整车电池包底部碰撞安全应对策略研究

王辉，杨全凯，吴泽勋，闫高峰，包国建，宿学深，韩旭

（浙江吉智新能源汽车科技有限公司，杭州 310000）

引言

21世纪新能源汽车作为世界各国重要发展方向，纯电动汽车作为绝对主力全球市场占比逐年稳增，较保守的估计二零二五年年销量将达五百多万辆以上[1]。最近几年来电动汽车起火事故频频发生，其安全性能成为广大消费者及行业重要关注焦点之一。

据综合统计调查，如图1所示，电动汽车因为碰撞导致电池包短路而引起的火灾占比达百分之十四[2]。开展车用电池包底部碰撞安全性研究势在必行，提高整车电池包安全性已是行业共识。

图1 电动汽车火灾事故统计

目前行业相关组织机构已展开新能源汽车底部碰撞的相关研究，且已有部分可供参考的规范及标准。2021年12月30日中国汽车工程学会发布并实施编号为T/CASE 244的团体标准，文中明确了关于整车电池包底部碰撞的具体工况及评价标准[3]。2022年4月8日中国汽车技术研究中心有限公司成功举办2022年汽车测评国际峰会暨C-NCAP年会，会议中规划了未来关于新能源车电池包底部碰撞的一些具体研究路线及方法。部分研究也表明，整车电池包底部碰撞主要包括向上撞击和水平撞击[4]。

目前电动汽车起火事故频发，主要原因是电池包安全性不足，为提升整车电池包安全性本文展开了相关研究。基于上述整车电池包底部碰撞行业研究背景下，本文结合试验对整车电池包底部碰撞多个工况多款电池包进行了高精度仿真分析，并对相关工况及应对策略开展详细研究。

1 工况及电池包介绍

1.1 工况介绍

本文关于整车电池包底部碰撞工况共设置4个工况，分别为前刮底（工况1）、后刮底（工况2）、前托底（工况3）及123 J托底工况（工况4）。各工况如图2所示，详细说明以下：

图2 电池包底部碰撞工况

工况1：前刮底工况为车辆沿行驶方向以31 km/h的速度撞击不可移动的刚性球柱障碍物，球柱直径150 mm，障碍物与电池包垂直方向重叠36 mm，Y向选取对电池包最不利的位置；

工况2：后刮底工况为车辆沿倒车方向以6 km/h的速度撞击不可移动的刚性球柱障碍物，球柱直径150 mm，障碍物与电池包垂直方向重叠36 mm，Y向选取对电池包最不利的位置；

工况3：前托底工况为车辆以21 km/h的速度向前行驶向高为200 mm的下台阶，台阶下放置不可移动的刚性球柱障碍物，球柱直径150 mm，球柱高出台阶100 mm，Y向选取对电池包最不利的位置；

工况4：123 J托底工况为车辆静止放置在测试台架上，刚性冲击头沿垂直方向以123 J的能量撞击电池包底部，刚性冲击头直径25 mm，质量10 kg，撞击位置选取最不利于电池包的位置。

1.2 电池包介绍

本文对3款整车搭载可换电电池包进行研究，电池包是通过锁体向上装配在车身门槛内纵梁上。电池包由多个子系统结构组成[5]，电池包底部由多层结构组成，其中包括底板及液冷板；电池包1液冷板为分块式分别嵌在框架与横梁底部，电池包2和3均为整体式液冷板，安装在框架下部。此外，由于模组电芯材质有所不同，电池包2与3的续航及总重存在差异。

电池包作为整车结构重要组成部分，无论时重量、功能及安全性均不容忽视。本文根据几何数据对电池包仿真模型进行了精细化建模，且输入对标参数，其精度及可靠性有保证。此外，整车的模型精度及可靠性也需要有保证。

2 模型搭建

2.1 整车垂直方向传力分析

传统整车工况如正碰、侧碰等与整车电池包底部碰撞工况关注有所不同，前者主要受整车水平各方向刚度的影响，而后者主要受整车垂直方向刚度的影响。因此，基于传统整车模型需对影响整车垂直方向刚度的结构及参数重新校正。

静置整车垂直方向做受力如图3所示，G与F1+F2保持受力平衡，G为重力，F1、F2分别为地面对前、后轮的支撑力。整车受力及传力路径如图4所示，前轮通过F1传力至减震器（F1-1）、转向拉杆（F1-2）、传动轴（F1-3）及前悬摆臂（F1-4），其中F1-1直接传力至车身，F1-2、F1-3及F1-4传力至副车架，副车架传力至车身；后轮通过F2传力至减震器（F2-1）、弹簧（F2-2）及纵臂（F2-3）及前悬摆臂（F2-4），F2-1、F2-2及F2-3最终均传力至车身。

图3 整车垂直方向受力分析

图4 整车受力及传力路径

2.2 关键建模

通过上述受力分析所得，整车垂直方向刚度动态响应对分析结果的可靠性有较大影响。整车垂直方向刚度间隙主要表现在轮胎、动总悬置、摆臂衬套、稳定杆衬套、前后悬弹簧、减震器阻尼等结构，以及前后悬动总等多处的运动副。

整车半载状态下，确保整车质量及质心的前提下，刚度间隙结构的刚度阻尼特性及运动副应当根据实际进行参数设置及建模。在LS-DYNA中前后悬弹簧及衬套可用Beam 6号单元模拟，材料用MAT196号，材料中设置相关参数[6]。轮胎进行预压，对标刚度与试验保持一致[7]。

3 可靠性验证

本文共涉及4个工况、3款电池包，如全部进行需共计12次试验，项目成本巨大。因此，前期策划进行部分试验验证仿真模型，使得仿真模型的精度及可靠性有保证的前提下再进行全工况仿真分析。

根据对工况3仿真与试验结果的对比情况，如图5所示，试验电池包底板垂直侵入3.9 mm仿真3.5 mm，底板的损伤程度仿真与试验基本相同。如图6所示，电池包与障碍物的接触力峰值及曲线走势仿真与试验基本相同。

图5 试验底板受损情况

图6 电池包&障碍物接触力曲线

4 全工况仿真分析

通过上文，验证了仿真模型的精度及可靠性，现根据各工况要求进行整车仿真分析。重点考察各电池包模组垂直方向最大侵入及液冷板的塑性应变评估电池包安全性。结果汇总如图7。

图7 评价汇总表

根据仿真分析结果进行详细解析，总结以下几点主要内容：

1）在各工况下各电池包模组侵入均较小。得益于电池包底部多层结构及框架有效保护。

2）电池包1在各工况下液冷板塑性应变均较小。得益于电池包1的液冷板为分块式嵌入在框架底部，在工况1、2、3中电池包框架先于液冷板受撞，对液冷板起到了较好的保护作用。

3）电池包2及3在工况1下液冷板塑性应变均较小。得益于工况1中，车辆前行壁障先与副车架底部发生碰撞，之后与电池包框架发生碰撞，对液冷板起到很好的缓冲及保护作用。

4）电池包2及3在工况2、3、4下液冷板塑性应变均较大，存在电池包液冷系统及气密性受损风险，电池包继续使用或充放电存在热失控风险。其主要原因在于电池包2及3的液冷板扣在底板上且与框架同边界，障碍物撞击框架的同时也撞击到液冷板，从而导致液冷板损伤较严重。

5 小结

根据各工况仿真分析结果，以及结合项目实际可行性，总结整车电池包底部安全应对策略，具体描述如以下几点：

1）电池包框架设计，边框截面尽可能设计为“L”型，中间尽可能布置多的横梁，横梁截面尽可能设计为“⊥”字型，设计遵从框架在电池包底面投影所占面积越大越好。

2）电池包液冷板位置设计，应与电池包防护板和框架边缘保持安全距离。理想位置是嵌在“L”及“⊥”框架衍生横梁处上表面。当整车发生前后或底部电池包碰撞时，横梁会起到很好的缓冲载荷及规避碰撞的保护作用。

3）电池包模组放置方式，基于模组内部电芯及其他结构的组成方式，尽可能保证模组中电芯远离底面，模组垂直方向尽可能获取较大的刚度。该模组放置方式保证了模组尽可能具有较大的抵抗载荷的能力，发生碰撞时产生较小的变形。

4）电池包底板设计，应用较高高强度的材料，底板下表面应附着有绝缘防刮蹭性能的特殊质料。电池包底板作为电池包受撞时第一道防线，较强的底板和较低的摩擦系数能够起到较好的保护效果。

5）前后副车架设计，靠近电池包的副车架底板或底横梁的底面应低于电池包底面一定距离，且满足该要求的副车架底板或底横梁的底面尽可能保证较大的宽度、长度及垂直方向的刚度。对于工况1、2该副车架设计能够起到很好的缓冲载荷的保护作用。

本文对电池防护相关标准及规范工况进行了深入研究，充分考虑设计可行性，使性能与结构设计达到平衡点。提出的应对策略能够有效提高整车工况下动力电池包的安全性能。本文中建立了高精度仿真模型，涉及的方法及要点可供借鉴和参考。