底面向距離在10～25 mm?？紤]到電池包中心對(duì)稱(chēng)平面位置（0位置）、±1/4寬度位置均能被撞擊到，將壁障設(shè)置為3個(gè)可調(diào)整位置，同時(shí)，為保證正面刮底工況的通用性，將壁障與電池包在向重疊設(shè)定為25 mm。根據(jù)多個(gè)不同電池包寬度尺寸參考，壁障設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 壁障示意圖

當(dāng)壁障位于-1/4位置時(shí)，不論電池包采用355模組，還是590模組，壁障均可與模組在向有重疊，如圖2所示。

圖2 壁障與不同模組y向位置關(guān)系示意圖

將上述所設(shè)計(jì)的正面刮底工況壁障進(jìn)行強(qiáng)度仿真分析，應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示，結(jié)果顯示強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

圖3 壁障工裝應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

1.3 正面刮底碰撞工況速度設(shè)計(jì)

目前的電動(dòng)汽車(chē)電池包布置存在以下特點(diǎn)：對(duì)于傳統(tǒng)車(chē)改電動(dòng)汽車(chē)，電池包底部均為車(chē)輛最低點(diǎn)，副車(chē)架比電池包底部在向一般高20 mm以上，但SUV車(chē)型副車(chē)架與電池包底部之間的高度差比轎車(chē)?。粚?duì)于純電動(dòng)平臺(tái)，電池包底部與前方副車(chē)架在向的高度差更小，對(duì)電池包的防護(hù)相對(duì)更好。

通過(guò)對(duì)電池包前端無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)車(chē)型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示速度越高，電池包損傷程度也越高。正面刮底碰撞仿真分析如圖4所示。

圖4 電池包前端無(wú)防護(hù)結(jié)構(gòu)正面刮底工況分析

考慮到工況對(duì)不同電動(dòng)汽車(chē)型的適應(yīng)性，最終選擇了電池包前端無(wú)防護(hù)的車(chē)型進(jìn)行正面刮底碰撞方案設(shè)計(jì)的分析。對(duì)上述車(chē)型開(kāi)展15～50 km/h的正面刮底工況仿真分析，對(duì)電池箱體破損情況、模組變形、模組應(yīng)力、電池包內(nèi)能等進(jìn)行記錄，結(jié)果如圖5～9所示。通過(guò)比較得出：不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下，對(duì)應(yīng)的最嚴(yán)苛速度不同。

圖5 電池箱體破損情況

圖6 模組x向位移云圖

圖7 模組z向位移云圖

圖8 卷芯應(yīng)力云圖

圖9 電池包內(nèi)能-變形曲線(xiàn)

為了篩選出最嚴(yán)厲的速度工況，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)合開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行重要度排序，并根據(jù)各零部件、結(jié)構(gòu)件重要度制定評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其打分。重要度分配原則：卷芯為儲(chǔ)能裝置，其內(nèi)短路指標(biāo)最重要；向變形代表向電池包內(nèi)的侵入，比向變形更重要；電池包內(nèi)能體現(xiàn)電池包整體變形情況，相對(duì)比向變形重要。重要程度排序?yàn)椋?號(hào)模組卷芯應(yīng)力＞1號(hào)模組向變形＞電池包內(nèi)能＞1號(hào)模組向變形＞整車(chē)向向下最大位移＞水冷板向變形＞水冷板塑性應(yīng)變＞水冷板向變形，并將其型號(hào)依次排號(hào)為1-8。根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)值大小對(duì)各工況的打分情況見(jiàn)表1，數(shù)值越大，得分越高，數(shù)值相同，則按最低的得分進(jìn)行分配。

表1 不同速度下對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)情況

各工況最終得分見(jiàn)表2，由以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，以30 km/h作為速度邊界得分最高，其對(duì)電池包綜合損傷最高，因此，選擇30 km/h作為正面刮底碰撞工況的速度邊界。

表2 不同速度下得分表

2 無(wú)防護(hù)電池包正面刮底仿真及試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 仿真條件設(shè)置

根據(jù)電池包正面刮底碰撞工況研究結(jié)果，將仿真速度設(shè)置為30 km/h，電池包前端向與剛性壁障重疊距離為25 mm，撞擊位置為電池包橫向中心。由于電池包刮底工況仿真時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到仿真模型復(fù)雜程度，采用電池包單體進(jìn)行仿真來(lái)復(fù)現(xiàn)電池包在整車(chē)碰撞中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。將車(chē)身與底盤(pán)部分簡(jiǎn)化成一個(gè)質(zhì)量點(diǎn)，質(zhì)量大小、質(zhì)心位置匹配到半載狀態(tài)，電池包模型賦予實(shí)物同等質(zhì)量、質(zhì)心。仿真邊界設(shè)置如圖10所示。

圖10 仿真邊界設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果分析

電池包在0 ms以30 km/h速度、25 mm重疊量撞向圓柱面半徑為75 mm的剛性刮底壁障，30 ms電池包前端與剛性圓柱面接觸，由于該電池包前端未有任何防護(hù)設(shè)計(jì)方案，80 ms電池包在圓柱面擠壓作用下塑性變形嚴(yán)重。120 ms時(shí)刻電池包下端面與剛性圓柱面接觸，電池包下端變形較大，有擠壓內(nèi)部模組的風(fēng)險(xiǎn)。電池包仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)如圖11所示。

圖11 電池包正面刮底仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)

2.3 試驗(yàn)條件設(shè)置

根據(jù)電池包正面刮底碰撞工況研究結(jié)果，將試驗(yàn)速度設(shè)置為30 km/h，重疊率為25 mm，撞擊位置為電池包橫向中心。車(chē)輛質(zhì)量為半載狀態(tài)，車(chē)輛其他試驗(yàn)參數(shù)參照GB 11551—2014《汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》進(jìn)行車(chē)輛電池包正面刮底碰撞試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)設(shè)置

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

測(cè)試車(chē)輛副車(chē)架離地高度較電池包底部離地高度高差超過(guò)40 mm。由于試驗(yàn)重疊率設(shè)置為25 mm，所以試驗(yàn)時(shí)電池包底部與壁障直接撞擊，使電池包底部前端殼體直接撞裂，整個(gè)電池包密封失效，電池包底部產(chǎn)生大約1 m長(zhǎng)的波點(diǎn)劃痕，劃痕深度從電池包底前部至尾部由4 mm逐漸降低至0 mm。同時(shí)，高壓母線(xiàn)輸出端接頭裂開(kāi)，高壓母線(xiàn)輸出端接頭二次鎖失效，整車(chē)高壓線(xiàn)路存在較大絕緣風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)后整車(chē)高壓未下電，電池包未產(chǎn)生溫升，起火、冒煙現(xiàn)象，電池包向加速度最大為185.22 m/s（見(jiàn)圖13曲線(xiàn)A），車(chē)輛未提示相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。

圖13 三次試驗(yàn)電池包加速度對(duì)比圖

3 優(yōu)化方案

3.1 刮底防護(hù)優(yōu)化實(shí)例

方案一：設(shè)計(jì)防撞擋桿或降低前機(jī)艙底部結(jié)構(gòu)件離地高度。

圖14 電池包刮底試驗(yàn)后的照片

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，得出電池包底部為整車(chē)通過(guò)最低點(diǎn)，且前機(jī)艙副車(chē)架比電池包底部向高度超出40 mm，導(dǎo)致在行駛方向上電池包直接與壁障碰撞。因此，在汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)可增加防撞桿或減少前機(jī)艙底部結(jié)構(gòu)件與電池包底部離地高差，當(dāng)車(chē)輛在行駛過(guò)程中出現(xiàn)正面刮底工況時(shí)，可使防撞桿或前機(jī)艙底部結(jié)構(gòu)件可預(yù)先與障礙物產(chǎn)生碰撞，降低電池包與障礙物發(fā)生碰撞時(shí)的能量，減輕電池包所受的損傷。

方案二：設(shè)計(jì)碰撞導(dǎo)向支架。

在電池包前部安裝位置設(shè)計(jì)楔形碰撞導(dǎo)向支架，該導(dǎo)向支架可在電池包與障礙物碰撞時(shí)將向的撞擊力逐漸轉(zhuǎn)化成向的舉升力，同時(shí)結(jié)合懸架作用，使整車(chē)順利通過(guò)障礙物。

3.2 刮底防護(hù)優(yōu)化分析

方案一：在零部件仿真邊界設(shè)置中，電池包前端增加一防撞桿，防撞桿選取與實(shí)際車(chē)型副車(chē)架相同厚度與材料牌號(hào)，防撞桿結(jié)構(gòu)半徑與試驗(yàn)車(chē)輛副車(chē)架撞擊點(diǎn)曲率半徑保持一致，仿真結(jié)果如圖15～16所示。結(jié)果表明，當(dāng)防撞桿首先與剛性壁障接觸，能顯著降低電池包整體碰撞速度，也使后續(xù)電池包與壁障的碰撞強(qiáng)度顯著降低。圖15以電池包上蓋板速度云圖為例，展示出在整個(gè)碰撞歷程中，上蓋板由初速度30 km/h撞擊防撞桿，卸載后速度降為5～6 km/h，電池包撞擊壁障時(shí)能量大幅降低，極大程度地降低了電池包的損傷情況。

圖15 上蓋板碰撞過(guò)程速度云圖

方案二：電池包在0 ms以30 km/h速度，25 mm重疊量撞向圓柱面半徑為75 mm的剛性刮底壁障，30 ms電池包的前端結(jié)構(gòu)與剛性壁障接觸，并相互發(fā)生擠壓作用，碰撞載荷由于導(dǎo)向支架的作用在向有分量，致使電池包整體有了較大的向位移，也使電池包從剛性壁障上劃過(guò)去，降低了電池包內(nèi)部模組結(jié)構(gòu)與剛性壁障接觸的可能性。

仿真結(jié)果初步證明：設(shè)計(jì)防撞擋桿和電池包前端楔形導(dǎo)向支架對(duì)于降低電池包在正面刮底工況中的風(fēng)險(xiǎn)有明顯作用。

圖16 撞擊楔形塊仿真動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

3.3 刮底防護(hù)優(yōu)化驗(yàn)證

方案一：本次試驗(yàn)安裝副車(chē)架離地間隙與電池包離地間隙相同，其他車(chē)輛參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)不變。正面刮底試驗(yàn)過(guò)程顯示車(chē)輛副車(chē)架與壁障先發(fā)生撞擊，壁障將車(chē)輛頂起，然后電池包與壁障產(chǎn)生刮蹭，壁障從電池包底部刮過(guò)，如圖17～18所示。

圖17 試驗(yàn)后副車(chē)架照片

試驗(yàn)結(jié)果顯示電池包底部最大侵入量為1.5 mm，電池包密封性完好，高壓母線(xiàn)輸出接頭無(wú)破損，整車(chē)未產(chǎn)生溫升。電池包向加速度最大為109.76 m/s（圖13曲線(xiàn)B），與未降低副車(chē)架與電池包離地高差之前相比減少幅度為40.7%，此次試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案可極大程度地降低電池包的損傷。

圖18 試驗(yàn)后電池照片

方案二：本次試驗(yàn)壁障撞擊電池包左側(cè)楔形導(dǎo)向支架處，車(chē)輛其他參數(shù)與試驗(yàn)參數(shù)不變。正面刮底試驗(yàn)過(guò)程顯示電池包楔形導(dǎo)向支架與壁障撞擊后，因?qū)蛑Ъ芘鲎矊?dǎo)向作用，壁障逐漸將電池包頂起，使電池包從壁障底部滑過(guò)，電池包僅有較淺劃痕，并未產(chǎn)生變形。

試驗(yàn)結(jié)果顯示電池包加速度為87.22 m/s（圖13曲線(xiàn)C），與未安裝導(dǎo)向支架之前相比減少幅度為52.9%，此次試驗(yàn)驗(yàn)證了楔形安裝支架極大地降低了電池包所受的沖擊能量，減少了電池包的損傷。

圖19 試驗(yàn)后電池包底部照片

4 結(jié)論

（1）電池包前端未有任何防護(hù)設(shè)計(jì)方案，仿真中80 ms時(shí)刻電池包在圓柱面擠壓作用下塑性變形嚴(yán)重；120 ms時(shí)刻電池包下端面與剛性圓柱面接觸，電池包下端變形較大，有擠壓內(nèi)部模組風(fēng)險(xiǎn)。

（2）試驗(yàn)時(shí)電池包底部與壁障直接撞擊，使電池包底部前端殼體撞裂，整個(gè)電池包密封失效，同時(shí)，高壓母線(xiàn)輸出端接頭裂開(kāi)，高壓母線(xiàn)輸出端接頭二次鎖失效，整車(chē)高壓線(xiàn)路存在較大絕緣風(fēng)險(xiǎn)。

（3）通過(guò)仿真與試驗(yàn)結(jié)果，提出了兩種電池包防護(hù)優(yōu)化方案。第一，設(shè)計(jì)防撞擋桿或降低前機(jī)艙底部結(jié)構(gòu)件離地高度，使刮底時(shí)擋桿或結(jié)構(gòu)件承受部分沖擊，電池包向加速度較之前減少40.7%。第二，設(shè)計(jì)碰撞導(dǎo)向安裝支架，電池包加速度較之前減少為52.9%。

本文為進(jìn)一步完善電動(dòng)汽車(chē)碰撞試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、電動(dòng)汽車(chē)電池包防護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、提升電動(dòng)汽車(chē)碰撞安全水平和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供了重要借鑒和參考。