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1前言

最近小編一直在研究國(guó)內(nèi)外汽車法規(guī)及新車評(píng)價(jià)規(guī)程，以及閱讀電動(dòng)車電安全相關(guān)的論文，小編突然冒出一個(gè)想法，就是到底哪種碰撞工況下電池?fù)p傷比較嚴(yán)重，心動(dòng)不如行動(dòng)，小編就利用FE手段分析了一下，隨著分析的深入，一不小心提出一種基于電池模組損傷容限的動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法，這個(gè)方法有利于車輛的輕量化，降低電動(dòng)汽車能耗及整車物料成本。于是貼出來給大家看看，歡迎批評(píng)指正。

2不同碰撞工況下動(dòng)力電池特點(diǎn)

小編嘔心瀝血地分析各國(guó)及地區(qū)的法規(guī)，認(rèn)為對(duì)車身結(jié)構(gòu)損傷較大的典型工況有56km/h正面剛性墻（FFB），64km/h 40%重疊可變形壁障（ODB），64km/h 25%重疊剛性壁障（SOB），50km/h 50%兩車對(duì)撞（MPDB），60km/h 1400kg可變形移動(dòng)壁障（Euro NCAP AEMDB），32km/h 75°側(cè)面剛性柱（SP）等6個(gè)工況。因此就分析了這幾個(gè)工況，考慮動(dòng)力電池防護(hù)的要求，SP工況考察了包括規(guī)程要求的假人頭部質(zhì)心在內(nèi)整個(gè)動(dòng)力電池所覆蓋的范圍，變形情況如圖1?？梢钥闯?，F(xiàn)FB工況（圖1.a）、ODB工況（圖1.b）及MPDB工況（圖1.d）中，動(dòng)力電池框架未受擠壓。主要是因?yàn)殡妱?dòng)汽車與壁障重疊較高，防撞橫梁及前縱梁參與變形吸能；此外，前艙中未布置發(fā)動(dòng)機(jī)，可變形區(qū)域較大。SOB工況（圖1.c）中，電池模組雖未受到擠壓，但由于車輛與壁障的重疊率較低，車身參與吸能的結(jié)構(gòu)較少，車身吸能較少。車輪受到較大擠壓，撞擊過程中與動(dòng)力電池間隙較小，使得動(dòng)力電池受擠壓風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，SOB是電動(dòng)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)關(guān)注的工況。AEMDB工況（圖1.e）中，由于trolley小車的動(dòng)能在碰撞中主要被前端的蜂窩鋁及B柱、車門等結(jié)構(gòu)吸收，門檻變形量較小，因此動(dòng)力電池沒有被擠壓的風(fēng)險(xiǎn)。SP工況（圖1.f）中，動(dòng)力電池框架明顯受到擠壓。這是由于車輛的動(dòng)能需完全被自身結(jié)構(gòu)所吸收，側(cè)圍與動(dòng)力電池之間可變形空間較小，當(dāng)空間完全被壓縮，能量還未完全耗散，就會(huì)導(dǎo)致周圍結(jié)構(gòu)擠壓動(dòng)力電池。此外，小編發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剛性柱沿著車輛縱向移動(dòng)時(shí)，動(dòng)力電池受擠壓程度不同，這不僅與車輛質(zhì)心和剛性柱中心線同碰撞速度方向所確定平面的距離有關(guān)，與撞擊區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也有較大關(guān)系。另外，一般來說，動(dòng)力電池吊掛點(diǎn)分布合理，吊掛點(diǎn)結(jié)構(gòu)及周圍車身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足剛度要求，動(dòng)力電池在法規(guī)及新車評(píng)價(jià)體系的碰撞工況中不會(huì)移位。因此，后續(xù)對(duì)動(dòng)力電池保持在原位置的要求不再進(jìn)一步討論。

圖1 典型高速工況下動(dòng)力電池變形情況

3電動(dòng)汽車碰撞安全設(shè)計(jì)方法

另外小編發(fā)現(xiàn)由于對(duì)動(dòng)力電池模組的力學(xué)性能與電化學(xué)性能之間的關(guān)系認(rèn)識(shí)不夠深入，目前多數(shù)主機(jī)廠設(shè)定電池模組不能被擠壓，并基于此進(jìn)行動(dòng)力電池的防護(hù)設(shè)計(jì)，具體流程如圖2。這種方法（方法1）對(duì)車身耐撞性要求過于嚴(yán)苛，一般會(huì)產(chǎn)生過設(shè)計(jì)，導(dǎo)致車身重量增加，加大能耗，降低續(xù)航里程。小編就想電動(dòng)車發(fā)展這么多年了，有沒有更好的方法呢？于是研究來研究去，就提出一種基于電池模組損傷容限進(jìn)行電動(dòng)汽車動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)的方法（方法2），具體流程如圖3。

圖2 傳統(tǒng)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法流程圖

圖3 基于電池模組損傷容限的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法流程圖

可以看出方法2中有兩個(gè)因數(shù)對(duì)動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)的影響較大：一是動(dòng)力電池防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的確立需要通過大量的試驗(yàn)研究，小編分析的設(shè)計(jì)案例涉及的動(dòng)力電池防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)試驗(yàn)研究見文獻(xiàn)[3]，試驗(yàn)邊界條件即是通過方法2中的流程獲取。通過試驗(yàn)分析得出電池模組內(nèi)短路時(shí)的電池單體的損傷容限見表4。

表4 動(dòng)力電池模組損傷容限

考慮到整車電安全的穩(wěn)健性，需引入安全系數(shù)對(duì)電池模組的損傷容限進(jìn)行加權(quán)，具體見公式:Si=aSitmin

其中，Si指電池模組第i個(gè)損傷指標(biāo)安全閥值，Sitmin指試驗(yàn)中電池模組第i個(gè)損傷指標(biāo)的最小容限值。為了保險(xiǎn)起見，設(shè)定安全系數(shù)a為0.6。由于內(nèi)短路時(shí)刻前，電解液未發(fā)生泄露，在安全閥值內(nèi)，電解液泄露的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步減小，所以設(shè)計(jì)中不再考慮電解液泄露，電池模組的損傷指標(biāo)設(shè)定為侵入位移和載荷。

二是電池模組有限元模型的精度。本文中使用的模組模型先通過CAD的數(shù)據(jù)初步建立，用于提取模組力學(xué)試驗(yàn)的邊界條件，再通過準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)標(biāo)校核，以確保模組的有限元模型的精度，具體建模方法這里不再詳細(xì)討論。

基于SP工況，通過方法1和方法2對(duì)本文中涉及電動(dòng)汽車優(yōu)化后的電池模組的損傷仿真值見表5。相對(duì)于方法2，方法1為保證電池模組不被擠壓，對(duì)車身及電池框架進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)設(shè)計(jì)，整車結(jié)構(gòu)增重2.36kg。

表5 動(dòng)力電池模組各向受擠壓情況

4結(jié)論

1、當(dāng)前主要國(guó)家及地區(qū)法規(guī)及新車評(píng)價(jià)體系的碰撞工況中，32km/h 75°側(cè)面剛性柱工況下，動(dòng)力電池受損風(fēng)險(xiǎn)最大。動(dòng)力電池受損傷程度與車輛質(zhì)心同剛性柱中心線和碰撞速度方向所確定平面的距離以及整車結(jié)構(gòu)均有關(guān)系。

2、基于電池模組損傷容限的動(dòng)力電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法能夠有效降低車身重量，利于整車輕量化，提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，降低整車物料成本。