電動汽車電池箱體結構優化設計

劉助春，劉紅業，張 丹

（湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲 412001）

0 引言

為滿足汽車前后碰撞的安全性要求，電動汽車（EV）電池組通常安裝在車身的底部，然而這樣布置的電池組在側面碰撞跟地面撞擊時仍然會受損。不僅會損壞結構，而且造成火災事故[1-4]的可能性很大。對電動汽車[5]火災事故的綜合統計調查顯示，約有三分之一的火災事故是由地面沖擊或其他類型的機械載荷引起的。

由于在電動汽車或電池組上進行直接進行實驗成本較高，因此，有限元仿真已成為該廣泛應用的電池結構安全研究工具。當前已有不少研究者通過有限元來優化電動汽車電池組的安全性，一部分學者從電池材料本構模型[6-7]、電池單體[8-9]、電池模塊[10-11]等多尺度研究鋰離子電池機械沖擊下的力學特性，構建了基于電池單體級別的電池包碰撞模型，進行電動汽車動力電池包防碰撞設計優化。還有一部分學者利用有限元方法對電池包箱體疲勞振動、碰撞安全等方面進行了相關研究，從優化電池箱體結構的角度提升電池箱安全性[12-13]。

整體而言，當前的研究在一定程度上提升了電池的碰撞安全性，但少有學者對于電動汽車電池箱體結構變形機理進行研究。筆者通過對現有的電池組結構進行數值評價，探究動力電池箱體結構變形機理，并基于其變形機理提出4 種電池箱體結構，通過仿真分析對比，選出綜合最優結構，以提高電池碰撞安全性安全性。

1 有限元分析模型構建

圖1 為電池包模型，模型的不同的區域以不同大小的網格進行劃分，對于變形集中的中心區域，采用平均網格尺寸為1 mm 的細網格，而其他區域采用網格尺寸為3 mm 的粗網格。撞擊物體的模型為一個7.5 kg 的錐形剛體，半徑為40 mm，錐形角為45°，其初始加載速度為30 m/s，方向垂直于屏蔽板，模擬車輛在行視過程中撞擊凸起物。

圖1 電池包模型

單軸壓縮測試[4]表明，當電池被壓縮3 mm 時會發生短路，因而電池最大變形量的大小直接影響電池碰撞安全。在本研究中，通過Abaqus/Viewer 的處理，計算出所有單元格之間的最大形變，電池縮短量隨電池變形前端位移的變化過程，如圖2 所示。

圖2 電池板變形量關系圖

為了探索變形的機理，提取了與變形曲線特征點所對應的變形模式（圖3）。由圖知，在開始時，只有屏蔽板和電池單元存在變形。隨后，沖擊載荷通過電池組及其外殼結構傳導到地板上，地板的變形可以釋放單元格的縮短，但當它完全變形時，單元格的縮短又開始迅速增加。在?時刻，可以觀察到在屏蔽板的中心開始發生斷裂，隨后屏蔽板被穿透，電池的縮短達到最大值。之后，整個結構（包括屏蔽板、電池組、外殼結構和底板）的變形模式由局部變為全局，更多的區域參與到變形過程中。研究發現，電池短路通常發生在電池縮短3 ～4 mm 時，此電池的最大縮短是3.17 mm，因此這對電池模塊是不安全的。

圖3 電池箱體變形模式圖

2 電池結構優化

根據電池在變形過程中的特征與機理，設計了4種不同結構的電池，如圖4 所示。第一個是一個增強的多隧道結構外殼箱，該結構中原來的整個箱體被分成幾個小隧道，電池單元被放置在隧道中，由于上表面和底表面之間的支撐板，該結構具有更高的彎曲剛度，有利于限制細胞的變形。

圖4 電池箱體4 種結構圖

其他3 種設計都采用了增強屏蔽板的策略，而不是外殼盒。設計2 是一個雙層結構，由兩個單板組成，這兩個板的厚度相同（3.175 mm），并牢固地綁在一起，不同剛度、強度和斷裂行為的材料可以分配到兩個板，以達到最佳耐撞性。設計3，Nav 結構板是一種在海洋工程領域非常常用的桁架結構，也被廣泛應用于汽車行業。設計4 為BRAS，它是由國外學者Lee提出的，并已被證明是非常有效的能量吸收結構，該結構的名稱來自于其在沖擊載荷時的自適應和漸進變形模式。

3 仿真分析

本研究的4 種電池箱體結構的仿真分析結果如圖5 所示，其中基線情況用虛線繪制，各設計的最大值見表1。設計1：增強的外殼結構，在細胞縮短率方面表現最差，隨著入侵程序的發展，縮短曲線迅速增加。設計2：雙材料的雙層板，與基線基本相同，最大縮短時間僅略微降低。設計3：導航桁架板，有顯著減少的縮短-最大值與基線相比降低了17.67%。

圖5 4 種結構仿真分析對比圖

在4 種設計中，BRAS 結構表現最佳，其最大縮短時間減少了一半以上（57.73%），即使在斷裂后（曲線的第一個峰值）之后，屏蔽板還是有助于吸收動能。在設計1 中，由于外殼結構太硬而不能變形，整個電池模塊頭部被提升。然而，當屏蔽板斷裂時，電池前端開始直接使電池模塊變形。在這一階段，變形處于局部模式，這意味著沖擊能量被非常少量的細胞吸收。

與設計1 相比，其他三種情況的變形模式更加全局，許多細胞同時共享變形。雙層外殼與基線幾乎相同，除了第一個板斷裂，而第一個板斷裂可以吸收一定數量的動能，因此對細胞有利。最后，BRAS 與Nav結構板的局部變形都很小。與Nav 結構板相比，BRAS板由于具有復雜的核心輪廓，具有更多的能量吸收能力，Nav 結構板最終被穿透，而BRAS 沒有穿透。

4 結語

設計安全電池組結構的必須遵循兩個基本原理：

（1）設計電池箱體結構時應始終避免局部變形模式，讓盡可能多的部件參與變形吸能。

（2）電池組下面的屏蔽板比外殼箱更重要，即使后者是電池單元的直接容納體，直接增強殼體結構可能會使殼體結構的接地沖擊性，如果設計不當，只增強這兩個組件中的一個并不一定有利于保護電池。

當然，本研究結論是基于對特定類型的撞擊物體在固定初始速度下的模擬得出的，有些因素的影響有待進一步研究，雖然根據已有研究，這種影響很小。通過本研究明確，BRAS 結構在3 種被研究的屏蔽板中是最有效的，其成功應歸因于其獨特的漸進式變形模式，通過觸發彎曲變形，完全避免了板的彎曲，從而具備更好地吸能效果與抗撞擊性。