電動汽車正面刮底工況設計及電池包防護優(yōu)化分析

王國杰，余海龍，何恩澤，李 潔

（1.汽車噪聲振動和安全技術國家重點試驗室，重慶 401122；2.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；3.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 400023）

電池包作為整車的動力來源，對電動汽車整體運行的性能及安全性有著十分重要的意義。電動汽車電池包攜帶能量高，布置位置一般位于車輛底部，且受到乘坐空間或續(xù)駛里程的影響，電池包設計為車輛最低點，因此，在車輛行駛過程中易受到路面凸起障礙的撞擊而發(fā)生電安全問題。以電動汽車底部碰撞為例，碰撞并不會導致車輛結構產生足以直接損傷乘員的加速度或變形，但是會造成電池包局部巨大變形引起高壓回路短路，從而產生急劇溫升，并最終引發(fā)火災。

近年來，國內外一些學者圍繞電動汽車電池包問題展開了一系列的研究與探索。CHEN等對電池包的鋁合金材料進行了碰撞分析模擬了電池組的失效過程。某課題組對單個電池包進行了正面，后面，側面的碰撞試驗分析，基于以上試驗數據，研究人員開發(fā)了一種計算機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靜態(tài)壓縮和動態(tài)碰撞條件下的失效行為，結果表明，電池包的變形與單個電池有很大的關系。蘭鳳崇等通過建立電池包內部精細化結構模型，探討了電池包在碰撞過程中箱體及內部結構的變形與響應規(guī)律。周飛通過對整車進行結構分析，增加相應的電池包防護裝置，避免了電池包托底。目前的研究基本是針對電池包結構和材料的研究，并沒有結合任何法規(guī)對底部電池包正面刮底碰撞工況進行研究與分析。同時，目前法規(guī)和行業(yè)也并未發(fā)布任何關于電動汽車正面刮底碰撞工況的標準。

按照電動汽車電池包與障礙物的碰撞位置不同，將電動汽車底部碰撞分為正面刮底、側面刮底、尾部刮底、底部托底。目前常見的正面刮底工況有過臺階、過枕木、過駝峰路等，上述工況易對電池包底部產生刮擦損傷。本文通過對不同的正面刮底工況進行試驗與仿真分析，根據結果將電動汽車底部碰撞中的正面刮底工況作為主要研究對象。旨在為建立一種電動汽車專有底部碰撞安全評價工況提供借鑒，為進一步完善電動汽車碰撞試驗評價標準、電動汽車電池包防護結構的設計、提升電動汽車碰撞安全水平和行業(yè)標準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據統(tǒng)計

據相關媒體報道，2013年10月，某品牌電動汽車撞上道路金屬物體導致著火；2013年11月，某品牌電動汽車底盤撞上道路金屬桿起火；2016年10月，某品牌電動汽車行駛時底盤被下水道鐵網穿刺；2019年4月，某品牌電動汽車底盤受嚴重碰撞發(fā)生自燃；2019年8月，行駛中的某品牌電動汽車因底盤遭受嚴重撞擊發(fā)生自燃；2020年2月，某品牌電動汽車電動汽車因電池包底部受異物撞擊發(fā)生自燃。

以上數據只是較為嚴重的電動汽車底部碰撞情況列舉，并不全面。但是對于電動汽車底部碰撞工況的研究與標準制定也需要相關從業(yè)者關注，下面將對底部碰撞中發(fā)生頻率較高的正面刮底碰撞工況進行介紹。

1.2 正面刮底碰撞工況壁障設計

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

外形尺寸的重要部位設計包括接觸側設計和頂面設計。參考GB 38031—2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中對電池單體、電池包或系統(tǒng)進行擠壓試驗的擠壓板形狀，將正面刮底碰撞工況壁障與電池包接觸一側設計為半徑為75 mm的圓柱面。考慮到有些車輛在電池包前方有防護結構，將壁障頂面設計為與水平呈10°角，防止壁障長度過長出現壁障頂起防護結構而無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。根據對大量不同車型整理知電池包寬度尺寸（方向長度）在840～1 500 mm，電動汽車電池包模組與底面向距離在10～25 mm。考慮到電池包中心對稱平面位置（0位置）、±1/4寬度位置均能被撞擊到，將壁障設置為3個可調整位置，同時，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定為25 mm。根據多個不同電池包寬度尺寸參考，壁障設計如圖1所示。

圖1 壁障示意圖

當壁障位于-1/4位置時，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向位置關系示意圖

將上述所設計的正面刮底工況壁障進行強度仿真分析，應力應變云圖如圖3所示，結果顯示強度滿足要求。

圖3 壁障工裝應力應變云圖

1.3 正面刮底碰撞工況速度設計

目前的電動汽車電池包布置存在以下特點：對于傳統(tǒng)車改電動汽車，電池包底部均為車輛最低點，副車架比電池包底部在向一般高20 mm以上，但SUV車型副車架與電池包底部之間的高度差比轎車小；對于純電動平臺，電池包底部與前方副車架在向的高度差更小，對電池包的防護相對更好。

通過對電池包前端無防護結構車型進行仿真分析，結果顯示速度越高，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 電池包前端無防護結構正面刮底工況分析

考慮到工況對不同電動汽車型的適應性，最終選擇了電池包前端無防護的車型進行正面刮底碰撞方案設計的分析。對上述車型開展15～50 km/h的正面刮底工況仿真分析，對電池箱體破損情況、模組變形、模組應力、電池包內能等進行記錄，結果如圖5～9所示。通過比較得出：不同評價指標下，對應的最嚴苛速度不同。

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 卷芯應力云圖

圖9 電池包內能-變形曲線

為了篩選出最嚴厲的速度工況，對各評價指標結合開發(fā)經驗與企業(yè)標準進行重要度排序，并根據各零部件、結構件重要度制定評分標準對其打分。重要度分配原則：卷芯為儲能裝置，其內短路指標最重要；向變形代表向電池包內的侵入，比向變形更重要；電池包內能體現電池包整體變形情況，相對比向變形重要。重要程度排序為：1號模組卷芯應力＞1號模組向變形＞電池包內能＞1號模組向變形＞整車向向下最大位移＞水冷板向變形＞水冷板塑性應變＞水冷板向變形，并將其型號依次排號為1-8。根據各評價指標的數值大小對各工況的打分情況見表1，數值越大，得分越高，數值相同，則按最低的得分進行分配。

表1 不同速度下對應的各指標情況

各工況最終得分見表2，由以上數據統(tǒng)計得出，以30 km/h作為速度邊界得分最高，其對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 無防護電池包正面刮底仿真及試驗結果分析

2.1 仿真條件設置

根據電池包正面刮底碰撞工況研究結果，將仿真速度設置為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間較長，考慮到仿真模型復雜程度，采用電池包單體進行仿真來復現電池包在整車碰撞中的動態(tài)響應。將車身與底盤部分簡化成一個質量點，質量大小、質心位置匹配到半載狀態(tài)，電池包模型賦予實物同等質量、質心。仿真邊界設置如圖10所示。

圖10 仿真邊界設置

2.2 仿真結果分析

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設計方案，80 ms電池包在圓柱面擠壓作用下塑性變形嚴重。120 ms時刻電池包下端面與剛性圓柱面接觸，電池包下端變形較大，有擠壓內部模組的風險。電池包仿真動態(tài)響應如圖11所示。

圖11 電池包正面刮底仿真動態(tài)響應

2.3 試驗條件設置

根據電池包正面刮底碰撞工況研究結果，將試驗速度設置為30 km/h，重疊率為25 mm，撞擊位置為電池包橫向中心。車輛質量為半載狀態(tài)，車輛其他試驗參數參照GB 11551—2014《汽車正面碰撞的乘員保護》進行車輛電池包正面刮底碰撞試驗。試驗設置如圖12所示。

圖12 試驗設置

2.4 試驗結果分析

測試車輛副車架離地高度較電池包底部離地高度高差超過40 mm。由于試驗重疊率設置為25 mm，所以試驗時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，整個電池包密封失效，電池包底部產生大約1 m長的波點劃痕，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，高壓母線輸出端接頭裂開，高壓母線輸出端接頭二次鎖失效，整車高壓線路存在較大絕緣風險。

試驗后整車高壓未下電，電池包未產生溫升，起火、冒煙現象，電池包向加速度最大為185.22 m/s（見圖13曲線A），車輛未提示相關風險。

圖13 三次試驗電池包加速度對比圖

3 優(yōu)化方案

3.1 刮底防護優(yōu)化實例

方案一：設計防撞擋桿或降低前機艙底部結構件離地高度。

圖14 電池包刮底試驗后的照片

根據上述試驗結果，得出電池包底部為整車通過最低點，且前機艙副車架比電池包底部向高度超出40 mm，導致在行駛方向上電池包直接與壁障碰撞。因此，在汽車設計時可增加防撞桿或減少前機艙底部結構件與電池包底部離地高差，當車輛在行駛過程中出現正面刮底工況時，可使防撞桿或前機艙底部結構件可預先與障礙物產生碰撞，降低電池包與障礙物發(fā)生碰撞時的能量，減輕電池包所受的損傷。

方案二：設計碰撞導向支架。

在電池包前部安裝位置設計楔形碰撞導向支架，該導向支架可在電池包與障礙物碰撞時將向的撞擊力逐漸轉化成向的舉升力，同時結合懸架作用，使整車順利通過障礙物。

3.2 刮底防護優(yōu)化分析

方案一：在零部件仿真邊界設置中，電池包前端增加一防撞桿，防撞桿選取與實際車型副車架相同厚度與材料牌號，防撞桿結構半徑與試驗車輛副車架撞擊點曲率半徑保持一致，仿真結果如圖15～16所示。結果表明，當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電池包的前端結構與剛性壁障接觸，并相互發(fā)生擠壓作用，碰撞載荷由于導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去，降低了電池包內部模組結構與剛性壁障接觸的可能性。

仿真結果初步證明：設計防撞擋桿和電池包前端楔形導向支架對于降低電池包在正面刮底工況中的風險有明顯作用。

圖16 撞擊楔形塊仿真動態(tài)響應圖

3.3 刮底防護優(yōu)化驗證

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

圖17 試驗后副車架照片

試驗結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，高壓母線輸出接頭無破損，整車未產生溫升。電池包向加速度最大為109.76 m/s（圖13曲線B），與未降低副車架與電池包離地高差之前相比減少幅度為40.7%，此次試驗驗證了該方案可極大程度地降低電池包的損傷。

圖18 試驗后電池照片

方案二：本次試驗壁障撞擊電池包左側楔形導向支架處，車輛其他參數與試驗參數不變。正面刮底試驗過程顯示電池包楔形導向支架與壁障撞擊后，因導向支架碰撞導向作用，壁障逐漸將電池包頂起，使電池包從壁障底部滑過，電池包僅有較淺劃痕，并未產生變形。

試驗結果顯示電池包加速度為87.22 m/s（圖13曲線C），與未安裝導向支架之前相比減少幅度為52.9%，此次試驗驗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 試驗后電池包底部照片

4 結論

（1）電池包前端未有任何防護設計方案，仿真中80 ms時刻電池包在圓柱面擠壓作用下塑性變形嚴重；120 ms時刻電池包下端面與剛性圓柱面接觸，電池包下端變形較大，有擠壓內部模組風險。

（2）試驗時電池包底部與壁障直接撞擊，使電池包底部前端殼體撞裂，整個電池包密封失效，同時，高壓母線輸出端接頭裂開，高壓母線輸出端接頭二次鎖失效，整車高壓線路存在較大絕緣風險。

（3）通過仿真與試驗結果，提出了兩種電池包防護優(yōu)化方案。第一，設計防撞擋桿或降低前機艙底部結構件離地高度，使刮底時擋桿或結構件承受部分沖擊，電池包向加速度較之前減少40.7%。第二，設計碰撞導向安裝支架，電池包加速度較之前減少為52.9%。

本文為進一步完善電動汽車碰撞試驗評價標準、電動汽車電池包防護結構的設計、提升電動汽車碰撞安全水平和行業(yè)標準的制定提供了重要借鑒和參考。