超高強(qiáng)鋼制電池包底部球擊試驗(yàn)與仿真方法研究

楊智輝，徐棟愷，肖華

超高強(qiáng)鋼制電池包底部球擊試驗(yàn)與仿真方法研究

楊智輝1,2，徐棟愷1,2，肖華1,2

（1.寶山鋼鐵股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽車用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室（寶鋼），上海 201900）

研究超高強(qiáng)鋼電池包底部球擊工況的仿真分析方法，通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證仿真分析方法的準(zhǔn)確性。通過(guò)建立電池包底部球擊的仿真模型，對(duì)底部球擊工況進(jìn)行數(shù)值模擬，分析球擊過(guò)程中應(yīng)力–應(yīng)變分布和底板承受變形的能量情況。開(kāi)展底部球擊實(shí)物試驗(yàn)，并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在球擊過(guò)程中，隨著球擊頭撞擊底板位移的增大，擠壓力逐漸增加，底板變形能量也逐漸增加；當(dāng)擠壓力達(dá)到10 kN時(shí)，仿真位移為19.127 mm，試驗(yàn)結(jié)果位移為20 mm。當(dāng)位移達(dá)到20 mm時(shí)，仿真底板變形能量為73.716 J，試驗(yàn)結(jié)果為70.581 J，仿真與試驗(yàn)結(jié)果較為一致。超高強(qiáng)鋼電池包在底部球擊試驗(yàn)中未發(fā)生開(kāi)裂，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)值模擬方法可以為電池包底部球擊工況提供指導(dǎo)。

電池包；底部球擊；有限元分析

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的核心部件，近年來(lái)，電動(dòng)汽車的銷量快速增加，電動(dòng)汽車安全問(wèn)題也愈加突出[1]，開(kāi)展車用動(dòng)力電池包底部碰撞安全研究，對(duì)提高動(dòng)力電池包底部防護(hù)安全和電動(dòng)汽車的整車安全性具有重要意義和實(shí)用價(jià)值。

對(duì)底部球擊工況進(jìn)行模擬計(jì)算，可以評(píng)價(jià)電池包底部抵抗沖擊變形的能力。李冰等[2]對(duì)鋁合金電池包底部球擊進(jìn)行仿真，通過(guò)在底板設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋，增加了電池包底部與電池模組的間隙，也改善了其抵御變形的能力。沈汭宏等[3]對(duì)電池包底板進(jìn)行了不同工況、不同沖擊形狀的仿真，指出沖擊物與電池包底板接觸頭越尖銳，沖擊速度越大，箱體材料延展性越低，電池包越容易發(fā)生破裂失效。朱紅霞等[4]對(duì)電池包側(cè)向擠壓和底部托底進(jìn)行了仿真分析研究，發(fā)現(xiàn)異物尖銳度和托底面積是影響底板變形程度的主要因素。黃蘆等[5]對(duì)電池包底部錐狀物沖擊下的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析，揭示了沖擊載荷作用下電池包結(jié)構(gòu)的應(yīng)力–應(yīng)變分布與準(zhǔn)靜態(tài)作用下的結(jié)果不同。楊威[6]對(duì)電池包底部碰撞安全性進(jìn)行了分析，結(jié)合有限元仿真和球頭擠壓試驗(yàn)，探討了薄板在機(jī)械加載下的變形失效機(jī)理。Kisters等[7]采用幾種新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層板代替電池包底板模擬碰撞，指出防爆自適應(yīng)三明治結(jié)構(gòu)（blast resistant adaptive sandwich，BRAS）在吸能和變形方面優(yōu)于其他層板。Zhu等[8]對(duì)比分析了多種底部碰撞保護(hù)結(jié)構(gòu)形式，提出了兼顧輕量化和底部碰撞保護(hù)性能的波紋構(gòu)型填充的三明治底部護(hù)板結(jié)構(gòu)。Halimah等[9]對(duì)電池包底部碰撞工況進(jìn)行了分析，提出了一種提升電動(dòng)車底部耐撞性能的夾芯板結(jié)構(gòu)。Nirmala等[10]采用有限元方法研究了基于纖維金屬層壓板（fiber reinforced metal laminate，F(xiàn)ML）制成的電池系統(tǒng)保護(hù)結(jié)構(gòu)在受到錐體撞擊時(shí)的性能表現(xiàn)，研究表明，增加纖維金屬層壓板厚度和界面黏合強(qiáng)度可以增加能量吸收，降低電池變形。Scurtu等[11]通過(guò)對(duì)比冷噴涂后的鋁材電池包和未噴涂的鋁材電池包，發(fā)現(xiàn)冷噴涂處理能夠提高電池包剛度和固有頻率，可作為優(yōu)化電池包的設(shè)計(jì)方法。Xia等[12]對(duì)鋰離子電池安全問(wèn)題進(jìn)行了多尺度、多材料的分析，指出理解和預(yù)測(cè)電池包受到底部球擊時(shí)的變形趨勢(shì)是電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的因素，車底保護(hù)板、底板、橫梁、側(cè)軌等汽車結(jié)構(gòu)元件雖然提供了不同層次的保護(hù)，但它們也可能破壞電池組的穩(wěn)定水平，為此需要在給這些部件提供足夠剛度和強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，找到實(shí)現(xiàn)各方面保護(hù)作用的最優(yōu)組合。Istiyanto等[13]對(duì)電池包箱體和框架進(jìn)行模擬碰撞，并通過(guò)增加加強(qiáng)筋和改善電池包放置位置、電池包形狀來(lái)增加熱屏障，進(jìn)而把電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象限制在局部位置，防止電池模組在受到?jīng)_擊時(shí)電池發(fā)生變形，導(dǎo)致短路和熱擴(kuò)散。此外，用于電池組的非堆疊型電池配置有助于減緩由沖擊引發(fā)的熱失控的傳播速率。

文中主要研究了超高強(qiáng)鋼電池包底部球擊工況的仿真分析方法，并通過(guò)實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真分析方法的準(zhǔn)確性。首先對(duì)電池包進(jìn)行工裝設(shè)計(jì)，使試驗(yàn)仿真時(shí)的電池包更接近實(shí)際工況，接著選取電池包底部最薄弱的位置進(jìn)行球擊試驗(yàn)和仿真，對(duì)比并分析試驗(yàn)和仿真的結(jié)果。

1 試驗(yàn)

1.1 工裝設(shè)計(jì)及加工

實(shí)際工況的電池包共32個(gè)模組，模組分2層放置，上層14個(gè)，下層18個(gè)。每個(gè)模組的尺寸規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高）為355 mm×151.6 mm×108.5 mm，每個(gè)模組質(zhì)量為11.4 kg，如圖1所示。為了方便試驗(yàn)和仿真，將電池模組進(jìn)行等效處理，保證仿真與試驗(yàn)的模組質(zhì)量一致，模組高度從108.5 mm降低為82.5 mm。

圖1 電池模組排布示意圖

電池包用材選擇超高強(qiáng)鋼，通過(guò)強(qiáng)度提升和厚度減薄，可在提升電池包安全性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)輕量化。其中電池包邊框選擇B1500HS熱成形鋼，抗拉強(qiáng)度典型值為1 530 MPa，橫縱梁選擇HC820/1180DP，抗拉強(qiáng)度典型值為1 210 MPa，底板選擇HC420/ 780DH，抗拉強(qiáng)度典型值約為850 MPa。電池包用材信息如表1所示。

表1 電池包用材信息

Tab.1 Material information of battery pack

實(shí)際工況下的電池模組布局重心主要分布在2層電池包的中間層，等效配重后只有下層等效模組不能將重心維持在此高度，為此配重塊的設(shè)計(jì)要盡量保持重心在平面?？紤]到以上因素，現(xiàn)保證每個(gè)電池包配重塊的質(zhì)量為11.4 kg，尺寸為355 mm×151 mm× 27.5 mm，材質(zhì)為Q235，總共32個(gè)等效配重塊，如圖2所示。其中，配重塊四角的孔為螺栓固定孔，中間兩孔為定位孔，孔中一半的尺寸是攻M12的螺紋，方便裝入螺桿以進(jìn)行裝卸搬運(yùn)。將32個(gè)配重塊先按照原電池包下層18個(gè)電池模組的布置方式布置一層，安裝位置和原電池模組保持一致，多出的配重塊對(duì)稱放置在下層中部位置以保持重心高度，具體電池包殼體安裝配重塊前后示意圖如圖3所示。

圖2 配重塊設(shè)計(jì)及排布示意圖

圖3 電池包殼體安裝配重塊前后示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

底部球擊試驗(yàn)采用的設(shè)備為電池包底部球擊試驗(yàn)臺(tái)（電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)），如圖4所示，型號(hào)為BE– 6047Q，由廣東貝爾試驗(yàn)設(shè)備有限公司制造，由廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司計(jì)量校準(zhǔn)，校準(zhǔn)證書(shū)編號(hào)為J202010163542A–0001，計(jì)量結(jié)論為所校項(xiàng)目符合1級(jí)要求。

電池包底部球擊試驗(yàn)臺(tái)（數(shù)字電壓表）的型號(hào)為BE–6047Q，由廣東貝爾試驗(yàn)設(shè)備有限公司制造，由廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司計(jì)量校準(zhǔn)，校準(zhǔn)證書(shū)編號(hào)為J202010163542B–0001，計(jì)量結(jié)論為所校項(xiàng)目符合技術(shù)要求。

圖4 底部球擊試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

測(cè)試對(duì)象為電池包殼體，將配重塊按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的設(shè)置方式放置安裝，并按照中國(guó)汽研底部球擊規(guī)范的步驟進(jìn)行球擊測(cè)試。

試驗(yàn)金屬球擊頭的材質(zhì)為45#鋼（60HRC～ 65HRC），電池包球擊試驗(yàn)選用的球頭直徑為150 mm，設(shè)置擠壓力為25 kN，擠壓速度≤2 mm/s，擠壓方向?yàn)樨Q直向上。球擊點(diǎn)的位置選擇電池包底部最薄弱的位置，如圖5所示。

圖5 底部球擊試驗(yàn)位置示意圖

安裝固定電池包和球擊電池包底板過(guò)程如圖6所示，將電池包放在水平平臺(tái)上，球擊頭從平臺(tái)底部向電池包底板球擊位置施加擠壓力，如圖6b所示。通過(guò)固定工具對(duì)電池包邊框上吊耳施加壓力并鎖緊來(lái)固定電池包，通過(guò)球擊頭對(duì)試驗(yàn)位置施加擠壓力，擠壓力逐步增大直到受力達(dá)到25 kN，球擊試驗(yàn)停止，觀察球擊位置變形情況。

圖6 電池包底部球擊試驗(yàn)過(guò)程

2 結(jié)果與分析

球擊試驗(yàn)后的電池包底板塑性變形如圖7所示，具體形變?nèi)鐖D8所示，球擊試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9的試驗(yàn)曲線可以看出，電池包底板變形量隨著球擊擠壓力的增大而增大，且大致呈線性關(guān)系，曲線無(wú)突變，底板變形沒(méi)有撞擊到電芯。球擊點(diǎn)最大變形量為34.53 mm，橫梁行程為43.04 mm，用時(shí)103.91 s。電池包在球擊點(diǎn)的位置處有明顯塑性變形，但未開(kāi)裂。

2.1 電池包底部球擊建模

為開(kāi)展電池包底部球擊仿真方法研究與對(duì)標(biāo)，對(duì)電池包開(kāi)展建模分析。考慮到電池包部件的厚度均勻且較薄，電池包底板、邊框、橫縱梁、接頭、吊耳均采用殼單元模擬，材料選擇MAT24；考慮到試驗(yàn)的球擊頭速度緩慢，底板、邊框、橫縱梁和接頭的應(yīng)變率很低，而仿真球擊頭速度較快，所以部件的材料力學(xué)性能曲線選擇應(yīng)變速率最低的準(zhǔn)靜態(tài)曲線，以保證仿真變形更加準(zhǔn)確，材料力學(xué)性能曲線如圖10所示。電池模型采用實(shí)體單元模擬配重塊，其中配重塊表面殼單元材料為MAT9，實(shí)體單元材料為MAT24，排列方式和試驗(yàn)一致，質(zhì)量保持一致；仿真模型中螺栓、點(diǎn)焊用剛性單元模擬，縫焊用殼單元模擬，配重塊之間的連接片用殼單元模擬，材料均為MAT24；用殼單元模擬底部球擊頭時(shí)，材料設(shè)置為剛體MAT20。

圖7 電池包底部球擊后變形情況

圖9 電池包底部球擊試驗(yàn)曲線

圖10 電池包底板材料力學(xué)性能曲線

考慮到電池包在碰撞過(guò)程中各個(gè)部分可能相互接觸，設(shè)置了電池包自接觸，焊點(diǎn)與電池包殼體、橫縱梁接觸，電芯自接觸，電芯和電池包為面面接觸，金屬球擊頭和電池包底板為面面接觸。

設(shè)置模型的自身重力場(chǎng)，并在電池包底部設(shè)置留有球擊位置地面約束，使仿真模型和試驗(yàn)工況一致，如圖11所示。試驗(yàn)時(shí)電池包兩側(cè)吊耳有工裝壓緊并用螺母固定，為使仿真盡可能與試驗(yàn)接近，首先調(diào)整仿真模型，對(duì)兩側(cè)吊耳的螺栓中心點(diǎn)先施加10 kN的預(yù)緊力，加載曲線使用如圖12所示的SMOOTH曲線，使加載過(guò)程更加平順，隨后施加固定約束，充分固定電池包。然后設(shè)置金屬球擊頭的位移，球頭以恒定速度撞擊底板，位移曲線如圖13所示。最后設(shè)置輸出吊耳和剛性球的計(jì)算結(jié)果。電池包底部球擊仿真模型如圖14所示。

圖11 模型球擊位置地面設(shè)置

圖12 預(yù)緊力加載曲線

2.2 底部球擊試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)標(biāo)

取撞擊點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電池包底部球擊仿真結(jié)果和試驗(yàn)相似，底板應(yīng)變區(qū)域和應(yīng)力分布都圍繞球擊位置，底板有一定塑性變形，無(wú)斷裂，如圖8及圖15所示。當(dāng)球擊頭位移至20 mm時(shí)，最大應(yīng)力為720.436 MPa，最大塑性應(yīng)變?yōu)?.034，滿足塑性應(yīng)變要求，如圖15所示。

圖13 金屬球擊頭位移曲線

圖15 底部球擊仿真最大應(yīng)力和塑性應(yīng)變

球擊點(diǎn)的試驗(yàn)和仿真位移–擠壓力曲線如圖16所示，可知，隨著金屬球擊頭撞擊底板位移的增大，擠壓力逐漸增加，變化速率總體上也逐漸增加。試驗(yàn)曲線和仿真曲線基本一致，仿真曲線在試驗(yàn)曲線上下輕微波動(dòng)，當(dāng)擠壓力為10 kN時(shí)，試驗(yàn)球擊頭位移達(dá)到20 mm，仿真球擊頭位移為19.127 mm，仿真球擊頭位移誤差為4.37%，滿足仿真精度要求。底部球擊的能量變化曲線可以反映底板變形的過(guò)程，試驗(yàn)和仿真電池包底部球擊能量變化曲線如圖17所示，仿真變形能量和試驗(yàn)一致，產(chǎn)生了塑性變形，位移達(dá)到20 mm時(shí)，試驗(yàn)底板承受變形能量為70.581 J，仿真底板承受變形能量為73.716 J，仿真誤差為4.41%，遠(yuǎn)小于20%，所以本次建立的電池包底部球擊模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬試驗(yàn)。

圖16 試驗(yàn)和仿真位移–擠壓力曲線對(duì)比

圖17 試驗(yàn)和仿真能量變化曲線對(duì)比

3 結(jié)論

以超高強(qiáng)鋼制電池包為研究對(duì)象，進(jìn)行了電池包底部球擊試驗(yàn)與仿真方法的研究，得到如下結(jié)論。

1）超高強(qiáng)鋼制電池包底部球擊試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果表明，球擊后底板的變形均未超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍或發(fā)生斷裂，電池包底板選用HC420/780DH材料，在底部受到撞擊時(shí)能夠有效保護(hù)電池包，相關(guān)試驗(yàn)和仿真結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）建立了電池包底部球擊試驗(yàn)的高精度仿真分析方法，該分析方法能夠準(zhǔn)確地模擬底部球擊試驗(yàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比誤差較小，變形能量誤差為4.41%，位移誤差為4.37%。

3）結(jié)合電池包底部球擊高精度仿真方法，為電池包產(chǎn)品設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)。

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Ball Impact Test and Simulation Method at the Bottom of Ultra-high Strength Steel Battery Pack

YANG Zhi-hui1,2, XU Dong-kai1,2, XIAO Hua1,2

(1. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels (BaoSteel Group), Shanghai 201900, China)

The paper aims to study the simulation analysis method of ball impact condition at the bottom of ultra-high strength steel battery pack and verify the accuracy of the simulation analysis method by physical test comparison. By establishing the simulation model of the bottom ball impact of the battery pack, the working condition of the bottom ball impact is simulated. The distribution of stress and strain and the deformation energy of the base plate during the process of ball striking are analyzed. The physical test of bottom ball impact is carried out and compared with the simulation results. In the process of ball striking, with the increase of the displacement of the ball striking head hitting the bottom plate, the extrusion force increases gradually, and the deformation energy of the bottom plate also increases gradually. When the extrusion force reaches 10 kN, the simulation displacement is 19.127 mm and the test result displacement is 20 mm. When the displacement reaches 20 mm, the deformation energy of the simulated bottom plate is 73.716 J, and the test result is 70.581 J. The simulation results are consistent with the test results. The results show that the ultra-high strength steel battery pack does not crack in the bottom ball impact test, which meets the standard requirements. The simulation method can provide guidance for the bottom ball impact condition of the battery pack.

battery pack; bottom shot; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.021

U469.72

A

1674-6457(2022)06-0154-07

2021–12–13

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFB0304400）

楊智輝（1989—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)槠嚢逑冗M(jìn)成形技術(shù)。

責(zé)任編輯：蔣紅晨