电动汽车电池包托底碰撞损伤仿真评估

    汽车的托底碰撞事故比较常见，道路上的杂物、减速带、路缘及路边的树墩都可能造成托底碰撞。但在没有电动车的时代托底事故被关注不多，是因为托底事故一般不会造成人员伤害。我们在上一篇文章中介绍了电动汽车托底碰撞的试验评估方法，这篇我们来介绍仿真评估方法，使大家了解，托底碰撞不仅在电池包底部产生高度集中的变形损伤区域，而且变形破坏的程度与碰撞强度（比如高速还是低速、高重叠量还是低重叠量）并不是一个简单的关系。具体分析可以参考我们去年在美国机械工程师学会年会上宣讲的论文。

   电动车发生托底碰撞，是由于电池包底部的离地间隙低于道路上障碍物，电池包与障碍物存在高度方向的几何不匹配，具有一垂向重叠量，当车辆行驶过道路障碍物时，电池包被障碍物撞击和刮蹭，称为托底碰撞，如图1所示。

图1    托底碰撞示意图

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电池包托底碰撞模型

与仿真工况矩阵

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    从结构区分，电池包通常包括四个结构层级，由外到内分别为电池包、电池模组、电池单体和电池卷芯，如图2所示。在本研究中，我们采用刀片电池单体，它是一种相对简单的封装类型，它的形状是一个长、薄和窄的长方体，使用电池单体直接集成至电池包的组装形式（Cell-to-pack），没有电池模组层级。电池包模型和边界条件如图3所示。

    仿真模型中，给定电池包在行进方向（整车X方向）的初始速度，使障碍物由前至后完整刮蹭整个电池包。仿真矩阵包括三个初始速度（为20 km/h、60 km/h和 100 km/h）和三个托底重叠量（H为10 mm、20 mm和 30 mm），共有九种不同严重程度的托底碰撞工况进行仿真参数化分析。

    由于结构的变形和损伤越严重，塑性能量耗散越大。因此，在评估电池卷芯及电池包相关元件的碰撞损伤中，我们使用塑性能量耗散和塑性变形来评估电池的损伤程度。我们分析比较了不同严重程度的托底碰撞下电池包碰撞响应和电池损伤响应的相对变化趋势。

图2    电动车电池包和动力电池的不同结构层级

图3    刀片电池组成的电池包：

(a) 真实电池包; (b) 有限元模型; 

(c) 电池单体级别侧视图; (d) 电池单体级别前视图

  ✦   托底工况仿真结果分析   ✦  

    托底碰撞下电池包的von Mises等效应力云图如图4所示，展示工况为电池包初始速度100 km/h、托底重叠量为20 mm。在电池包托底碰撞过程中，电池单体作为主要传导碰撞的结构元件，将托底碰撞的冲击力由中心的碰撞区传至电池包两侧。即使如此，被障碍物刮蹭过的电池包，无论是电池包壳体或电池单体，都在中间的碰撞区沿碰撞方向由前至后出现明显的变形集中情况。

图4    托底冲击过程电池包应力云图：

(a) 内部装有电芯的整个电池包视图；

(b) 移除电池包外壳以查看电池单体视图

    图5展示电池包模型中单节电池卷芯的塑性能量耗散分布。展示工况为初始速度100 km/h、托底重叠量为 20 mm。损伤最严重的电池卷芯为第1节电池，由于电池包前端的电池承受托底碰撞初期相对大的冲击载荷，以及在电池包前端及末端的电池卷芯受到电池包壳体挤压相对严重，电池卷芯能量耗散较多，也代表变形损伤较严重。电池包中间的电池单体因为周边的约束相对较弱，且电池单体之间存在间隙，在托底碰撞过程中电池单体能通过弯曲、变形等方式减缓冲击损伤。因此，于电池包托底碰撞保护设计中，在条件许可的情况下，可以通过间隙和布置吸能材料降低电池包结构件对电池的变形传递，以保护电池包内前端及后端的电池单体。

图5    电池包前端和末端卷芯变形最严重：

(a) 卷芯能量耗散；(b) 应力云图

    电池包及其内部元件在不同严重程度的托底碰撞中，塑性能量耗散的完整参数分析如图6所示。第一行中的三个子图展示整个电池包的能量吸收，包括电池包壳体、112组电池单体壳体、112组电池卷芯、电池包上盖及电池单体上盖的总和；第二行仅展示电池包壳体；第三行仅展示112组电池单体壳体的总和；第四行仅展示112组电池卷芯的总和。不同列组成的子图分别比较了不同托底重叠量的结果。每个子图包括三条曲线，分别代表三种初始速度。

    图6参数分析的结果揭示了一些在电池包托底碰撞中易于解释的规律。一般来说，在高负载情况（高的初始速度和/或高的托底重叠量）时，整个电池包以及各别元件的能量吸收会更高。高初始速度和高托底重叠量的情况下，电池包壳体的能量耗散大于电池单体壳体，而在低速度和中、低托底重叠量时，电池包壳体的能量耗散小于电池单体壳体。因此，电池包壳体是严重托底碰撞下的主要保护结构，而电池单体壳体在中、低托底碰撞下起着更为重要的保护作用。另一方面，在大多数情况下，电池单体壳体吸收的能量耗散大约是电池卷芯的三倍，说明电池单体壳体对于电池卷芯而言是非常重要的保护结构，在电池包托底碰撞保护设计中不容忽视电池单体壳体的重要性。

图6    电池包及其元件在不同初速度和不同托底重叠量的能量耗散

  ✦    结论    ✦  

    以电动车不同初始速度和电池包与底部障碍物不同的重叠量作为不同碰撞严重程度的参数，对托底碰撞电池包损伤情况进行了参数化研究，得到以下结论：

    1、针对电动车托底碰撞，发现电池包壳体是高强度碰撞的主要保护结构，而电池单体壳体在中、低强度碰撞中的能量吸收作用更为显著。

    2、在不同托底碰撞严重程度下，电池包壳体的能量耗散约占碰撞中总能量耗散的25%～55%；电池单体壳体约占30%～70%，电池卷芯约占10%～20%。

参考文献

    Chen P, Xia Y, Zhou Q, et al. Damage Assessment Method of Battery Pack of Electric Vehicle in Undercarriage Collision[C]. ASME 2021 International Mechanical Engineering Congress and Exposition 2021-69776.

论文原文链接：

https://www.researchgate.net/publication/358114142