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(chē)研究院（寧波）有限公司，寧波315336）

前言

隨著新能源汽車(chē)銷(xiāo)量快速增長(zhǎng)，相關(guān)的新能源車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)安全測(cè)試技術(shù)研究，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chēng)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(chē)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(chē)輛底部；④其他，如車(chē)輛發(fā)生翻滾、墜落等底部撞到障礙物。針對(duì)這幾類(lèi)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(lèi)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(lèi)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?chē)輪之間存在高度差，如圖3所示，該類(lèi)場(chǎng)景最常見(jiàn)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(chē)輛撞到非固定障礙物且障礙物隨之撞到車(chē)輛底部的場(chǎng)景類(lèi)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(chēng)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(jiàn)于路面凸起障礙物對(duì)車(chē)輛電池底板的刮蹭，該類(lèi)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(chē)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(lèi)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(lèi)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(jiàn)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(lèi)型工況進(jìn)行仿真分析。本研究選取一款轎車(chē)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(chē)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(chē)輛不同時(shí)刻速度與車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)架位置，因此發(fā)生底部刮擦，副車(chē)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(chē)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(jiàn)：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(chē)架的接觸而產(chǎn)生，由于副車(chē)架是整車(chē)的最小離地間隙位置，因此地障與副車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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?chē)架本體結(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(chē)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(chē)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。