电池包侧面碰撞仿真响应特性和安全性分析

董晴雯，王丽娟，陈宗渝，程晨，吴波

(南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330031)

我国汽车行业发展还处于迅速发展时期，面临能源紧缺和环境污染两大难题，在国家政策的支持下，电动汽车获得迅猛的发展。电池包作为纯电动汽车的唯一动力来源，其结构的安全性关乎整车安全性。在汽车碰撞的过程中，电池包可能受到外力冲击挤压，导致电池包脱落或者电池包壳体发生破裂，当电池包发生一定变形，甚至会产生起火、爆炸现象[1-2]。针对电动汽车，碰撞法规对碰撞后电动汽车及电池包提出了相关安全性要求。电池包安装在电动汽车中部，与正面碰撞和追尾碰撞相比，侧面碰撞缓冲吸能空间更小，是更恶劣的工况，对电池包的威胁更大，能更直观地反映电池包的碰撞响应特性[3]。

针对电池包结构的安全性问题，国内外很多学者进行了研究。王震坡等[4]根据整车变形、电池箱前面板(保险部位)变形、电池模块的运动、各部位缓冲吸能能力、电池模块等效应力等参数评价了动力电池包在碰撞过程中的安全性，并指出了影响安全的主要因素：电池箱门骨架刚度小、电池模块固定能力差、碰撞区侧围骨架缓冲吸能能力弱。李明秋等[5]通过对电池包进行动静态有限元分析得到电池包的上箱盖局部刚度严重不足，且下箱体底板强度不够的结论。通过结构优化设计，电池包箱体刚度和强度满足要求且总质量减小66.61%。姜高松等[6]通过仿真分析对电池箱体结构设计的合理性进行综合评价，结果显示：电池箱的上箱盖刚度不足，但是箱体底部支撑框架却有很大的设计余量。对电池箱上箱盖进行了形貌优化，对电池箱下箱体框架进行尺寸优化，不但整体刚度得到了提高，而且在满足强度的要求下，总质量减小了5.5%。Istiyanto等[7]通过建立电池架正面碰撞、侧面碰撞以及后面碰撞仿真模型分析电池架安全性，对电池架进行优化设计，提高了电池架耐撞性能。Hartmann等[8]提升了电池箱的固有频率，并且达到车辆激励频率的范围，通过减少电池箱的厚度，实现电池箱的轻量化设计。Kukreja等[9]建立整车有限元模型进行整车碰撞分析，比较了多个电池组配置，得出使用多功能(耐损伤和能量存储)电池系统可以确保电池安全并有助于整体碰撞中的能量吸收。上述研究均对电池包的安全性进行了分析，但是大多数研究仅对电池箱体进行了安全性评估分析，而忽略了电池包内部结构的安全性。本文通过建立精细化的电池包模型，利用LS-Dyna软件进行整车侧面碰撞仿真分析，探究电池箱体和内部模组的响应特性，根据仿真计算结果对车体结构和电池包箱体及其内部模组进行碰撞后安全性评估分析。

1 整车有限元模型的建立

1.1 精细化电池包有限元模型的建立

电池包结构主要包括上箱盖、下箱体、吊耳、电池模组、接插孔、从控模块等，电池模组包括水冷板、螺栓、单体电池、电池压板、电池罩盖、电池支架等，电池包总共有14个模组，每个模组有12个电池单体，电池包的几何模型如图1所示。

为了探究电池箱体及其内部模组的响应特性，得到与实际更吻合的计算结果，将建立精细化的电池包有限元模型。综合考虑建模效率和结构对力的传递路径的影响，电池包模型将保留上箱盖、下箱体、吊耳、下箱体支撑板、电池模组、电池支架、压板、水冷板等部件。由于研究对象是电池包，且进行整车侧面碰撞分析，因此采用均质化建模方法建立电池模组有限元模型。文献[10]根据电池单体力学试验，得到电池的力学特性，并发现一种可压缩泡沫材料与该性质极其相似，建立材料本构模型，并采用均质化建模方法建立电池单体模型进行仿真分析，且仿真结果与实验结果十分吻合。因此电池芯层材料选用各向同性可压缩泡沫材料，电池外壳材料选用铝，电池包下箱体、上箱盖、吊耳、下箱体支撑板等部件所用的材料均为Q235钢材，压板、电池支架等部件所用的材料均为PA6塑料，各材料参数如表1所示，有限元模型如图2所示，其中图2(a)为箱体有限元模型，图2(b)为模组有限元模型。

表1 材料参数Tab.1 Material parameters

1.2 车体结构有限元模型的建立

将车体结构分为白车身和车门闭合件等各大总成进行建模。根据建模标准，利用HyperMesh前处理软件对车体结构进行网格划分，然后在Oasys Primer软件中根据仿真需要定义相关卡片。汽车碰撞仿真中常用的材料有橡胶、塑料、玻璃、铝合金以及钢材等，不同材料的参数各有所不同，为了仿真结果的可靠性，通过试验获得材料的实际参数。各部件之间的连接方式不同，根据实际连接方式定义各部件之间的连接。电池包安装位置如图3所示，整车有限元模型建立完成，如图4所示。

2 电池包侧面碰撞仿真安全性分析

2.1 整车侧面碰撞仿真模型可靠性分析

按照国标GB 20071—2006建立整车侧面碰撞仿真模型，调整移动变形壁障与整车的相对位置，设置移动变形壁障的初始速度为50 km·h-1。综合考虑汽车侧面碰撞持续时间和模型计算时间，本模型设置的计算时间为150 ms，整车侧面碰撞仿真模型如图5所示。图6为仿真模型的能量曲线。通过对能量变化曲线的考察，可以得出系统的总能量为92 kJ。在碰撞的过程中沙漏能一直保持一个很小的值，约占总能量的1.8%。图7为质量增加曲线，最大的附加质量为22.34 kg，附加质量的比值约为2.08%，满足整车碰撞仿真可靠性要求[11-12]。

LS-Dyna软件中进行整车侧面碰撞仿真，整车变形如图8所示，整车侧面碰撞试验整车变形如图9所示。对比2张图片可以发现，图示1、2、3、4处仿真结果和试验结果的变形特征基本相同，整体来看，仿真结果与试验结果具有较好的一致性。

2.2 电池包侧面碰撞仿真响应特性和安全性分析

2.2.1 电池包支架分析

在电动汽车发生碰撞时，要求电池包壳体不得破裂，图10和图11分别是整车侧面碰撞电池包支架和电池包壳体的应变云图，电池包支架的最大应变为4.22%，电池包壳体的最大应变是3.28%，材料都为Q235，破坏应变为25%，说明在整车侧面碰撞过程中，电池包支架和电池包壳体没有破裂的风险。

2.2.2 电池箱体变形分析

图12是侧面碰撞过程中对应60、90、120、150 ms时刻的电池包变形和位移云图，在整个碰撞过程中，门槛梁和地板变形较小，侵入位移量也较小，说明地板横向刚度较大，对电池包有一定的保护作用，使电池包未受到挤压，电池箱体只有轻微的变形，且没有脱落车体结构或穿入乘员舱内，满足法规中对碰撞后电池包的要求。电池包前端的位移最小，越往后位移越大，在电池包后端位移达到最大，这是因为电池包的前端靠近A柱、前侧围区域，电池包的后端靠近B柱，是碰撞过程中的主要承载区域，如图13所示。

电池箱体的变形容易使电池包内部结构受到挤压，有可能会引起电芯的起火、爆炸，因此在电池包碰撞侧选取3个测点测量电池箱体的侵入量，位置如图14所示，测点3靠近车后轮，测点2距测点3沿负X向325 mm，测点1距测点3沿负X向650 mm，3个测点在Z向上均处于下箱体上部位置。图15是3个测点在整个碰撞过程中的侵入量-时间变化曲线，可以看到电池包最大侵入量是3.7 mm，而在Y方向上电池箱体距离水冷板的最小距离是12 mm，因此电池箱体的侧壁不会与电池内部结构接触，不会对电池内部结构的碰撞安全产生威胁。

2.2.3 电池包内部模组安全性分析

图16是碰撞过程中60、90、120、150 ms时电池包内部模组的位移云图，图17是碰撞结束时即150 ms时内部电池模组固定结构的变形云图。在整个碰撞过程中，电池模组与电池箱体保持良好的连接，电池模组未从电池结构内散落，且没有从电池箱体中甩出，满足法规中对碰撞后电池系统的要求。直到碰撞结束，电池罩盖、电池支架、电池模组固定支架、水冷板、螺钉、电芯连接铜片都没有产生明显的变形，内部电池模组固定结构随着电池箱体在Y方向做了平移运动，这也阻止了电池模组的窜动，起到保护电池模组的作用，且电池模组没有受到挤压，未发生明显变形，不会导致电池内部发生短路失效。

电池模组由于自身质量较大在碰撞过程中也会产生很大的惯性冲击，电池单体之间通过极耳与铜片连接，若是电池单体承受过大的惯性冲击，会导致连接失效，则电池单体有短路的风险。本文以电池模组为研究对象，以电池模组的加速度响应情况为依据对电池包的侧面碰撞安全性进行评价。如图18所示，电池包内共有14个电池模组，记录每个电池模组在碰撞过程中的加速度变化情况。通过对比所有电池模组的的加速度变化曲线，发现加速度最大值出现在模组7上。如图19所示是模组7的加速度-时间变化曲线，加速度峰值出现在56 ms，加速度最大值为26g，相关研究表明电池单体或模组最大能承受35g的加速度冲击[13]，因此在整车侧面碰撞工况下，电池模组所受最大加速度在安全范围内，电池包没有内部短路风险。

3 结论

通过对比整车侧面碰撞仿真和试验结果对整车侧面碰撞仿真模型可靠性进行评估，结果显示仿真结果与试验结果有较好的一致性，验证了模型具有较好的精度和可靠性。

通过对整车变形和车门内板侵入量及侵入速度进行分析得到车体结构设计合理，满足整车侧面碰撞的设计要求，并对碰撞过程中载荷的传递和能量的吸收耗散进行分析，车体结构将大部分动能转变为变形能，对电池包起到保护作用。

在整车侧面碰撞工况下，从电池箱体和电池包内部模组2个方面对电池包的碰撞安全性能进行分析和评价。从电池包支架的应变、电池箱体的变形和侵入量、电池包内部模组的变形和加速度响应等多个角度进行分析，结果表明电池箱体在碰撞过程中不会发生破裂且不会与电池内部结构接触，不会对电池内部结构的碰撞安全产生威胁，电池内部模组在碰撞过程中没有受到挤压，内部电池模组固定结构无明显变形，阻止了电池模组的窜动，且电池模组的最大加速度小于35g，因此电池包没有内部短路风险，满足法规中对碰撞后电池包的安全性的相关要求。