動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)碰撞研究比對(duì)分析

李充　張晉杰　孫智鵬　徐月　馬天翼

摘 要：新能源汽車在現(xiàn)實(shí)中存在較多的動(dòng)態(tài)接觸碰撞場(chǎng)景，而動(dòng)力電池發(fā)生碰撞后存在較大的安全隱患，這也成為整車廠家和大眾關(guān)注的焦點(diǎn)。目前針對(duì)該類動(dòng)態(tài)碰撞損傷，對(duì)電池安全性的影響目前尚沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)。本研究基于新能源汽車典型碰撞場(chǎng)景，辨識(shí)動(dòng)力電池碰撞模擬試驗(yàn)表征參量，開發(fā)能夠動(dòng)態(tài)接觸碰撞場(chǎng)景的試驗(yàn)裝置，通過對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行碰撞測(cè)試，分析動(dòng)力電池在不同動(dòng)態(tài)接觸碰撞表征參量情況下的性能表現(xiàn)，為進(jìn)一步研究動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)碰撞規(guī)程和技術(shù)要求提供測(cè)試方法支持。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池 動(dòng)態(tài)接觸 沖擊碰撞 損傷分析

1 引言

電動(dòng)汽車的安全一直是消費(fèi)者們關(guān)注的重點(diǎn)，隨著電動(dòng)汽車的廣泛推廣，其安全性及測(cè)試技術(shù)越來越受到重視，如何全面有效的評(píng)估電動(dòng)汽車的安全情況更是萬眾矚目。動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵零部件，如何進(jìn)行有效的、接近于實(shí)際工況的動(dòng)態(tài)接觸碰撞測(cè)試是電動(dòng)汽車安全評(píng)估的焦點(diǎn)問題。然而現(xiàn)有評(píng)價(jià)手段多以靜態(tài)、非接觸碰撞為試驗(yàn)方法，缺乏對(duì)實(shí)際事故場(chǎng)景中動(dòng)力電池遭受動(dòng)態(tài)碰撞的情況進(jìn)行分析。

目前國內(nèi)電動(dòng)汽車市場(chǎng)上，對(duì)于動(dòng)力電池包的碰撞安全防護(hù)，主要從三個(gè)層級(jí)來考慮。第一個(gè)層級(jí)是整車結(jié)構(gòu)防護(hù)。車體結(jié)構(gòu)本身對(duì)電池包形成良好的防護(hù)。能抵擋一般的碰撞工況和刮底工況，保護(hù)電池包殼體結(jié)構(gòu)外部無變形，內(nèi)部無損傷。第二個(gè)層級(jí)是電池包殼體結(jié)構(gòu)防護(hù)。電池包的殼體和內(nèi)部的承重梁架在側(cè)邊和底部要有一定的承載能力。保證內(nèi)部電池模組電芯不受到碰撞擠壓，高壓部件件不發(fā)生斷裂和短路。第三個(gè)層級(jí)是電池模組單體和內(nèi)部高壓部件本身的結(jié)構(gòu)性能。應(yīng)該具有一定的抗碰撞擠壓、沖擊和穿刺能力。保證在承受一定程度的機(jī)械載荷后，也不發(fā)生起火和爆炸情況。

碰撞工況主要以碰撞的位置、加速度、碰撞速度等作為關(guān)鍵參數(shù)，在動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)中，所涉及的關(guān)鍵參數(shù)主要有碰撞速度、碰撞能量、碰撞深度、及碰撞接觸端形狀等。通過對(duì)碰撞能量、碰撞速度、碰撞深度等參數(shù)的設(shè)定實(shí)現(xiàn)接近于真實(shí)情況的模擬復(fù)現(xiàn)。

本文開展的動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞測(cè)評(píng)方法研究主要聚焦兩個(gè)方面：探究相同動(dòng)力電池樣品在不同碰撞工況下的安全表現(xiàn)以及探究在相同量級(jí)的碰撞工況下，不同動(dòng)力電池樣品結(jié)構(gòu)的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)

本研究基于新能源汽車典型碰撞場(chǎng)景，識(shí)別動(dòng)力電池碰撞模擬試驗(yàn)參量，開展動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)方法研究，形成動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)流程。結(jié)合動(dòng)力學(xué)理論和電氣控制理論，開發(fā)建立動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)裝置，開展典型動(dòng)力電池的動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)。采用三坐標(biāo)測(cè)量、測(cè)速儀、高速攝像儀等測(cè)量分析手段，分析動(dòng)力電池在動(dòng)態(tài)接觸碰撞試驗(yàn)中的性能表現(xiàn)情況，進(jìn)而得到相關(guān)參量變化規(guī)律和性能判定指標(biāo)，為動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)碰撞提供數(shù)據(jù)支持與分析依據(jù)。據(jù)此我們進(jìn)行了測(cè)試臺(tái)架的搭建，示意圖如圖1。

臺(tái)架主要由立體滑道與碰撞臺(tái)車構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)臺(tái)車位置高度與質(zhì)量載荷，裝置可根據(jù)實(shí)際的碰撞情況實(shí)現(xiàn)三類碰撞模式：

（1）碰撞速度可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試，碰撞速度可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試，假設(shè)碰撞頭的重量和碰撞速度已知，測(cè)試動(dòng)力電池模塊碰撞加速度、碰撞力、碰撞深度以及碰撞后電池模組狀態(tài)。

（2）碰撞能量可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試，需要測(cè)試裝置具有調(diào)整重量的碰撞頭，能夠產(chǎn)生加速度，并能產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞速度，能夠測(cè)量碰撞加速度、碰撞力、碰撞深度。

（3）碰撞能量可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試，假設(shè)以固定的碰撞深度，碰撞動(dòng)力電池模組，測(cè)試動(dòng)力電池模塊碰撞加速度、碰撞力以及碰撞后電池模組狀態(tài)。

在實(shí)際測(cè)試中分別選取電池單體與電池模組作為研究對(duì)象，采用深度可控的碰撞方式，考察動(dòng)力電池不同層級(jí)在動(dòng)態(tài)碰撞中的情況。碰撞臺(tái)車與實(shí)際碰撞情況如圖2（a）-（b）。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將準(zhǔn)備好的測(cè)試對(duì)象固定在臺(tái)面上，通過調(diào)節(jié)高度控制裝置，使測(cè)試對(duì)象中心與碰撞頭中心位于同一水平面；采用伺服電機(jī)帶動(dòng)碰撞臺(tái)車，通過位移傳感器控制設(shè)置值，到達(dá)位移值時(shí)通過限位開關(guān)停止。脫扣器采用電磁閥控制，通過電磁閥拉動(dòng)脫扣器，保證臺(tái)車固定，后面實(shí)施脫扣。打開加速度，碰撞力等測(cè)試系統(tǒng)，調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確認(rèn)采集系統(tǒng)工作狀態(tài)；根據(jù)試驗(yàn)速度調(diào)整碰撞臺(tái)車的釋放高度；根據(jù)確定的碰撞能量，調(diào)節(jié)臺(tái)車質(zhì)量，使其碰撞動(dòng)能達(dá)到所需能量。同時(shí)根據(jù)確定的碰撞深度調(diào)節(jié)臺(tái)車限位，使之能實(shí)現(xiàn)固定深度的碰撞。開始試驗(yàn)，系統(tǒng)通過電磁閥打開脫鉤器，碰撞臺(tái)車沿軌道下滑，到達(dá)碰撞位置，碰撞頭與測(cè)試樣品接觸，完成碰撞。將根據(jù)設(shè)置的條件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)情況與分析

3.1 試驗(yàn)樣品

鑒于三元鋰離子電池能量密度更高，也備受青睞，但其穩(wěn)定性將磷酸鐵鋰電池更加弱一些，因此本研究分別從單體、模組到系統(tǒng)選取了一款電池單體和一款電池模組作為研究對(duì)象，分別進(jìn)行深度可控的10mm、20mm、30mm不同碰撞形變的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試，選取的樣品均為鎳鈷錳三元/石墨電池體系，單體尺寸為260×100×35mm，質(zhì)量2kg；模組尺寸為388×120×40mm，質(zhì)量7.2kg。

3.1.1 單體動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試

針對(duì)動(dòng)力電池單體進(jìn)行深度可控的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試，測(cè)試后形變?nèi)鐖D，損傷形變往往是動(dòng)力電池選取電池正負(fù)極進(jìn)行深度的可控動(dòng)態(tài)碰撞其所得結(jié)果如圖3（a）-（b）。

10mm與20mm動(dòng)態(tài)碰撞電池沒有發(fā)生起火爆炸、在30mm動(dòng)態(tài)碰撞時(shí)電池發(fā)生了起火爆炸現(xiàn)象，具體根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)試結(jié)果歸納整理如下：

當(dāng)碰撞深度為10mm時(shí)，試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池雖然出現(xiàn)了變形，但電池溫度僅上升4.5℃，電壓無明顯變化；

當(dāng)碰撞深度為20mm時(shí)，試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形，但電池溫度僅上升15℃，在碰撞后電池電壓逐漸降至0V，即電池逐步失效；

當(dāng)碰撞深度為30mm時(shí)，試驗(yàn)電池出現(xiàn)熱失控，起火爆炸，電池溫升達(dá)503.8℃，電壓迅速降至0V。

3.1.2 模組動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試

針對(duì)動(dòng)力電池模組，損傷形變往往是動(dòng)力電池選取電池正負(fù)極進(jìn)行深度的可控動(dòng)態(tài)碰撞，如圖4。

模組在碰撞中均未發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象，根據(jù)試驗(yàn)中測(cè)試結(jié)果歸納整理如下：

當(dāng)碰撞深度為10mm時(shí)，試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，模組沒有出現(xiàn)顯著的結(jié)構(gòu)破壞和電池溫升，電壓無明顯變化；

當(dāng)碰撞深度為20mm時(shí)，試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池模組出現(xiàn)了線束受損的情況，但電池溫度僅上升17.2℃，在碰撞后電壓沒有顯著變化；

當(dāng)碰撞深度為30mm時(shí)，試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池模組出現(xiàn)了輕微結(jié)構(gòu)破損情況，電池溫升達(dá)20.4℃，電壓由4.03V緩慢下降至0V，即模組失效。

3.2 測(cè)試結(jié)果分析

綜合單體不同損傷程度的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)，隨著電池?fù)p傷程度的加深，電池受到破壞的表征信號(hào)也越多。在10mm損傷形變時(shí)電池雖然出現(xiàn)了變形，但只出現(xiàn)了略微的溫升，而電壓幾乎沒有任何變化；當(dāng)電池?fù)p傷形變達(dá)到20mm時(shí)，電池的溫度出現(xiàn)了較為明顯的升高，而此時(shí)電壓也逐漸下降到0V；在損傷形變達(dá)到30mm時(shí)，電池發(fā)生了起火爆炸，發(fā)生熱失控，溫度急劇上升，電壓也迅速降至0V。

可以看出電池單體在受到動(dòng)態(tài)沖擊情況下電壓并不會(huì)迅速反應(yīng)電池受到的損傷，而溫度則會(huì)隨電池?fù)p傷呈現(xiàn)正相關(guān)的升高，因此可以作為一個(gè)表征參量來評(píng)估電池的狀態(tài)變化。

同樣，綜合模組不同損傷程度的動(dòng)態(tài)碰撞測(cè)試可以得出，隨著電池?fù)p傷程度的加深，電池的溫度與電壓都呈現(xiàn)出不同的變化。在10mm損傷形變時(shí)電池沒有出現(xiàn)明顯變形，只出現(xiàn)了微小程度的溫升，電壓沒有任何變化；當(dāng)電池?fù)p傷形變達(dá)到20mm時(shí)，模組的溫度出現(xiàn)了較為明顯的破壞，同時(shí)受到碰撞的單體升高，而此時(shí)電壓也逐漸下降到0V；在損傷形變達(dá)到30mm時(shí)，出現(xiàn)明顯損壞，受碰撞單體也產(chǎn)生了更高的溫升，同時(shí)該單體電壓也產(chǎn)生波動(dòng)后逐漸下降至0V。

可以得到，與單體類似，模組在受到動(dòng)態(tài)碰撞后同樣在電壓與溫度上出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。與單體情況一致，受碰撞單體的溫度比電壓更能顯著的反應(yīng)受到損傷破壞的程度，也有損傷承擔(dān)呈現(xiàn)正相關(guān)。

但與單體有所不同的是，增加了外殼防護(hù)的模組由于整體結(jié)構(gòu)的完整性和外殼防護(hù)，相較單體而言抗沖擊的能力更強(qiáng)，在受到相同程度的沖擊時(shí)更加穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文建立了構(gòu)建了可以針對(duì)單體與模組進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞的試驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行研究分析。通過對(duì)單體與模組進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞實(shí)驗(yàn)，探討了動(dòng)態(tài)碰撞對(duì)動(dòng)力電池的安全性所造成的損傷。同時(shí)，針對(duì)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中對(duì)電壓與溫度這兩個(gè)參量進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)針對(duì)本文提出的樣品，在動(dòng)態(tài)碰撞情況下電池溫度會(huì)明顯優(yōu)于電池電壓來作為動(dòng)態(tài)碰撞的表征參量。此外對(duì)無外殼防護(hù)的電池單體與有外殼防護(hù)的模組進(jìn)行比較分析得出模組的防護(hù)結(jié)構(gòu)更能承受較大的碰撞傷害。

在更進(jìn)一步的研究中，一個(gè)非常有意義的方向是將完整的電池系統(tǒng)進(jìn)行同樣的動(dòng)態(tài)沖擊，與電池單體與模組得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析；同時(shí)針對(duì)單體與模組的不同位置進(jìn)行動(dòng)態(tài)碰撞的比較研究從而得出在可能發(fā)生的實(shí)際事故中何種方式的防護(hù)更加安全有效也是非常值得進(jìn)一步研究的。

*本文受國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB2501500）、天津市自然科學(xué)基金（20JCZDJC00520）和中國科協(xié)青年人才托舉工程（2021QNRC001）支持。

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