整車電池包底部碰撞安全應對策略研究

王輝，楊全凱，吳澤勛，閆高峰，包國建，宿學深，韓旭

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，杭州 310000）

引言

21世紀新能源汽車作為世界各國重要發展方向，純電動汽車作為絕對主力全球市場占比逐年穩增，較保守的估計二零二五年年銷量將達五百多萬輛以上[1]。最近幾年來電動汽車起火事故頻頻發生，其安全性能成為廣大消費者及行業重要關注焦點之一。

據綜合統計調查，如圖1所示，電動汽車因為碰撞導致電池包短路而引起的火災占比達百分之十四[2]。開展車用電池包底部碰撞安全性研究勢在必行，提高整車電池包安全性已是行業共識。

圖1 電動汽車火災事故統計

目前行業相關組織機構已展開新能源汽車底部碰撞的相關研究，且已有部分可供參考的規范及標準。2021年12月30日中國汽車工程學會發布并實施編號為T/CASE 244的團體標準，文中明確了關于整車電池包底部碰撞的具體工況及評價標準[3]。2022年4月8日中國汽車技術研究中心有限公司成功舉辦2022年汽車測評國際峰會暨C-NCAP年會，會議中規劃了未來關于新能源車電池包底部碰撞的一些具體研究路線及方法。部分研究也表明，整車電池包底部碰撞主要包括向上撞擊和水平撞擊[4]。

目前電動汽車起火事故頻發，主要原因是電池包安全性不足，為提升整車電池包安全性本文展開了相關研究。基于上述整車電池包底部碰撞行業研究背景下，本文結合試驗對整車電池包底部碰撞多個工況多款電池包進行了高精度仿真分析，并對相關工況及應對策略開展詳細研究。

1 工況及電池包介紹

1.1 工況介紹

本文關于整車電池包底部碰撞工況共設置4個工況，分別為前刮底（工況1）、后刮底（工況2）、前托底（工況3）及123 J托底工況（工況4）。各工況如圖2所示，詳細說明以下：

圖2 電池包底部碰撞工況

工況1：前刮底工況為車輛沿行駛方向以31 km/h的速度撞擊不可移動的剛性球柱障礙物，球柱直徑150 mm，障礙物與電池包垂直方向重疊36 mm，Y向選取對電池包最不利的位置；

工況2：后刮底工況為車輛沿倒車方向以6 km/h的速度撞擊不可移動的剛性球柱障礙物，球柱直徑150 mm，障礙物與電池包垂直方向重疊36 mm，Y向選取對電池包最不利的位置；

工況3：前托底工況為車輛以21 km/h的速度向前行駛向高為200 mm的下臺階，臺階下放置不可移動的剛性球柱障礙物，球柱直徑150 mm，球柱高出臺階100 mm，Y向選取對電池包最不利的位置；

工況4：123 J托底工況為車輛靜止放置在測試臺架上，剛性沖擊頭沿垂直方向以123 J的能量撞擊電池包底部，剛性沖擊頭直徑25 mm，質量10 kg，撞擊位置選取最不利于電池包的位置。

1.2 電池包介紹

本文對3款整車搭載可換電電池包進行研究，電池包是通過鎖體向上裝配在車身門檻內縱梁上。電池包由多個子系統結構組成[5]，電池包底部由多層結構組成，其中包括底板及液冷板；電池包1液冷板為分塊式分別嵌在框架與橫梁底部，電池包2和3均為整體式液冷板，安裝在框架下部。此外，由于模組電芯材質有所不同，電池包2與3的續航及總重存在差異。

電池包作為整車結構重要組成部分，無論時重量、功能及安全性均不容忽視。本文根據幾何數據對電池包仿真模型進行了精細化建模，且輸入對標參數，其精度及可靠性有保證。此外，整車的模型精度及可靠性也需要有保證。

2 模型搭建

2.1 整車垂直方向傳力分析

傳統整車工況如正碰、側碰等與整車電池包底部碰撞工況關注有所不同，前者主要受整車水平各方向剛度的影響，而后者主要受整車垂直方向剛度的影響。因此，基于傳統整車模型需對影響整車垂直方向剛度的結構及參數重新校正。

靜置整車垂直方向做受力如圖3所示，G與F1+F2保持受力平衡，G為重力，F1、F2分別為地面對前、后輪的支撐力。整車受力及傳力路徑如圖4所示，前輪通過F1傳力至減震器（F1-1）、轉向拉桿（F1-2）、傳動軸（F1-3）及前懸擺臂（F1-4），其中F1-1直接傳力至車身，F1-2、F1-3及F1-4傳力至副車架，副車架傳力至車身；后輪通過F2傳力至減震器（F2-1）、彈簧（F2-2）及縱臂（F2-3）及前懸擺臂（F2-4），F2-1、F2-2及F2-3最終均傳力至車身。

圖3 整車垂直方向受力分析

圖4 整車受力及傳力路徑

2.2 關鍵建模

通過上述受力分析所得，整車垂直方向剛度動態響應對分析結果的可靠性有較大影響。整車垂直方向剛度間隙主要表現在輪胎、動總懸置、擺臂襯套、穩定桿襯套、前后懸彈簧、減震器阻尼等結構，以及前后懸動總等多處的運動副。

整車半載狀態下，確保整車質量及質心的前提下，剛度間隙結構的剛度阻尼特性及運動副應當根據實際進行參數設置及建模。在LS-DYNA中前后懸彈簧及襯套可用Beam 6號單元模擬，材料用MAT196號，材料中設置相關參數[6]。輪胎進行預壓，對標剛度與試驗保持一致[7]。

3 可靠性驗證

本文共涉及4個工況、3款電池包，如全部進行需共計12次試驗，項目成本巨大。因此，前期策劃進行部分試驗驗證仿真模型，使得仿真模型的精度及可靠性有保證的前提下再進行全工況仿真分析。

根據對工況3仿真與試驗結果的對比情況，如圖5所示，試驗電池包底板垂直侵入3.9 mm仿真3.5 mm，底板的損傷程度仿真與試驗基本相同。如圖6所示，電池包與障礙物的接觸力峰值及曲線走勢仿真與試驗基本相同。

圖5 試驗底板受損情況

圖6 電池包&障礙物接觸力曲線

4 全工況仿真分析

通過上文，驗證了仿真模型的精度及可靠性，現根據各工況要求進行整車仿真分析。重點考察各電池包模組垂直方向最大侵入及液冷板的塑性應變評估電池包安全性。結果匯總如圖7。

圖7 評價匯總表

根據仿真分析結果進行詳細解析，總結以下幾點主要內容：

1）在各工況下各電池包模組侵入均較小。得益于電池包底部多層結構及框架有效保護。

2）電池包1在各工況下液冷板塑性應變均較小。得益于電池包1的液冷板為分塊式嵌入在框架底部，在工況1、2、3中電池包框架先于液冷板受撞，對液冷板起到了較好的保護作用。

3）電池包2及3在工況1下液冷板塑性應變均較小。得益于工況1中，車輛前行壁障先與副車架底部發生碰撞，之后與電池包框架發生碰撞，對液冷板起到很好的緩沖及保護作用。

4）電池包2及3在工況2、3、4下液冷板塑性應變均較大，存在電池包液冷系統及氣密性受損風險，電池包繼續使用或充放電存在熱失控風險。其主要原因在于電池包2及3的液冷板扣在底板上且與框架同邊界，障礙物撞擊框架的同時也撞擊到液冷板，從而導致液冷板損傷較嚴重。

5 小結

根據各工況仿真分析結果，以及結合項目實際可行性，總結整車電池包底部安全應對策略，具體描述如以下幾點：

1）電池包框架設計，邊框截面盡可能設計為“L”型，中間盡可能布置多的橫梁，橫梁截面盡可能設計為“⊥”字型，設計遵從框架在電池包底面投影所占面積越大越好。

2）電池包液冷板位置設計，應與電池包防護板和框架邊緣保持安全距離。理想位置是嵌在“L”及“⊥”框架衍生橫梁處上表面。當整車發生前后或底部電池包碰撞時，橫梁會起到很好的緩沖載荷及規避碰撞的保護作用。

3）電池包模組放置方式，基于模組內部電芯及其他結構的組成方式，盡可能保證模組中電芯遠離底面，模組垂直方向盡可能獲取較大的剛度。該模組放置方式保證了模組盡可能具有較大的抵抗載荷的能力，發生碰撞時產生較小的變形。

4）電池包底板設計，應用較高高強度的材料，底板下表面應附著有絕緣防刮蹭性能的特殊質料。電池包底板作為電池包受撞時第一道防線，較強的底板和較低的摩擦系數能夠起到較好的保護效果。

5）前后副車架設計，靠近電池包的副車架底板或底橫梁的底面應低于電池包底面一定距離，且滿足該要求的副車架底板或底橫梁的底面盡可能保證較大的寬度、長度及垂直方向的剛度。對于工況1、2該副車架設計能夠起到很好的緩沖載荷的保護作用。

本文對電池防護相關標準及規范工況進行了深入研究，充分考慮設計可行性，使性能與結構設計達到平衡點。提出的應對策略能夠有效提高整車工況下動力電池包的安全性能。本文中建立了高精度仿真模型，涉及的方法及要點可供借鑒和參考。