电动汽车电池碰撞安全研究——等效梯形冲击波验证

文/俞骏威

【机动车专栏】

电动汽车电池碰撞安全研究
——等效梯形冲击波验证

文/俞骏威

电动汽车碰撞过程中电池安全非常重要。文章对如何将实车试验中电池组外壳体上采集到的加速度波形，按照特定的方法进行等效梯形波处理进行了阐述。这种等效的梯形波可以较低的成本在试验室部件试验中进行复现，并通过CAE仿真分析，从壳体连接螺栓强度和电池模块连接螺栓强度这两个方面，将原始波和等效波的效果进行电池冲击安全验证。

电动汽车 电池组动态冲击 等效梯形波 零部件试验

在实车碰撞研究中，电动汽车相比于传统汽车的特殊性主要体现在两个方面：一方面是高能量、大质量的动力电池在碰撞中受到挤压损伤时，有起火和爆炸的可能性；另一方面是高电压的电驱动系统碰撞后，可能会与乘员发生直接或间接接触，从而引发电击伤害。这就要求电动汽车除了要符合汽车正面碰撞、侧面碰撞的乘员保护要求外，还要符合针对其特殊结构特点的法规和标准。从动力电池角度来讲，安全要求碰撞发生后动力蓄电池、蓄电池包或其部件（蓄电池模块、电解液）不能蹿入乘客舱内或从车上甩出等。要符合这些标准要求，就要通过合理布置动力电池组的位置，并采用安全坚固的固定方式来满足。比如应尽可能将电池组布置在车辆碰撞的非变形吸能区域内，避免动力电池在碰撞中产生挤压变形；动力电池箱应尽量采用与车身纵梁等稳固件连接的方式；采用独立稳定的整体框架式结构对单体电池进行固定；高压电线应尽量与车身非变形结构相连，并加强绝缘保护等。为此，对系列电池安装位置和连接方式的安全性、风险评估等方面展开以下研究。

一、电池组碰撞安全性风险方面研究

电动汽车碰撞电安全性的风险是碰撞中由于电动汽车内部工作的高压电造成的，一般电动汽车具有上百伏的高压电系统。在碰撞这种极端情况下，极有可能发生电动汽车高压电短路和突然断路的情况，由于其过高的工作电压，往往会发生比传统车辆碰撞后更为严重的后果。这就需要从短路风险、断路风险以及电池冲击等其他因素方面对其碰撞安全性进行风险评价。

1. 短路风险

电动汽车碰撞中高压电部件存在两种短路形式。第一种为电源短路，可以分为电源内部短路和电源外部短路。电源内部的正负极隔膜容易在碰撞中受到破坏，这会造成正负极片之间的短路，产生极大电流，从而导致电池的起火燃烧。电源外部短路是指电源外部没有接任何负载，电流直接从电源正极流向电源负极。在对动力锂离子电池进行外部短路试验中，发现电池温度有明显上升的现象。锂离子电池在温度升高的情况下加快了锂离子电池内正负极反应和隔膜氧化作用，降低了电池内隔膜的绝缘性，从而导致电源的内部短路。第二种为在用电器短路，是指部分电路被短路，这会使整个电路负载降低，电流直接变大，引起其他在用电器温度升高，遇到火花则有可能引起火灾。此外，短路还会造成高压电线绝缘层破坏并与接地车身接触，这种现象为对地短路，出现对地短路，绝缘电阻大大降低，人体一旦接触到电底盘和高压电部件，很有可能被电击。在电动汽车碰撞法规中，对绝缘电阻的测量就是检测碰撞后是否发生对地短路。

2. 断路风险

高压电突然断路也是电动汽车电安全性的另一种危险。在切断高压电路的瞬间，断开两端的空气，因两端有电压发生电离，在空气中放电，形成电弧。放电电压越高，电弧越长。电弧是强功率的放电现象，在电弧区内的任何固体、液体或气体，在电弧作用下都会产生强烈的物理化学反应。电弧能维持相当长的电弧稳定燃烧而不熄灭，可能点燃绝缘层，造成火灾。

3. 电池组受动态冲击风险

电池组虽然安装在车身的非变形吸能区域内，壳体一般不会在碰撞中产生挤压变形，但它仍存在安全风险。电池模块通常用螺栓连接在电池组壳体的支架上，而电池组壳体也通过螺栓连接在汽车的固定支架上。在车辆碰撞时，过大的冲击载荷会使得固定支架的结构失效和螺栓强度失效，导致电池组或电池模块脱离连接，壳体与其他部件、壳体与电池以及电池之间会产生挤压，外壳发生变形，造成对电池内部的侵入，从而形成内部短路。电线在电池运动时被迅速拉扯，拉扯程度过大时会发生断裂，发生突然断路。

同时，加大速度冲击会对电池内部电路造成影响，电极材料有可能出现脱落现象，隔膜由于自身比较薄，会出现破裂，从而导致正极材料和负极材料的直接电子导通，或者铜（铝）集流体与正（负）电极材料接触（即产生了内部短路），产生了局部较大的放电电流和欧姆热。若多个位置发生内部短路，产生的热量会引起其他副反应的发生，如电极和电解质的分解等，电池温度会出现明显上升。

二、电动汽车碰撞特殊要求及动力电池冲击试验要求

国内外关于电动汽车安全标准和法规主要有：GB/T 18384.1-2001《电动汽车 安全要求 第1部分：车载储能装置》、GB/T 19751-2005《混合动力电动汽车安全要求》、美国的FMVSS 305《电解液溢出及电机事故防护》和欧洲的ECE R94-1995《在汽车正面碰撞中保护乘员的统一规定》等。这些标准和法规中对于电动汽车碰撞安全的特殊要求见表1所示。针对动力电池试验，标准和法规中主要规定了储能装置的滥用试验。试验项目包括：机械试验，包括冲击、跌落、穿刺、翻转、浸没和挤压试验；热滥用试验，包括热辐射、热稳定性和热冲击试验等；电滥用试验，包括短路、部分短路、过充电和过放电试验等。

表1 电动汽车碰撞安全特殊要求

美国汽车工程协会SAE J2464-2009《电动和混合动力电动汽车充电储能安全和滥用试验》标准中对电池组动态冲击试验方法进行了规定：将电化学储能装置（ECSS）采取与整车尽可能接近的约束方式装在冲击设备上，加载不同等级的冲击波形：低等级的冲击可以检验ECSS的鲁棒性，ECSS在试验后通常不会遭到破坏；一般等级的冲击能反映ECSS的恶劣工况，ECSS在试验后会失效。不同冲击等级以速度变化和对应的最长持续时间确定，见表2所示。

表2 SAE J2464-2009冲击试验等级和其要求

SAE J2464-2009的这项试验虽然规定了电池组冲击的持续时间和速度变化，但它对波形的具体形式规定模糊，并不能反映电池组在实车碰撞中的碰撞载荷，也就无法反映电池组在碰撞中的失效形式。同时，它缺少对电池组安全性的评价标准，因此有必要对动态冲击波形进行研究。从前面的研究中基本可以确定电池组的动态冲击安全性主要是由于连接失效，而在没有受到其他部件挤压的情况下，连接失效的原因主要分为连接螺栓在动态冲击过程中受到过大的载荷，强度不足而发生断裂，电池组或电池模块与连接支架脱离，与其他部件相接触。基于此，本文将建立电池组动态冲击有限元仿真模型，通过计算分析考核螺栓强度来评价电池组的冲击安全性能。此外，为了便于对其进行零部件试验，本文还对实车试验中得到的电池组外壳加速度进行等效波处理，以达到较为便利进行试验的目的。

三、典型电池组结构与其建模和仿真实验

本文研究的电池组采用较为典型的结构，电池组壳体尺寸为500 mm×185 mm×195 mm，总重为14.5 kg。电池组分为两个电池模块，每个模块包含20块单体电池，每块单体电池质量为0.32 kg，壳体底部焊有4个连接支架，各自通过M10螺栓固定在汽车上，每个电池模块通过4个螺栓与焊接在壳体上的支架连接，整体结构如图1所示。通过Hyperworks软件对CAD数模进行几何清理和网格划分，并将属性和材料信息输入，然后进行连接设置，最后通过设置接触、配重、加载以及控制卡片设置生成可导入到LS-DYNA进行仿真计算的最终文件（见图2）。

图1 电池组及框架结构连接图

图2 电池组CAE模型图

从有限元仿真结果中，可以获得一维梁单元的轴向受力和横向受力。由于在LS-DYNA中，建立一维梁单元需要有3个节点信息，这3个节点确定了一维梁单元的3个方向（如图3所示）。从仿真结果中可以获得r、s以及t方向的受力。

图3 一维梁单元3个节点和方向

在建模中，梁单元的r方向设定为螺栓的轴向方向，r方向的受力就是螺栓的轴向受力。螺栓的横向受力是梁单元s方向上的力与t方向上的力的合成力，s方向与t方向相互垂直，轴向受力计算方法见公式（1）。

对于单个螺栓，提取其在碰撞中轴向受力和横向受力的曲线，取轴向受力和横向受力的最大值以计算螺栓在碰撞中的应力，与许用应力进行比较，一旦超过许用应力，则判定螺栓强度失效。在整车中连接高压电部件的螺栓都是性能牌号4.6的螺栓，螺栓材料为Q235。参考机械设计手册可知，该螺栓的屈服极限为240 MPa。对于轴向拉伸，螺栓总拉力见公式（2）。

式中：F’为螺栓受到的预紧力；F前的分式为相对刚度系数，由于使用的是金属垫片，取0.2；F0为螺栓受到的最大螺栓轴向力。

对于螺栓承受最大拉应力，校核公式见公式（3）。

式中：F0为螺栓所受最大拉伸力；d1为螺栓的小径，通过查阅机械设计手册获得；σlp为螺栓的许用拉应力，其计算公式见公式（4）。

式中：σs为螺栓的屈服极限；Sσ为安全系数，取1.5；对于横向剪切，螺栓剪切强度校核公式见公式（5）。

式中：Fs为螺栓受到的横向载荷；i为螺栓受剪面数；d0为螺栓受剪面直径；τp为横向剪切许用应力，其计算公式见公式（6）。

（6）式中σs为安全系数，由于在碰撞中受到的是变载荷，取3.5。

四、电池组动态冲击试验简化波形

汽车约束系统台车试验中，仅要求复现波形在一定区间内，因为这样已经可以较准确地反映假人伤害，这给电池组的冲击试验提供了借鉴意义。首先为了最真实地反映实车试验中电池组承受的冲击，取得该型电动车辆按照C-NCAP中正面100%RB碰撞试验中电池外壳的加速度数据，采集到加速度信号经SAE60滤波后如图4所示。

图4 C-NCAP100%RB碰撞时的电池组外壳加速度波形图

机械冲击试验中一般用半正弦波、后峰锯齿波和梯形波等简易波形进行实际冲击波形的等效替代。本文选择梯形波作为电池组动态冲击替代波形，它可以通过多种结构相对简单、成本较低的机械装置实现。比如：薄壁圆形吸能管、钢筋阻尼式吸能装置等。冲击波形的技术指标包括速度变化量、峰值加速度和脉冲持续时间等。

五、螺栓连接强度分析

1. 壳体连接螺栓强度对比

将实际加速度曲线和梯形波曲线分别在CAE计算中加载，并从模型中取出电池组壳体支架螺栓，以及电池模块连接螺栓的最大轴向拉力和最大横向剪力，进行计算，得到拉应力和剪应力，然后对加载两种波形得到的结果进行对比。

2. 电池模块连接螺栓强度对比

在通过上述CAE计算中，还对电池模块连接螺栓进行了同样的分析，得到螺栓拉应力对比和螺栓剪应力对比。最终加载两种波形的电池模块连接螺栓的拉应力和剪应力相对误差均较小，最大为5.4%，均在10%之内。从上可以说明，梯形波对电池组冲击过程中螺栓应力的计算拟合程度较高，可以等效替代实际的碰撞波形。

六、结语

连接螺栓失效是引发电动汽车动力电池组的动态冲击安全性主要原因。基于此，通过建立电池组动态冲击有限元仿真模型，计算分析考核螺栓强度来评价电池组的冲击安全性能，并采用等效梯形波对整车碰撞中电池组受到的复杂波形冲击进行替代，可以较为精确地对电池组壳体和电池模块上连接螺栓的强度进行等效分析，对动力电池的碰撞安全性进行验证。

Battery safety is very important for electrical vehicle when collision happens. The article describes how to process the acceleration waveform collected on the battery casing body during actual crush test by following a specif i c method of equivalent trapezoidal shape wave. This equivalent trapezoidal shape wave can be reproduced at a lower cost when testing parts in a laboratory. The article conducts battery impact safety verif i cation and comparison on effect of original wave and equivalent wave by CAE simulation analysis from two aspects, which include the strength of bolt connecting the casing body and the bolt connecting the battery module.

Electric vehicle; Dynamic impact of the battery; Equivalent Trapezoidal impact impulse; Component test

（作者单位：上海机动车检测中心）