电动汽车动力电池碰撞安全设计方法研究

摘要

文章结合国内外汽车法规及新车评价规程，研究了不同碰撞工况对某款电动汽车动力电池的损伤影响。研究发现，在侧面斜柱碰工况下，电池模组容易受到挤压，动力电池系统发生短路、漏液及起火的风险较大; 同时，通过对某款电动汽车在斜柱碰工况下电安全防护设计的研究，提出一种基于电池模组损伤容限的动力电池防护设计方法，该方法有利于车辆的轻量化开发，可降低电动汽车能耗及整车物料成本。

关键词：动力电池、损伤容限、碰撞安全设计方法、轻量化、电动汽车

作者：胡海涛、郭凤骏
单位：上海汽车集团股份有限公司技术中心

近年来，电动汽车迅猛发展，由此带来的安全事故逐年递增，严重威胁着社会公众的人身财产安全。2019 年，中国汽车技术研究中心研究发现，在电动汽车起火事故中，碰撞事故占比为16%，因此，碰撞工况中电动汽车动力电池的力学特性及其防护设计研究引起越来越多国内外学者的关注。

Wang H 等［1］采用渐进式压痕试验，系统地研究了锂离子电池的机械变形过程，发现电池电芯短路与电芯厚度的变化有关; Jiang X 等［2］对电池主要组分材料进行了应变率相关力学行为表征，为电池模组的精细化建模提供支持; 康华平等［3］对锂离子动力电池模组进行了试验研究，发现电池模组的耐撞性能具有方向性，并与电池模组的电量有关; 赵红伟等［4］利用变密度拓扑方法对某电动汽车动力电池仓的结构进行了优化设计，使其结构更加合理、应力分布更加均匀; 雷正保等［5］研究了正面及追尾碰撞工况下电动汽车的耐撞性响应，并采用动态拓扑方法对车身结构进行了概念设计，进而使得白车身结构材料分布合理、承力布局清晰; 谢伦杰［6］结合电动汽车车身结构静动态特性和正面耐撞性特点，对车身进行了多目标优化，使得车体具有更好的静态刚度和正面耐撞性能; 李仲奎等［7］利用试验和仿真相结合的方法优化了某电动汽车B 柱结构，从而提高了该电动汽车的侧碰安全性; 李宁宁等［8］将软包动力电池的挤压短路失效应用到电动汽车碰撞安全结构设计中，并利用拓扑优化及正交试验方法进行了优化，降低了软包电池失效的风险。

虽然目前国内外学者对动力电池和电动汽车耐撞性均做了大量研究，但电动汽车的动力电池材料及结构形式正在快速发展和演变，材料方面有磷酸铁锂、三元锂、锰酸锂、钴酸锂和石墨烯等，结构形式方面有电芯－ 模组－ 电池包结构、电芯－ 电池包( CTP) 结构等，不同材料、不同结构的动力电池的力学性能表现也不同。鲜有文献进行研究并形成切实可行的电动汽车动力电池防护设计的方法，用以指导快速迭代的电动汽车碰撞工况下的动力电池结构设计。因此，大多数国内整车企业在进行车辆结构设计时，仍将动力电池作为刚体或者质量点进行设计，给出的设计标准往往是电池模组不能受力，这种严格的设计要求导致车身结构存在过设计的问题。

针对上述问题，本文结合国内外法规及新车评价规程，对某款电动汽车在不同碰撞工况下的耐撞性进行对比分析，同时针对恶劣工况下的电动汽车电安全防护设计流程进行优化，使得车身结构设计更加合理。

1  电动汽车碰撞工况概述

目前，世界上主要国家或地区对车辆( 包括电动汽车) 的上市均有明确的碰撞法规要求。表1列举了部分具有代表性的国家的强制性法规碰撞工况。

为进一步提高车辆的碰撞安全性能，部分国家及地区制定了比法规更加严格的新车评价规程( NCAP) 及保险指数评价体系，表2 列举了主要国家及地区的NCAP 及保险指数评价体系中的碰撞工况。

为规范电动汽车碰撞后的安全评价，美国、欧盟及中国先后制定法规，明确了碰撞后电动汽车电安全相关的性能要求，具体内容见FMVSS 305( 美国) ，ECE Ｒ94、ECE Ｒ95、ECE Ｒ135 等( 欧洲)及GB /T 31498 － 2015 ( 中国) 。本文研究动力电池的安全防护设计，对于高压线路及绝缘等不做考察，动力电池相关性能要求如表3 所示。通过对比可以看出，各个法规重点关注的是动力电池电解液是否泄漏、短路及保持在原位置，本文的分析将参考这几个方面考察典型碰撞工况中动力电池的特点。



2  不同碰撞工况下动力电池特点

从表1 和表2 可以看出，对车身结构损伤较大的典型工况有56 km/h 正面刚性墙( FFB) 、64 km/h 40% 重叠可变形壁障( ODB) 、64 km/h25%重叠刚性壁障( SOB) 、50 km/h 50%两车对撞( MPDB) 、60 km/h 1 400 kg 可变形移动壁障( EuronCAP AEMDB) 以及32 km/h 75 ° 侧面刚性柱( SP) 等6 个工况。



本文利用有限元方法对某电动车型的6 个典型的高速工况进行仿真分析，考虑动力电池防护的要求，SP 工况考察了包括规程要求的假人头部质心在内整个动力电池所覆盖的范围，变形情况如图1 所示。可以看出，在FFB 工况( 图1( a) ) 、ODB 工况( 图1( b) ) 及MPDB 工况( 图1( d) ) 中，动力电池框架未受挤压。这主要是因为电动汽车与壁障重叠较高，防撞横梁及前纵梁参与变形吸能; 此外，前舱中未布置发动机，可变形区域较大。




在SOB 工况( 图1( c) ) 中，电池模组虽未受到挤压，但由于车辆与壁障的重叠率较低，车身参与吸能的结构较少，导致车身吸能较少。因车轮受到较大挤压，在撞击过程中与动力电池间隙较小，使得动力电池受挤压风险增加。因此，SOB 是电动汽车结构设计中需要重点关注的工况。在AEMDB工况( 图1( e) ) 中，由于车辆的动能在碰撞中主要被前端的蜂窝铝及B 柱、车门等结构吸收，门槛变形量较小，因此动力电池没有被挤压的风险。在SP 工况( 图1( f) ) 中，动力电池框架明显受到挤压。这是由于车辆的动能需完全被自身结构所吸收，而侧围与动力电池之间可变形空间较小，当空间完全被压缩，能量还未完全耗散时，就会导致周围结构挤压动力电池。

此外，研究发现，当刚性柱沿着车辆纵向移动时，动力电池受挤压程度不同，这不仅与车辆质心和刚性柱中心线同碰撞速度方向所确定平面的距离有关，与撞击区域的结构设计也有较大关系。

综上所述，在当前法规及新车评价规程规定的碰撞工况中，SP 工况中动力电池受到的损伤最为严重，在电动汽车动力电池的防护设计中，需重点关注。值得注意的是，在所有工况中动力电池均保持在安装位置。一般来说，动力电池吊挂点分布合理，吊挂点结构及周围车身结构强度满足刚度要求，动力电池在法规及新车评价体系的碰撞工况中不会移位。因此，后续对动力电池保持在原位置的要求不再进一步讨论。

3  电动汽车碰撞安全设计方法

由于在侧面柱碰工况下，动力电池受到的侵入最为恶劣，电池起火风险较大，因此，本文以此工况为例，提出一种新的设计方法对电动汽车动力电池进行碰撞防护设计，作为对比，同时利用传统的设计方法对同一电动汽车进行设计。

3.1  设计方法概述

由于对动力电池模组的力学性能与电化学性能之间关系的认识不够深入，目前多数整车企业设定电池模组不能被挤压，并基于此进行动力电池的防护设计，具体流程如图2 所示。这种方法（方法1) 对车身耐撞性要求过于严苛，一般会产生过设计，导致车身重量增加，加大能耗，降低续航里程。



为满足动力电池安全防护的要求，同时满足降低整车质量的要求，本文提出一种基于电池模组损伤容限进行电动汽车动力电池防护设计的方法( 方法2) ，具体流程如图3 所示。


图3 基于电池模组损伤容限的电动汽车动力电池防护设计方法流程图

可以看出方法2 中有两个因素对动力电池防护设计的影响较大:

( 1) 动力电池防护标准。标准的确立需要通过大量的试验研究，本文中设计案例涉及的动力电池防护标准的相关试验内容见参考文献［3］，其试验边界条件即是通过方法2 中的流程获取的。通过试验分析得出电池模组内短路时电池单体的损伤容限，如表4 所示。考虑到整车电安全的稳健性，需引入安全系数α 对电池模组的损伤容限进行加权，计算公式为Si = αSitmin ( 1)



式中: Si为电池模组第i 个损伤指标安全阀值；Sitmin为试验中电池模组第i 个损伤指标的最小容限值。本文中设定安全系数α 为0． 6。

由于在内短路时刻前，电解液未发生泄漏，在安全阀值内，电解液泄漏的风险进一步减小，本文后续设计中将不再考虑电解液泄漏，电池模组的损伤指标设定为侵入位移和载荷。

( 2) 电池模组有限元模型的精度。本文中使用的模组模型先通过CAD 的数据初步建立，用于提取模组力学试验的边界条件，再通过准静态试验及动态试验进行对标校核，以确保模组的有限元模型的精度，具体建模方法本文不再详细讨论。

基于SP 工况，通过方法1 和方法2 对本文第2 章中涉及的电动汽车优化后的电池模组的损伤进行仿真分析，结果如表5 所示。相对于方法2，方法1 为保证电池模组不被挤压，对车身及电池框架进行了加强设计，整车结构增重2． 36 kg。



3.2  试验验证

为验证上述设计方法的有效性，分别对两种设计方法得到的整车结构进行试验验证。

( 1) 在进行方法1 设计的整车试验过程中，电池模组保持完好，没有受到挤压;

( 2) 在进行方法2 设计的整车试验中，电池模组变形量为6． 6 mm，比仿真预测值小0． 5 mm，试验与仿真的模组变形模式一致，如图4 所示。


图4 基于方法2 的电池模组变形情况

两次试验过程中均未出现漏液、短路及动力电池移位的情况。

4  结论

本文总结了主要国家及地区法规及新车评价规程中的碰撞工况，从碰撞形式及撞击能量的角度，选取了电动汽车动力电池受损伤几率较大的典型碰撞工况，并基于某款电动汽车利用有限元方法进行了仿真分析。

此外，本文提出一种新的针对电动汽车动力电池安全防护的设计方法，利用仿真与试验相结合的方式验证方法的有效性，作为对比，还利用传统方法对同款电动汽车的动力电池进行了碰撞防护设计。

通过研究得出以下结论:

( 1) 在当前主要国家和地区法规及新车评价体系的碰撞工况中，在32 km/h 75 °侧面刚性柱工况下，动力电池受损伤风险最大。动力电池受损伤程度与车辆质心同刚性柱中心线和碰撞速度方向所确定平面的距离以及整车结构均有关联。

( 2) 基于电池模组损伤容限的动力电池防护设计方法能够有效降低车身重量，有利于整车轻量化设计，提高电动汽车的续航里程，降低整车物料成本。






参考文献
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