电动汽车电池包底部球击影响因素分析*

闫鹏飞，马天翼，高 妍，王金伟，陈立铎，赵光磊

（1.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；3.中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，天津 300300）

0 引言

随着新能源汽车的普及，国内新能源汽车销量逐年增加。2022年，我国新能源汽车销售6 887 000辆，同比增长93.4%，占全球销量的61.2%。新能源汽车新车销量占汽车新车总销量的25.6%，提前3 年完成2025 年规划目标，电池包作为新能源汽车关键部件之一，其安全性能也受到越来越多的关注[1-4]。关于道路障碍物引发交通事故的一项调查报告显示[5-8]，80%的受访人认为道路障碍物是造成交通事故的一项重要原因。

在常见的电池包机械安全分析中，底部冲击对电池包的安全性能有显著影响。为分析电池系统底部球击工况下的安全状态，本文对某款电池包进行底部球击试验，并分析其壳体变形情况和受力情况。采用一种刚性球头对电池包底部进行球击的方法来模拟电池包受到道路障碍物冲击，并通过仿真进行准静态底部球击分析。对比静态球击状态下的电池包试验结果和仿真分析结果，可知仿真模型较好地模拟了电池包底部的受力情况，仿真结果和试验结果趋势高度一致，充分说明了该方法和仿真模型的有效性。本研究分析了电池包在底部球击下的安全性能，并且揭示了仿真分析中不同加载方式对测试结果的影响，通过有限元分析的方式为电池包底部球击测试提供了数据支撑。

1 底部球击

1.1 球击试验

静态球击又称准静态底部球击试验，一般采用最小加载速度对电池包底部进行挤压，电池包底部通常由外壳、隔热材料、电池模组、支撑结构等组成。不同的电池包底部结构对球击的响应不同，本文采用国内常用的电池包底部球击试验工况条件：（1）球头直径为150 mm；（2）挤压速度v=2 mm∕s；（3）挤压力一般达到20 kN左右，或者挤压至电池包发生一定比例变形，如10%的变形程度时终止加载，该设置是为了防止极限情况下，电池包因变形量过大导致内部单体短路起火的情形。为防止在试验过程中出现意外情况危及实验室及人员安全，本实验在有沉水池和喷淋措施的实验室进行。电池包底部球击试验如图1所示。

试验过程中由于是对电池包底部进行静态球击，该试验台只能进行水平方向的加载，因此将电池包在支架上固定连接后，进行垂向放置，保持底板和水平加载球头的垂直关系即可，试验台下方为事前注满水的安全池，在起火爆炸的情况下，可将操作台进行沉水处理。整个实验过程中电池包未发生起火爆炸情况，电池包结构仅发生轻微损伤变形。根据作用力和反作用力相等的原理，加载力即为电池包底板受到的实际力的大小，其加载过程中电池包受到的加载力通过试验台的力传感器进行监测得到。

1.2 电池包仿真模型建立

近年来，越来越多的研究关注电池包底部安全性能影响因素，主要包括实车试验和仿真模拟两种方法。实车试验通常采用高速摄像技术和加速计等设备进行测量，但受到路况等因素的影响较大。而仿真模拟则可以通过计算机程序来模拟电动汽车行驶过程中的托底情况，具有较高的精度和可控性[9]。由于道路障碍物高度和电动汽车底盘高度差导致的电池包底部碰撞会引起电池包产生一个向下的二次撞击，这也是底部碰撞过程中较为危险的情况。

图1 电池包底部球击试验现场

为了能够准确反应底部球击过程中电池包壳体的受力情况，建立电池包强度仿真分析模型[13]。电池包上下壳体均属于薄板结构，对于薄壁结构，通常做法是采用壳单元网格进行模拟，本文基于薄壳经典理论进行建模，对电池包模型进行分析。电池包仿真模型如图2所示。

对安装电池包的车架进行固定约束，给球头以一定的速度对电池包底部和实验的相同位置进行撞击，该撞击模拟的是电动汽车在行车过程中撞击障碍物后的第2个阶段，由于第一撞击时刻后，带有电池包的整车会有一个被障碍物轻微顶起的过程，因此导致第一撞击时刻后，电池包从上往下坠落发生二次撞击的可能，其二次撞击过程一般用底部球击的方式进行模拟。整个撞击过程如图3所示。

图2 电池包底部球击仿真模型

图3 电池包底部撞击过程示意

由图3 可知，在撞击后被顶起来的条件是撞击后Z方向的力大于该障碍物的承载质量，从而发生如式（1）所示的向上运动的受力条件。

式中：FZ为障碍物对电池包底部向上的作用力；m为电池系统的质量；g为重力加速度。

发生向上运动后，其运动位移超过碰撞时刻电池包底面的水平高度和障碍物的高度差，则会发生电池包和障碍物碰撞后短暂脱离的情况：

其中，撞击后Z方向的力可以由承载质量和加速度计算出。

式中：SZ为电池包底部向上的位移；Hmin为电池包底面的水平高度和障碍物的高度差；az为电池包向上运动的加速度。

撞击后Z方向的运动位移等于其加速度和时间的积分，对其两侧求导可得

其中，碰撞时刻电池包底面的水平高度和障碍物的高度差Hmin对碰撞时间的积分为：

由于被顶起来的最小条件为：

式中：为电池包底部向上的位移的二阶导数；t为碰撞过程作用时间。

从而求得，在一般碰撞时长为10 ms，电池包底面的水平高度和障碍物的高度差为300 mm 的情况下，即Hmin= 300 mm,t= 10 ms时可得

碰撞时刻Z方向加速度值只要达到0.6g就有可能发生底部球击的实际工况，因此采用底部秋击的方法对电池包底部结构安全分析非常必要。电池包发生底部磕碰时，类似于准静态或动态形式撞击到障碍物上，电池包结构力学仿真分析越来越成为评估电池包底部设计稳定性和安全性的重要手段[9-12]，仿真分析能够排除不良影响因素，确定影响效应，并采取优化设计解决许多潜在问题。一般的电池包结构力学仿真分析流程为以下7 个步骤。（1）确定模拟目标：确定仿真模型、目标及边界条件[13-14]，例如电池组尺寸、材料属性、强度要求等。（2）建立有限元模型：根据电池组的实际几何形状和特点建立计算机辅助设计（CAD）三维模型，并将其转换为有限元模型以便进行适当仿真[15]。（3）定义负载和加载情况：应用适当的荷载并确定最可能导致应力集中的负载[16]。（4）应用约束边界条件：营造仿真环境，如在对整个车辆进行仿真时，其他系统与零件也应该一起纳入进来。（5）进行仿真分析：节点刚度法或其他力学理论被用于解决传统静力学或动力学问题，如使用有限元方法或多物理学仿真等现代技术模拟电池包在不同载荷情况下的反应。（6）结果分析和评估：根据仿真后得到的应力、位移和变形等数据评估电池包的结构安全性以及减少内部缺陷。（7）优化设计：基于仿真结果，对电池包的设计进行优化，如改变电池的几何形状、材料选择及螺栓设计等方案[17-19]。

2 仿真分析

底部球击实验过程中，加载方式为速度加载，即调节试验球头的位置对准目标球击点位后，设定好球头行进速度至目标行程或目标加载力。本次仿真分析过程保持其加载方式和实验保持一致，并进一步研究在保持位移加载的情况下对其仿真分析结果的影响。因为设定位移-时间曲线的方式和实验的加载方式一致，且试验过程虽然是保持速度不变，但其速度计算方式是根据位移和时间两个参数得到的，因此在30 s 的加载时间内，设定位移和时间线性变化即可得到恒定的加载速度。从加载方式定义来看，仿真过程中保持恒定速度的方式和试验一致，但从加载方式的计算来源看，仿真过程中保持恒定位移的方式和试验更加一致。因此，本次仿真模拟通过两种方式进行加载进行分析研究，加载方式如图4所示。

图4 位移加载和速度加载

仿真可得其加载后的电池包底部壳体应力结果如图5所示。

图5 静态球击应力云图

为研究底部球击加载方式对其撞击过程中能量大小的影响，计算仿真过程中的能量变化曲线如图6 所示。由图可知，位移加载方式下，系统总能量最大为800 J，但速度加载方式下，系统总能量最大超过了1 000 J，说明在速度加载方式的仿真过程中，系统总能量更大。虽然两种加载方式系统的能量曲线趋势基本一致，但峰值相差20%左右，速度加载方式的动能和内能也都比位移加载大，说明在速度加载方式下，更符合冲击的动态过程。为了更好地说明这个现象，分析其撞击过程中的位移、速度和加速度情况，结果如图7 所示。由图可知，加载方式不同导致了系统能量大小有所差异，这是由于在底部球击过程中，电池包和球头的相对位置关系有一定差异。如从球头位移曲线可以看出，速度加载方式下，在Z方向上的位移最大值超过了位移加载方式，这是因为速度加载方式以速度为控制变量，与位移作为控制变量更容易保证加载最终位移为3 mm 不同，在加载30 s时，其速度超过了位移加载方式下0.05 mm∕s，约占速度峰值的25%。加速度变化曲线则由接触过程中速度对时间的1 阶导数计算得到，由于速度峰值虽然相差25%左右，但整个过程中的变化趋势基本一致，这也解释说明了加速度变化曲线在两种加载方式下的峰值和整体趋势基本一致。

图7 底部球击过程位移、速度和加速度变化

由于加载方式不同，整个接触过程的加载力也会有区别，如图8 所示。由图可知，从加载末端时间为30 s附近可以明显看出接触力的区别，位移加载下末端接触力峰值为30 kN，且存在向上继续增大的趋势，而速度加载方式下，末端接触力峰值为34.1 kN，且在最后2 s时呈现下降趋势。这是由于位移作为控制变量的情况下，不论速度怎么变化，优先保证了加载推进量，从而导致接触过程中的力不断增大，更符合试验过程，而在速度优先的情况下，虽然保证了加载速度的恒定，但导致了更大的接触力的波动和单元的变形量，从而导致其能量更大。

图8 底部球击过程力随时间变化

如图9 所示，不同的接触力和单元变形量会导致电池包底部结构的应力历程不同。选定球击点附近ID为36 028 的单元作为应力历程的参考单元。由图可知，在t=5 s 时，位移加载方式下单元的Y向应力大于X方向应力，Z方向应力基本一致，即速度加载方式下单元的应力响应更快；从t=30 s加载末端来看，X方向应力峰值在位移加载方式下更大，超过了0.1 GPa，而速度加载方式由于响应更快的原因导致在25～30 s时间段内单元变形恢复更快，从而表现在应力峰值上即t=30 s 加载末端更小一些。因此，从加载点附件的参考单元来看，两种加载方式产生的应力结果差别不大，但在整个应力过程的响应速度上，速度加载方式更快一些。

图9 参考单元应力随时间变化结果

3 结束语

本文通过研究电池包底部静态球击对电池包安全性能的影响，揭示了底部球击模拟的真实情况，并进行了仿真分析。结果表明：在静态球击过程中，模型的撞击力随时间变化的趋势和实验样品保持高度一致，还原了在接触过程中底部的变形情况，很好地表征了整个球击过程中各参数的响应情况，但加载方式的不同对整个响应过程有一定影响。结合当前的仿真模型，从能量、位移、速度、加速度、接触力和应力状态各参数进行了分析，揭示了不同加载方式对底部球击过程的影响机理，从而为电池包底部球击测试评价其底部结构安全提供了数据支撑。

总之，在电池包底部碰撞安全的评价过程中，需综合考虑的因素较为复杂，尤其在碰撞后产生二次伤害的情况下的安全性，越发需要更加深入的研究，今后需要积累更多的数据，来支撑整个电池包结构安全的评价，为产品的安全性能保驾护航。