電動(dòng)汽車電池碰撞安全研究
——等效梯形沖擊波驗(yàn)證

文/俞駿威

【機(jī)動(dòng)車專欄】

電動(dòng)汽車電池碰撞安全研究
——等效梯形沖擊波驗(yàn)證

文/俞駿威

電動(dòng)汽車碰撞過程中電池安全非常重要。文章對(duì)如何將實(shí)車試驗(yàn)中電池組外殼體上采集到的加速度波形，按照特定的方法進(jìn)行等效梯形波處理進(jìn)行了闡述。這種等效的梯形波可以較低的成本在試驗(yàn)室部件試驗(yàn)中進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，并通過CAE仿真分析，從殼體連接螺栓強(qiáng)度和電池模塊連接螺栓強(qiáng)度這兩個(gè)方面，將原始波和等效波的效果進(jìn)行電池沖擊安全驗(yàn)證。

電動(dòng)汽車 電池組動(dòng)態(tài)沖擊 等效梯形波 零部件試驗(yàn)

在實(shí)車碰撞研究中，電動(dòng)汽車相比于傳統(tǒng)汽車的特殊性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面是高能量、大質(zhì)量的動(dòng)力電池在碰撞中受到擠壓損傷時(shí)，有起火和爆炸的可能性；另一方面是高電壓的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)碰撞后，可能會(huì)與乘員發(fā)生直接或間接接觸，從而引發(fā)電擊傷害。這就要求電動(dòng)汽車除了要符合汽車正面碰撞、側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)要求外，還要符合針對(duì)其特殊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)。從動(dòng)力電池角度來講，安全要求碰撞發(fā)生后動(dòng)力蓄電池、蓄電池包或其部件（蓄電池模塊、電解液）不能躥入乘客艙內(nèi)或從車上甩出等。要符合這些標(biāo)準(zhǔn)要求，就要通過合理布置動(dòng)力電池組的位置，并采用安全堅(jiān)固的固定方式來滿足。比如應(yīng)盡可能將電池組布置在車輛碰撞的非變形吸能區(qū)域內(nèi)，避免動(dòng)力電池在碰撞中產(chǎn)生擠壓變形；動(dòng)力電池箱應(yīng)盡量采用與車身縱梁等穩(wěn)固件連接的方式；采用獨(dú)立穩(wěn)定的整體框架式結(jié)構(gòu)對(duì)單體電池進(jìn)行固定；高壓電線應(yīng)盡量與車身非變形結(jié)構(gòu)相連，并加強(qiáng)絕緣保護(hù)等。為此，對(duì)系列電池安裝位置和連接方式的安全性、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等方面展開以下研究。

一、電池組碰撞安全性風(fēng)險(xiǎn)方面研究

電動(dòng)汽車碰撞電安全性的風(fēng)險(xiǎn)是碰撞中由于電動(dòng)汽車內(nèi)部工作的高壓電造成的，一般電動(dòng)汽車具有上百伏的高壓電系統(tǒng)。在碰撞這種極端情況下，極有可能發(fā)生電動(dòng)汽車高壓電短路和突然斷路的情況，由于其過高的工作電壓，往往會(huì)發(fā)生比傳統(tǒng)車輛碰撞后更為嚴(yán)重的后果。這就需要從短路風(fēng)險(xiǎn)、斷路風(fēng)險(xiǎn)以及電池沖擊等其他因素方面對(duì)其碰撞安全性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1. 短路風(fēng)險(xiǎn)

電動(dòng)汽車碰撞中高壓電部件存在兩種短路形式。第一種為電源短路，可以分為電源內(nèi)部短路和電源外部短路。電源內(nèi)部的正負(fù)極隔膜容易在碰撞中受到破壞，這會(huì)造成正負(fù)極片之間的短路，產(chǎn)生極大電流，從而導(dǎo)致電池的起火燃燒。電源外部短路是指電源外部沒有接任何負(fù)載，電流直接從電源正極流向電源負(fù)極。在對(duì)動(dòng)力鋰離子電池進(jìn)行外部短路試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)電池溫度有明顯上升的現(xiàn)象。鋰離子電池在溫度升高的情況下加快了鋰離子電池內(nèi)正負(fù)極反應(yīng)和隔膜氧化作用，降低了電池內(nèi)隔膜的絕緣性，從而導(dǎo)致電源的內(nèi)部短路。第二種為在用電器短路，是指部分電路被短路，這會(huì)使整個(gè)電路負(fù)載降低，電流直接變大，引起其他在用電器溫度升高，遇到火花則有可能引起火災(zāi)。此外，短路還會(huì)造成高壓電線絕緣層破壞并與接地車身接觸，這種現(xiàn)象為對(duì)地短路，出現(xiàn)對(duì)地短路，絕緣電阻大大降低，人體一旦接觸到電底盤和高壓電部件，很有可能被電擊。在電動(dòng)汽車碰撞法規(guī)中，對(duì)絕緣電阻的測(cè)量就是檢測(cè)碰撞后是否發(fā)生對(duì)地短路。

2. 斷路風(fēng)險(xiǎn)

高壓電突然斷路也是電動(dòng)汽車電安全性的另一種危險(xiǎn)。在切斷高壓電路的瞬間，斷開兩端的空氣，因兩端有電壓發(fā)生電離，在空氣中放電，形成電弧。放電電壓越高，電弧越長。電弧是強(qiáng)功率的放電現(xiàn)象，在電弧區(qū)內(nèi)的任何固體、液體或氣體，在電弧作用下都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理化學(xué)反應(yīng)。電弧能維持相當(dāng)長的電弧穩(wěn)定燃燒而不熄滅，可能點(diǎn)燃絕緣層，造成火災(zāi)。

3. 電池組受動(dòng)態(tài)沖擊風(fēng)險(xiǎn)

電池組雖然安裝在車身的非變形吸能區(qū)域內(nèi)，殼體一般不會(huì)在碰撞中產(chǎn)生擠壓變形，但它仍存在安全風(fēng)險(xiǎn)。電池模塊通常用螺栓連接在電池組殼體的支架上，而電池組殼體也通過螺栓連接在汽車的固定支架上。在車輛碰撞時(shí)，過大的沖擊載荷會(huì)使得固定支架的結(jié)構(gòu)失效和螺栓強(qiáng)度失效，導(dǎo)致電池組或電池模塊脫離連接，殼體與其他部件、殼體與電池以及電池之間會(huì)產(chǎn)生擠壓，外殼發(fā)生變形，造成對(duì)電池內(nèi)部的侵入，從而形成內(nèi)部短路。電線在電池運(yùn)動(dòng)時(shí)被迅速拉扯，拉扯程度過大時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，發(fā)生突然斷路。

同時(shí)，加大速度沖擊會(huì)對(duì)電池內(nèi)部電路造成影響，電極材料有可能出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，隔膜由于自身比較薄，會(huì)出現(xiàn)破裂，從而導(dǎo)致正極材料和負(fù)極材料的直接電子導(dǎo)通，或者銅（鋁）集流體與正（負(fù)）電極材料接觸（即產(chǎn)生了內(nèi)部短路），產(chǎn)生了局部較大的放電電流和歐姆熱。若多個(gè)位置發(fā)生內(nèi)部短路，產(chǎn)生的熱量會(huì)引起其他副反應(yīng)的發(fā)生，如電極和電解質(zhì)的分解等，電池溫度會(huì)出現(xiàn)明顯上升。

二、電動(dòng)汽車碰撞特殊要求及動(dòng)力電池沖擊試驗(yàn)要求

國內(nèi)外關(guān)于電動(dòng)汽車安全標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)主要有：GB/T 18384.1-2001《電動(dòng)汽車 安全要求 第1部分：車載儲(chǔ)能裝置》、GB/T 19751-2005《混合動(dòng)力電動(dòng)汽車安全要求》、美國的FMVSS 305《電解液溢出及電機(jī)事故防護(hù)》和歐洲的ECE R94-1995《在汽車正面碰撞中保護(hù)乘員的統(tǒng)一規(guī)定》等。這些標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中對(duì)于電動(dòng)汽車碰撞安全的特殊要求見表1所示。針對(duì)動(dòng)力電池試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)中主要規(guī)定了儲(chǔ)能裝置的濫用試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目包括：機(jī)械試驗(yàn)，包括沖擊、跌落、穿刺、翻轉(zhuǎn)、浸沒和擠壓試驗(yàn)；熱濫用試驗(yàn)，包括熱輻射、熱穩(wěn)定性和熱沖擊試驗(yàn)等；電濫用試驗(yàn)，包括短路、部分短路、過充電和過放電試驗(yàn)等。

表1 電動(dòng)汽車碰撞安全特殊要求

美國汽車工程協(xié)會(huì)SAE J2464-2009《電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車充電儲(chǔ)能安全和濫用試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電池組動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)定：將電化學(xué)儲(chǔ)能裝置（ECSS）采取與整車盡可能接近的約束方式裝在沖擊設(shè)備上，加載不同等級(jí)的沖擊波形：低等級(jí)的沖擊可以檢驗(yàn)ECSS的魯棒性，ECSS在試驗(yàn)后通常不會(huì)遭到破壞；一般等級(jí)的沖擊能反映ECSS的惡劣工況，ECSS在試驗(yàn)后會(huì)失效。不同沖擊等級(jí)以速度變化和對(duì)應(yīng)的最長持續(xù)時(shí)間確定，見表2所示。

表2 SAE J2464-2009沖擊試驗(yàn)等級(jí)和其要求

SAE J2464-2009的這項(xiàng)試驗(yàn)雖然規(guī)定了電池組沖擊的持續(xù)時(shí)間和速度變化，但它對(duì)波形的具體形式規(guī)定模糊，并不能反映電池組在實(shí)車碰撞中的碰撞載荷，也就無法反映電池組在碰撞中的失效形式。同時(shí)，它缺少對(duì)電池組安全性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此有必要對(duì)動(dòng)態(tài)沖擊波形進(jìn)行研究。從前面的研究中基本可以確定電池組的動(dòng)態(tài)沖擊安全性主要是由于連接失效，而在沒有受到其他部件擠壓的情況下，連接失效的原因主要分為連接螺栓在動(dòng)態(tài)沖擊過程中受到過大的載荷，強(qiáng)度不足而發(fā)生斷裂，電池組或電池模塊與連接支架脫離，與其他部件相接觸?；诖?，本文將建立電池組動(dòng)態(tài)沖擊有限元仿真模型，通過計(jì)算分析考核螺栓強(qiáng)度來評(píng)價(jià)電池組的沖擊安全性能。此外，為了便于對(duì)其進(jìn)行零部件試驗(yàn)，本文還對(duì)實(shí)車試驗(yàn)中得到的電池組外殼加速度進(jìn)行等效波處理，以達(dá)到較為便利進(jìn)行試驗(yàn)的目的。

三、典型電池組結(jié)構(gòu)與其建模和仿真實(shí)驗(yàn)

本文研究的電池組采用較為典型的結(jié)構(gòu)，電池組殼體尺寸為500 mm×185 mm×195 mm，總重為14.5 kg。電池組分為兩個(gè)電池模塊，每個(gè)模塊包含20塊單體電池，每塊單體電池質(zhì)量為0.32 kg，殼體底部焊有4個(gè)連接支架，各自通過M10螺栓固定在汽車上，每個(gè)電池模塊通過4個(gè)螺栓與焊接在殼體上的支架連接，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過Hyperworks軟件對(duì)CAD數(shù)模進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分，并將屬性和材料信息輸入，然后進(jìn)行連接設(shè)置，最后通過設(shè)置接觸、配重、加載以及控制卡片設(shè)置生成可導(dǎo)入到LS-DYNA進(jìn)行仿真計(jì)算的最終文件（見圖2）。

圖1 電池組及框架結(jié)構(gòu)連接圖

圖2 電池組CAE模型圖

從有限元仿真結(jié)果中，可以獲得一維梁?jiǎn)卧妮S向受力和橫向受力。由于在LS-DYNA中，建立一維梁?jiǎn)卧枰?個(gè)節(jié)點(diǎn)信息，這3個(gè)節(jié)點(diǎn)確定了一維梁?jiǎn)卧?個(gè)方向（如圖3所示）。從仿真結(jié)果中可以獲得r、s以及t方向的受力。

圖3 一維梁?jiǎn)卧?個(gè)節(jié)點(diǎn)和方向

在建模中，梁?jiǎn)卧膔方向設(shè)定為螺栓的軸向方向，r方向的受力就是螺栓的軸向受力。螺栓的橫向受力是梁?jiǎn)卧猻方向上的力與t方向上的力的合成力，s方向與t方向相互垂直，軸向受力計(jì)算方法見公式（1）。

對(duì)于單個(gè)螺栓，提取其在碰撞中軸向受力和橫向受力的曲線，取軸向受力和橫向受力的最大值以計(jì)算螺栓在碰撞中的應(yīng)力，與許用應(yīng)力進(jìn)行比較，一旦超過許用應(yīng)力，則判定螺栓強(qiáng)度失效。在整車中連接高壓電部件的螺栓都是性能牌號(hào)4.6的螺栓，螺栓材料為Q235。參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，該螺栓的屈服極限為240 MPa。對(duì)于軸向拉伸，螺栓總拉力見公式（2）。

式中：F’為螺栓受到的預(yù)緊力；F前的分式為相對(duì)剛度系數(shù)，由于使用的是金屬墊片，取0.2；F0為螺栓受到的最大螺栓軸向力。

對(duì)于螺栓承受最大拉應(yīng)力，校核公式見公式（3）。

式中：F0為螺栓所受最大拉伸力；d1為螺栓的小徑，通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)獲得；σlp為螺栓的許用拉應(yīng)力，其計(jì)算公式見公式（4）。

式中：σs為螺栓的屈服極限；Sσ為安全系數(shù)，取1.5；對(duì)于橫向剪切，螺栓剪切強(qiáng)度校核公式見公式（5）。

式中：Fs為螺栓受到的橫向載荷；i為螺栓受剪面數(shù)；d0為螺栓受剪面直徑；τp為橫向剪切許用應(yīng)力，其計(jì)算公式見公式（6）。

（6）式中σs為安全系數(shù)，由于在碰撞中受到的是變載荷，取3.5。

四、電池組動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)化波形

汽車約束系統(tǒng)臺(tái)車試驗(yàn)中，僅要求復(fù)現(xiàn)波形在一定區(qū)間內(nèi)，因?yàn)檫@樣已經(jīng)可以較準(zhǔn)確地反映假人傷害，這給電池組的沖擊試驗(yàn)提供了借鑒意義。首先為了最真實(shí)地反映實(shí)車試驗(yàn)中電池組承受的沖擊，取得該型電動(dòng)車輛按照C-NCAP中正面100%RB碰撞試驗(yàn)中電池外殼的加速度數(shù)據(jù)，采集到加速度信號(hào)經(jīng)SAE60濾波后如圖4所示。

圖4 C-NCAP100%RB碰撞時(shí)的電池組外殼加速度波形圖

機(jī)械沖擊試驗(yàn)中一般用半正弦波、后峰鋸齒波和梯形波等簡(jiǎn)易波形進(jìn)行實(shí)際沖擊波形的等效替代。本文選擇梯形波作為電池組動(dòng)態(tài)沖擊替代波形，它可以通過多種結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)。比如：薄壁圓形吸能管、鋼筋阻尼式吸能裝置等。沖擊波形的技術(shù)指標(biāo)包括速度變化量、峰值加速度和脈沖持續(xù)時(shí)間等。

五、螺栓連接強(qiáng)度分析

1. 殼體連接螺栓強(qiáng)度對(duì)比

將實(shí)際加速度曲線和梯形波曲線分別在CAE計(jì)算中加載，并從模型中取出電池組殼體支架螺栓，以及電池模塊連接螺栓的最大軸向拉力和最大橫向剪力，進(jìn)行計(jì)算，得到拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，然后對(duì)加載兩種波形得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2. 電池模塊連接螺栓強(qiáng)度對(duì)比

在通過上述CAE計(jì)算中，還對(duì)電池模塊連接螺栓進(jìn)行了同樣的分析，得到螺栓拉應(yīng)力對(duì)比和螺栓剪應(yīng)力對(duì)比。最終加載兩種波形的電池模塊連接螺栓的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力相對(duì)誤差均較小，最大為5.4%，均在10%之內(nèi)。從上可以說明，梯形波對(duì)電池組沖擊過程中螺栓應(yīng)力的計(jì)算擬合程度較高，可以等效替代實(shí)際的碰撞波形。

六、結(jié)語

連接螺栓失效是引發(fā)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的動(dòng)態(tài)沖擊安全性主要原因?；诖?，通過建立電池組動(dòng)態(tài)沖擊有限元仿真模型，計(jì)算分析考核螺栓強(qiáng)度來評(píng)價(jià)電池組的沖擊安全性能，并采用等效梯形波對(duì)整車碰撞中電池組受到的復(fù)雜波形沖擊進(jìn)行替代，可以較為精確地對(duì)電池組殼體和電池模塊上連接螺栓的強(qiáng)度進(jìn)行等效分析，對(duì)動(dòng)力電池的碰撞安全性進(jìn)行驗(yàn)證。

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

（作者單位：上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)中心）