側面柱碰撞工況下動力電池結構安全研究

【摘要】為提高側面柱碰撞工況下純電動汽車動力電池系統的安全性，建立了包含動力電池系統的側面柱碰撞有限元模型，并利用整車側面柱碰撞試驗驗證了有限元模型的準確性，以結構變形量和加速度沖擊為評價指標，利用該模型分析了側面剛性柱碰撞工況下的電池包變形狀態和加速度響應，結果表明，側面柱碰撞工況下，動力電池包外框架及內部支撐結構均發生較嚴重變形，電池系統各位置均承受較大加速度沖擊。基于該結果，提出了在動力電池包和車身門檻梁結構設計時應面向該工況進行針對性安全設計的建議。

關鍵詞：純電動汽車 動力電池 側面剛性柱碰撞

中圖分類號：U469.72" " 文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230295

Study on the Safety of Battery Structure under Side Pole Impact Conditions

【Abstract】In order to enhance the safety of the battery system in electric vehicles under side pole impact， a finite element model incorporating the battery system was established. The accuracy of this finite element model was validated through vehicle side pole impact tests. Using this model， the deformation status and acceleration response of the battery pack in side rigid pole impact scenarios were analyzed with structural deformation and acceleration impact as the primary evaluation criteria. The results indicate that under side pole impact， both the external framework and internal support structure of the battery pack experience significant deformation， and all positions within the battery system withstand substantial acceleration impacts. Based on this result， the paper proposed safety-specific design for this impact condition when designing power battery pack and vehicle body sill beam structure.

Key words： Electric vehicle， Battery pack， Side pole impact

1 前言

純電動汽車在碰撞過程中，動力電池結構易受到擠壓，且碰撞過程的沖擊加速度會引起電池內部出現結構損壞、電路短路等危險狀況，進而引發“熱失控”問題，造成車輛起火甚至爆炸。因此，純電動汽車動力電池系統碰撞安全性研究尤為重要。

針對動力電池系統碰撞安全性問題，國內外學者分別就電芯材料本構模型、電池單體、電池包及整車等多層級開展了大量研究。周青等根據大量仿真分析和試驗研究結果，率先給出了動力電池的碰撞損傷容限和短路發生判據，解析了電芯在機械載荷作用下材料破壞誘發短路的機理，提出了電池碰撞響應的高精度數值模型，用于車用動力電池的碰撞安全評估和抗撞設計[1]。在整車層面，蘭鳳崇等通過分析各種整車碰撞工況，利用有限元分析方法對動力電池系統進行了碰撞安全性分析，提出了動力電池包箱體及安裝結構的性能分析方案及評價方法[2]。楊威等通過分析電動車底部不同形狀異物碰撞造成的電池包損壞，研究了不同程度的電池包底部濫用工況[3]。蔡揚揚等對電池包箱體的材料選擇、結構設計和制造技術進行了梳理，分析了電池包箱體結構輕量化研究的現狀及未來趨勢[4]。

以上研究為動力電池碰撞安全評價提供了大量理論支持和有益探索，但其研究重點多集中于電芯模組及電池包結構安全性，沒有從整車角度提出完整可行的評價體系。受動力電池自身特性及目前售后維修能力的限制，車輛發生碰撞后，電芯模組損傷無法量化評估，一般會整體更換動力電池系統，提高了維修成本。由此可見，在整車開發階段進行動力電池安全評價意義重大。

本文從整車側面柱碰撞工況出發，提出一種整車碰撞工況下動力電池結構響應分析方法，建立考慮動力電池內部結構的整車模型，并利用整車側面柱碰撞試驗對其進行有效性驗證，然后詳細分析動力電池結構變形和加速度沖擊響應，全面分析動力電池在該工況下的碰撞性能。

2 整車側面柱碰撞仿真分析與驗證

2.1 整車側面柱碰撞

側面柱碰撞中，障礙物的剛度大但接觸面較小，對車輛側面的局部侵入量遠大于側面碰撞[5]。純電動汽車的電池包通常整體布置在車身底部，且布置范圍較大，因此在發生側面柱碰撞時，由于剛性柱的碰撞區域較集中，車輛側面門檻梁結構侵入量較大，撞擊力難以被車身結構承載分散，會對車輛及電池系統產生強大的切割沖擊力。因此，側面柱碰撞試驗代表了一類難度大、風險高的極端工況，非常適合考察純電動汽車動力電池的安全防護能力。

GB/T 37337—2019《汽車側面柱碰撞的乘員保護》[6]于2019年10月1日正式實施，此外，2021年版中國新車評價規程（China-New Car Assessment Program，C-NCAP）管理規則中新增了針對新能源汽車的側面柱碰撞試驗，替代移動可變形壁障側面碰撞試驗，可更有針對性地考察純電動汽車動力電池的安全性能。

2.2 動力電池有限元模型建立與驗證

本文的研究對象為某車型鋰離子動力電池包，其有限元模型如圖1所示。電芯模組采用硬制鋁殼形式，在以往研究中，電池模組多采用剛體模型，即其在仿真計算過程中不發生變形，但此方法不能模擬電池模組在碰撞過程中的變形損傷。本文電池模組外殼用鋁制材料模擬，模組內部使用編號為MAT63的材料模擬電芯力學性能，動力電池各部件單元類型及材料參數如表1所示，動力電池包經質量單元配重后總質量為441 kg。

在有限元模型中，利用RBE2剛性連接單元模擬電池模組與固定橫梁之間的螺栓安裝點和上、下殼體間的安裝點。電池包下殼體周邊有15個吊掛螺栓安裝孔，用于與車體安裝連接，在模型中同樣用RBE2剛性連接模擬。電池包上箱蓋采用牌號為SCR2252的快速固化阻燃預浸料樹脂復合材料，具有較好的機械強度和阻燃性，下殼體為鋁制材料。

為驗證動力電池包有限元模型的準確性，對其進行模態仿真分析和實物模態試驗驗證。

模態分析可以得到動力電池包一階固有頻率和振型，從而觀察電池包結構動態載荷分布狀態。對電池包吊掛安裝點6個自由度進行全約束，模擬電池包與車身的約束安裝狀態，對電池包及其上箱蓋進行模態仿真分析。采用力錘法對動力電池包箱體及上箱蓋進行模態試驗[7]。仿真分析結果和試驗結果如表2所示，電池包箱體及上箱蓋一階模態頻率誤差均小于5%，證明動力電池包有限元模型較為準確。

由于路面引起的車身振動頻率通常在30 Hz以下[8]，電池包箱體和上箱蓋一階模態頻率均大于30 Hz，表明該結構設計可以避開路面激勵的頻率范圍，符合性能要求。

2.3 整車有限元模型建立

如圖2所示，鋰離子動力電池包搭載車型為某純電動車型，該車型軸距為2 585 mm，整車長度為4 200 mm，整車寬度為1 780 mm，整車高度為1 638 mm，整備質量為1 575 kg。該車型動力電池包固定在車身底板下部，電池包側邊通過螺栓連接固定在車身門檻梁上，前部通過螺栓連接固定在前圍下橫梁處，電池包后部延伸至后副車架前，該形式為目前純電動汽車動力電池包的典型布置方案，可有效提高裝載電量。

如圖3所示，建立整車側面剛性柱碰撞仿真模型，模型前處理軟件選用HyperMesh，求解器為LS_DYNA，模型共有2 158 676個節點、2 630 992個單元，以殼單元為主，單元尺寸為4～9 mm，其中三角形單元有55 250個，占單元總數的2.1%，符合小于5%的要求，主要采用Belytschko-Ysay單點積分類型[9]。根據《C-NCAP管理規則（2021年版）》[10]試驗要求，整車含規定配重總質量為1 738 kg。

在模型中設置平行于車輛碰撞速度矢量的垂直面與車輛縱向中心線間形成75°夾角。車輛碰撞速度設置為32 km/h，仿真計算時間設置為100 ms。

2.4 碰撞仿真結果分析

圖4描述了碰撞仿真過程中系統能量的變化過程，隨著仿真時間的推移，系統動能不斷減少，內能逐漸增加。在仿真結束時刻，系統總能量為71.77 kJ，沙漏能為1.55 kJ，沙漏能占總能量的2.15%，小于5%的標準，一定程度上證明了模型結果有效。

仿真分析得出的整車變形位移云圖如圖5所示，可以看出，第30 ms時，剛性柱已經明顯開始侵入車體邊梁，第60 ms時達到最大變形狀態，車門及側邊梁結構凹陷嚴重，第90 ms時，剛性柱已經與車體脫離，車體受壓結構部分回彈。

2.5 整車側面柱碰撞試驗

根據《C-NCAP管理規則（2021年版）》的試驗要求，進行整車側面剛性柱碰撞試驗。如圖6所示，車輛以32 km/h的速度、75°夾角撞擊固定剛性柱，觀察碰撞后的結構變形狀態[10]。同時，如圖7所示，在電池包殼體中心位置安裝加速度傳感器，測量該位置處的加速度沖擊。

如圖8所示，對比仿真分析結果及試驗錄像，在碰撞最嚴重時刻，即與剛性柱發生碰撞接觸后第60 ms左右時，車體受剛性柱沖擊達到最大變形狀態，試驗及仿真中的車輛運動姿態與變形狀態表現一致。

讀取并處理試驗所得的沖擊加速度數據，與仿真分析結果進行對比，如圖9所示。電池包殼體中心位置沖擊均達到25 g以上，沖擊幅值和加速度隨時間變化趨勢表現一致。試驗所得峰值加速度為26.8 g，仿真分析所得峰值加速度為26.3 g，仿真分析誤差為1.9%，充分證明了仿真模型的準確性。

綜合以上仿真分析和實車碰撞試驗的結論，在側面剛性柱碰撞中，受沖擊一側車體凹陷變形嚴重，危及動力電池包結構安全。通過對比分析仿真計算的能量變化、車體變形狀態及加速度響應，充分驗證了有限元模型的準確性。

3 動力電池結構響應分析

3.1 結構變形分析

為確保純電動汽車在碰撞過程中的安全性，電池模組的結構安全至關重要。文獻[1]、文獻[11]～文獻[14]都對電池模組的擠壓損傷極限進行了相應研究，證明動力電池模組可以承受一定限度的擠壓而不發生起火、爆炸。但實際碰撞過程中，車身結構對電池的沖擊侵入情況更為復雜，電池模組一旦被侵入，將陷入不穩定狀態，短路和漏液風險增加，系統危險性也同步大幅增加。為有效保障安全性，建議在純電動汽車整車碰撞性能開發過程中，任何形式的碰撞都不應出現擠壓侵入動力電池包內部模組的情況。

通過動力電池包的變形狀態可以更加直觀地觀察碰撞全過程對電池包的影響。如圖10所示，在第0～30 ms時間段內，電池包邊緣逐步發生變形，此時，剛性柱與車輛外部結構接觸，車門及門檻梁作為直接受力部件接受沖擊，車門和門檻梁的變形為電池包提供了緩沖；在第30～60 ms時間范圍內，隨著碰撞能量的不斷加大，車輛變形逐步嚴重，碰撞力傳遞到電池包框架上，電池包變形也逐漸達到最大；在第60～90 ms時間段內，車輛開始發生回彈，電池包變形趨于平穩，碰撞過程結束，電池包的變形過程持續約30 ms。

電池包外框架及內部支撐梁的受力變形情況如圖11、圖12所示：電池包受沖擊一側外框架結構隨車身門檻梁產生了嚴重的彎曲變形，電池包與車身連接的吊掛點位置也承受了較大的沖擊力；電芯模組安裝于電池包內部支撐梁處，除碰撞側支撐梁受力變形嚴重外，電芯模組安裝點位置也承受了較大的沖擊力；支撐梁與外框架搭接接觸位置變形明顯，實際碰撞過程中可能發生局部安裝點失效。

在電池包受沖擊一側，選取第4排X向排列模組頂點位置處對應的電池包框架位置為基準，作為測量點1。其后每隔160 mm取一測量點，如圖13所示，測量模組與電池包框架內壁間隔距離L的變化情況。

測量所得各測點與電池模組間隔距離L的變化曲線如圖14所示，可以看出，L從碰撞開始時的46 mm逐漸下降，表示隨著碰撞的發生，電池包側邊結構受到擠壓，發生形變。測點3、測點4最靠近剛性柱撞擊位置，形變最為嚴重，測點4形變最嚴重時L僅為4 mm，即電池外框結構侵入電池42 mm，從仿真結果上看，電池包外框結構并未侵入接觸到模組。

3.2 加速度分析

瞬時的加速度沖擊是評價結構損傷的重要指標之一。短時過大的加速度沖擊很可能引起電池包內部短路，甚至導致動力電池系統整體起火和爆炸。因此，評價加速度沖擊指標非常關鍵。當電池模組及其安裝機構受到較大的加速度沖擊時，可能導致電池模組觸點松動、脫落等問題，從而引起短路。

為測量動力電池包加速度沖擊，在電池包周邊及中間位置增加加速度測點，測點1～測點6位置如圖15所示。

如圖16所示為測點1～測點6的加速度沖擊響應曲線。測點1最接近碰撞位置，最大加速度為91 g，該位置處于直接沖擊范圍，所以變形較大，所承受的加速度沖擊也最大。在GB/T 31467.3—2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統 第3部分：安全性要求與測試方法》中，規定模擬碰撞工況下，電池包系統要承受上限峰值15 g，持續時間30 ms的y向沖擊加速度，要求在以上沖擊條件下電池系統無泄漏、外殼破裂、著火或爆炸等現象。測點2～測點6位置處加速度沖擊最大值在20～25 g范圍內，持續時間為25 ms，表明碰撞過程中電池包系統普遍承受較大的加速度沖擊。

為緩解動力電池系統在側面柱碰撞工況下的加速度沖擊，應聯合車身結構進行優化設計，在門檻承載處設計有效吸能結構，不僅提供足夠的結構支撐作用，還要最大限度降低碰撞加速度沖擊。

在側面剛性柱碰撞工況下，由于布置原因，動力電池一般位于碰撞壁障直接沖擊位置，因此，為保障碰撞后車輛不發生漏電、起火和爆炸現象，應在電池包和門檻梁結構設計時進行針對性安全設計，建議如下：

a. 總布置階段，應在電池包側邊及門檻梁處預留足夠空間，并設計成腔體結構，以便在碰撞發生時利用結構變形吸收足夠大的沖擊載荷。

b. 針對重點碰撞位置，在門檻梁處增加局部承載結構，提供足夠的支撐吸能作用，避免造成電池包嚴重損傷。

4 結束語

本文建立了包含動力電池系統的整車側面柱碰撞有限元模型，通過實車試驗驗證了其準確性，并分別從結構變形和加速度沖擊的角度分析了側面柱碰撞工況下動力電池系統的結構響應，結果表明，側面柱碰撞工況下，動力電池包外框架及內部支撐結構均發生較嚴重的變形，電池系統各位置均承受較大加速度沖擊。最后，本文基于側面剛性柱碰撞的特點，指出碰撞過程中產生的結構變形和加速度沖擊是影響動力電池結構安全性的重要因素，提出了對動力電池結構和車身門檻梁結構進行針對性安全設計開發的建議。

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