鋰離子動力電池復合底護板球擊防護試驗研究*

黃紅光，王清泉，曾 勇

（廣汽埃安新能源汽車股份有限公司，廣州 511434）

0 引言

基于全球能源需求，以鋰離子動力電池為能量載體的新能源汽車迅猛發展，改變著汽車行業格局，影響著人們的生活。然而新能源汽車安全問題頻發，關系到人民的財產安全，日益引起國家和社會的關注。

動力電池熱失控是引起新能源汽車安全問題的主要原因［1］，觸發熱失控的因素主要有機械濫用、熱濫用、電濫用［2］。其中機械濫用形成過程為當電池收到撞擊、擠壓、針刺等機械外力工況時，電池發生變形，電池內部隔膜破裂，正負極接觸發生短路，電池內部溫度急劇升高，內部同時發生化學反應產生氣體。電池在高溫高壓的影響下爆裂，發生起火或者爆炸［3－4］。大量調查研究表明［5－7］，交通事故中動力電池底部撞擊是造成動力電池密封失效、絕緣短路、起火爆炸的主要原因。鑒于此，學者們進行了大量研究。為了研究底護板被擠壓過程中電芯實驗的影響因素，Xia 等［8］仿真分析了電池包擠壓過程。朱紅霞等［9］通過托底仿真模型，發現托底接觸面越小，電池包箱體底板變形量越大，增加底護板可以有效提高防磕底能力。王超等［10］提出了在電池包前布置鋁合金防護結構，通過仿真分析和試驗，確定了“人”字形潔面結構是最優截面形狀。楊智輝等［11］提出一種仿真分析方法，用于研究超高強度鋼動力電池包的底部球擊工況。李冰等［12］采用仿真分析法研究某鋁合金電池包的底部抗球擊能力，設計電池包底護板并進行優化，使電池包球擊變形量減小1.4 mm。王國旺［13］采用碳纖維復合材料設計了一款下箱體，進行底部球擊試驗，做到電池包不起火不爆炸。在電池包產業化中，電池包底部防護多采用鋼底護板和鋁合金底護板。然而，鋼底護板和鋁底護板存在質量大、電池包保溫性能差、耐腐蝕性能弱、絕緣工藝復雜、成本高、生產工藝復雜等缺點。高性能材料碳纖維底護板具有成本高等缺點造成其作為電池包底護板很難產業化［14］。綜上所述，學者們的研究大多采用仿真分析方法，產業中鋼、鋁和碳纖維底護板又存在較大缺點。

長玻璃纖維增強聚丙烯（LGF／PP）復合材料具有綜合性能好、可設計性強、性價比高以及可回收利用等優點，已經廣泛應用于汽車車身、外飾件等汽車領域［15］。受此啟發，本文立足于動力電池底部球擊實驗研究，將具有長玻璃纖維增強聚丙烯的蜂窩板復合材料設計為動力電池底護板，并創造性地用結構膠將底護板和電池包箱體底部粘接一起，提升復合底護板底部防護能力。探索動力電池底護板產業化應用的新材料新方法，提升動力電池底部防護能力和電池包整包安全性能。

1 實驗

1.1 實驗設計

如圖1 所示，蜂窩板由面材－蜂窩芯－面材通過加熱到200 ℃膠粘成三明治結構。面材由長玻璃纖維增強聚丙烯（LGF／PP）復合材料而成，1 mm 厚度面材有4 層玻纖層，1.3 mm厚度面材有6 層玻纖層。面材具有良好的力學性能，如表1 所示，密度小，強度高，可以提供優秀的防磕撞能力。蜂窩芯為聚丙烯（PP）軟管，壁厚0.1 mm，管徑8 mm，其獨特的蜂窩芯結構可以提供結構支撐和撞擊吸能作用。

表1 蜂窩板面材力學性能

圖1 蜂窩板示意圖

研究廣汽和CATL 等頭部車企和電池廠量產電池包底護板發現底護板Z向空間為10 mm左右。因此試驗設計滿足生產實際的3 種不同厚度的蜂窩板，如表2 所示。蜂窩板安裝于電池包下方，對電池包起撞擊防護作用。動力電池包底層多為單層鋁板（如比亞迪刀片電池包）或液冷板（如埃安彈匣電池包）。因為不同車型液冷板流道不同，結構較為復雜，考慮到實驗對象簡單化原則，為減小實驗影響因素，方便實驗實施，本文選擇單層鋁板作為動力電池包的底部。鋁板型號為6061鋁合金。

表2 蜂窩板規格

為了研究蜂窩板與鋁板安裝關系對動力電池底部球擊防護的性能，本文設計了3 種蜂窩板與鋁板的安裝關系：（1）蜂窩板與鋁板無結構膠粘接；（2）蜂窩板和鋁板間粘接低粘接強度結構膠A；（3）蜂窩板和鋁板間粘接高粘接強度結構膠B。結構膠A 和結構膠B 力學性能參數如表3 所示。下文簡稱蜂窩板與鋁板為復合底護板。

表3 結構膠力學性能

1.2 實驗方法和試驗設備

2021 年中國汽車工程學會發布了行業標準《純電動乘用車底部抗碰撞能力要求及試驗方法》［16］，本文參考其中球擊試驗要求，制定本實驗球擊試驗方法為球擊試驗方法，如表4 所示。

依據試驗方法搭建試驗臺，如圖2 所示。實驗臺架為框架結構，實驗臺中間設計有定滑輪，牽引繩連接裝機頭，再穿過定滑輪，撞擊頭通過牽引繩拉升。撞擊頭質量為10 kg，通過勢能公式確定120 J 撞擊能量所需高度為1 m。松開牽引繩撞擊頭自由落體，勢能轉換為動能，撞擊到蜂窩板上，完成球擊試驗。為了保證撞擊頭的穩定性和撞擊的準確性，試驗臺設計有導向筒。蜂窩板下有固定工裝，為蜂窩板提供支撐，為撞擊時底護板變形提供形變空間，如圖3 所示。

圖2 球擊實驗平

圖3 蜂窩板和鋁板固定方式

2 實驗結果和分析

電池包Z向集成由下到上依次為蜂窩板－電池包底層鋁板－電芯。鋁板對電池電芯有承托作用，鋁板或者液冷板的變形量直接傳遞給電池電芯，造成電芯也發生形變，影響電芯是否發生熱失控。因此復合底護板球機試驗后，采用三坐標測量鋁板的變形量。測量數據如表5所示，發現當蜂窩板與鋁板無結構膠時底護板變形量最小為10.5 mm，有結構膠A時變形量為8.4 mm，有結構膠B 時變形量為6 mm。觀察底護板變形量最大值13.5 mm 的底護板，如圖4 所示，發現球擊面面材發生破裂，鋁板凸起無破裂。據此采用蜂窩板作為底護板可以對電池包提供較好的防護能力。

圖4 球擊試驗后底護板變形表征

將表5 數據繪制成圖5，可以看出在球擊試驗中，在無結構膠、使用結構膠A、使用結構膠B 這3 種條件下，均發生蜂窩板面材厚度增加鋁板變形量變小的趨勢。說明提高材料厚度是提高抗球擊能力的有效方法。對比蜂窩板和鋁板間有無結構膠粘，數據顯示有結構粘接的接鋁板變形量更小。結構膠粘接強度越高，鋁板變形量越小。說明采用更高粘接強度的結構膠可以有效提升底護板的球擊能力。

圖5 球擊后底護板變形

為了進一步研究結構膠粘接強度對鋁板形變量的影響，對分別粘有結構膠A和結構膠B樣件進行切割。如圖6 所示，采用結構膠A的試驗件形變量大，開膠寬度約180 mm，開膠位置在球擊位置，并延伸至邊緣，蜂窩板上無結構膠殘留痕跡。如圖7 所示，結構膠B 樣件開膠尺寸小，開膠位置在球擊位置，開膠形狀沿中心對稱。結構膠B在蜂窩板上有殘留痕跡。分析其原因，復合底護板中無結構膠時，鋁板可以近似于二維平面，蜂窩板抗擊一部分球擊力，削弱的球擊力繼續傳遞給鋁板，蜂窩板和鋁板的受力過程是相互獨立的，二位平面的鋁板抗擊能力較差，因此形變量大。結構膠可以將蜂窩板和鋁板粘接為一個整體，蜂窩板和鋁板形成一個三維結構，蜂窩板收到的球擊力一部分通過結構膠呈XY 平面方向傳遞給鋁板，另一部分通過垂直于受力方向的Z方向傳遞給鋁板，空間結構兩種力的傳遞路徑提高了復合底護板的球擊防護能力。粘接面積越大，傳遞路徑越多，增加抗沖擊面積，減小沖擊強度，提高抗球擊能力。當球擊力大于粘接力，發生開膠現象。力的傳遞路徑減小，復合底護板變形量增大。結構膠AD 的粘接強度小于結構膠B，受力過程時間較短，發生大面積開膠，因此鋁板變形量比使用結構膠B的鋁板變形量大。綜上所示，復合底護板使用結構膠可以提高底護板的球擊防護能力，結構膠強度越高，復合底護板球擊防護能力越好。

圖6 球擊試驗后底護板（結構膠A）剖切圖

圖7 球擊試驗后底護板（結構膠B）剖切圖

然而，在實驗中也發現一個問題。觀察圖7 可知蜂窩板與鋁板開膠后成開口笑狀，說明蜂窩板在受到沖擊后比鋁板有更好的回彈性，具有更好的吸能能力。然而這種現象也預示當電池包底部發生輕微撞擊時，蜂窩板由于良好的吸能和回彈性能恢復至原貌，而復合蜂窩板內部已經局部開膠，鋁板發生局部變形。這造成底部撞擊損害的隱蔽性。后續將圍繞上述問題繼續研究。

3 結束語

（1）提出了將蜂窩板復合材料應用于動力電池底護板，基于電池包產業化實際工況設計了3 種不同厚度的蜂窩板，用不同粘結強度的結構膠將蜂窩板和鋁板粘接成整體復合蜂窩板，進行球擊試驗，分析了蜂窩板厚度和結構膠粘接強度對復合底護板防護的影響規律。

（2）面材厚度是影響球擊防護新能的重要因素。面材厚度越厚，底護板抗球擊性能越強。

（3）蜂窩板和鋁板用結構膠粘接成整體，復合底護板球擊受力由二維平面受力轉變為三維空間受力，可以有效提高底護板球擊防護能力，結構膠粘接強度越高，底護板球擊防護能力越強。

（4）試驗發現蜂窩板比金屬鋁板有更好的回彈能力，因此具有更好的吸能效果，適合用于動力電池底護板。同時也發現，當電池包底部發生輕微撞擊時，蜂窩板由于良好的吸能和回彈性能恢復至原貌，而復合蜂窩板內部已經局部開膠，鋁板發生局部變形。這造成底部撞擊損害的隱蔽性。后續將圍繞上述問題繼續研究。