鋰離子動力電池復(fù)合底護(hù)板球擊防護(hù)試驗研究*

黃紅光，王清泉，曾 勇

（廣汽埃安新能源汽車股份有限公司，廣州 511434）

0 引言

基于全球能源需求，以鋰離子動力電池為能量載體的新能源汽車迅猛發(fā)展，改變著汽車行業(yè)格局，影響著人們的生活。然而新能源汽車安全問題頻發(fā)，關(guān)系到人民的財產(chǎn)安全，日益引起國家和社會的關(guān)注。

動力電池?zé)崾Э厥且鹦履茉雌嚢踩珕栴}的主要原因［1］，觸發(fā)熱失控的因素主要有機(jī)械濫用、熱濫用、電濫用［2］。其中機(jī)械濫用形成過程為當(dāng)電池收到撞擊、擠壓、針刺等機(jī)械外力工況時，電池發(fā)生變形，電池內(nèi)部隔膜破裂，正負(fù)極接觸發(fā)生短路，電池內(nèi)部溫度急劇升高，內(nèi)部同時發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體。電池在高溫高壓的影響下爆裂，發(fā)生起火或者爆炸［3－4］。大量調(diào)查研究表明［5－7］，交通事故中動力電池底部撞擊是造成動力電池密封失效、絕緣短路、起火爆炸的主要原因。鑒于此，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。為了研究底護(hù)板被擠壓過程中電芯實驗的影響因素，Xia 等［8］仿真分析了電池包擠壓過程。朱紅霞等［9］通過托底仿真模型，發(fā)現(xiàn)托底接觸面越小，電池包箱體底板變形量越大，增加底護(hù)板可以有效提高防磕底能力。王超等［10］提出了在電池包前布置鋁合金防護(hù)結(jié)構(gòu)，通過仿真分析和試驗，確定了“人”字形潔面結(jié)構(gòu)是最優(yōu)截面形狀。楊智輝等［11］提出一種仿真分析方法，用于研究超高強(qiáng)度鋼動力電池包的底部球擊工況。李冰等［12］采用仿真分析法研究某鋁合金電池包的底部抗球擊能力，設(shè)計電池包底護(hù)板并進(jìn)行優(yōu)化，使電池包球擊變形量減小1.4 mm。王國旺［13］采用碳纖維復(fù)合材料設(shè)計了一款下箱體，進(jìn)行底部球擊試驗，做到電池包不起火不爆炸。在電池包產(chǎn)業(yè)化中，電池包底部防護(hù)多采用鋼底護(hù)板和鋁合金底護(hù)板。然而，鋼底護(hù)板和鋁底護(hù)板存在質(zhì)量大、電池包保溫性能差、耐腐蝕性能弱、絕緣工藝復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等缺點。高性能材料碳纖維底護(hù)板具有成本高等缺點造成其作為電池包底護(hù)板很難產(chǎn)業(yè)化［14］。綜上所述，學(xué)者們的研究大多采用仿真分析方法，產(chǎn)業(yè)中鋼、鋁和碳纖維底護(hù)板又存在較大缺點。

長玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（LGF／PP）復(fù)合材料具有綜合性能好、可設(shè)計性強(qiáng)、性價比高以及可回收利用等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車車身、外飾件等汽車領(lǐng)域［15］。受此啟發(fā)，本文立足于動力電池底部球擊實驗研究，將具有長玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯的蜂窩板復(fù)合材料設(shè)計為動力電池底護(hù)板，并創(chuàng)造性地用結(jié)構(gòu)膠將底護(hù)板和電池包箱體底部粘接一起，提升復(fù)合底護(hù)板底部防護(hù)能力。探索動力電池底護(hù)板產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的新材料新方法，提升動力電池底部防護(hù)能力和電池包整包安全性能。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)計

如圖1 所示，蜂窩板由面材－蜂窩芯－面材通過加熱到200 ℃膠粘成三明治結(jié)構(gòu)。面材由長玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（LGF／PP）復(fù)合材料而成，1 mm 厚度面材有4 層玻纖層，1.3 mm厚度面材有6 層玻纖層。面材具有良好的力學(xué)性能，如表1 所示，密度小，強(qiáng)度高，可以提供優(yōu)秀的防磕撞能力。蜂窩芯為聚丙烯（PP）軟管，壁厚0.1 mm，管徑8 mm，其獨特的蜂窩芯結(jié)構(gòu)可以提供結(jié)構(gòu)支撐和撞擊吸能作用。

表1 蜂窩板面材力學(xué)性能

圖1 蜂窩板示意圖

研究廣汽和CATL 等頭部車企和電池廠量產(chǎn)電池包底護(hù)板發(fā)現(xiàn)底護(hù)板Z向空間為10 mm左右。因此試驗設(shè)計滿足生產(chǎn)實際的3 種不同厚度的蜂窩板，如表2 所示。蜂窩板安裝于電池包下方，對電池包起撞擊防護(hù)作用。動力電池包底層多為單層鋁板（如比亞迪刀片電池包）或液冷板（如埃安彈匣電池包）。因為不同車型液冷板流道不同，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，考慮到實驗對象簡單化原則，為減小實驗影響因素，方便實驗實施，本文選擇單層鋁板作為動力電池包的底部。鋁板型號為6061鋁合金。

表2 蜂窩板規(guī)格

為了研究蜂窩板與鋁板安裝關(guān)系對動力電池底部球擊防護(hù)的性能，本文設(shè)計了3 種蜂窩板與鋁板的安裝關(guān)系：（1）蜂窩板與鋁板無結(jié)構(gòu)膠粘接；（2）蜂窩板和鋁板間粘接低粘接強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠A；（3）蜂窩板和鋁板間粘接高粘接強(qiáng)度結(jié)構(gòu)膠B。結(jié)構(gòu)膠A 和結(jié)構(gòu)膠B 力學(xué)性能參數(shù)如表3 所示。下文簡稱蜂窩板與鋁板為復(fù)合底護(hù)板。

表3 結(jié)構(gòu)膠力學(xué)性能

1.2 實驗方法和試驗設(shè)備

2021 年中國汽車工程學(xué)會發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《純電動乘用車底部抗碰撞能力要求及試驗方法》［16］，本文參考其中球擊試驗要求，制定本實驗球擊試驗方法為球擊試驗方法，如表4 所示。

依據(jù)試驗方法搭建試驗臺，如圖2 所示。實驗臺架為框架結(jié)構(gòu)，實驗臺中間設(shè)計有定滑輪，牽引繩連接裝機(jī)頭，再穿過定滑輪，撞擊頭通過牽引繩拉升。撞擊頭質(zhì)量為10 kg，通過勢能公式確定120 J 撞擊能量所需高度為1 m。松開牽引繩撞擊頭自由落體，勢能轉(zhuǎn)換為動能，撞擊到蜂窩板上，完成球擊試驗。為了保證撞擊頭的穩(wěn)定性和撞擊的準(zhǔn)確性，試驗臺設(shè)計有導(dǎo)向筒。蜂窩板下有固定工裝，為蜂窩板提供支撐，為撞擊時底護(hù)板變形提供形變空間，如圖3 所示。

圖2 球擊實驗平

圖3 蜂窩板和鋁板固定方式

2 實驗結(jié)果和分析

電池包Z向集成由下到上依次為蜂窩板－電池包底層鋁板－電芯。鋁板對電池電芯有承托作用，鋁板或者液冷板的變形量直接傳遞給電池電芯，造成電芯也發(fā)生形變，影響電芯是否發(fā)生熱失控。因此復(fù)合底護(hù)板球機(jī)試驗后，采用三坐標(biāo)測量鋁板的變形量。測量數(shù)據(jù)如表5所示，發(fā)現(xiàn)當(dāng)蜂窩板與鋁板無結(jié)構(gòu)膠時底護(hù)板變形量最小為10.5 mm，有結(jié)構(gòu)膠A時變形量為8.4 mm，有結(jié)構(gòu)膠B 時變形量為6 mm。觀察底護(hù)板變形量最大值13.5 mm 的底護(hù)板，如圖4 所示，發(fā)現(xiàn)球擊面面材發(fā)生破裂，鋁板凸起無破裂。據(jù)此采用蜂窩板作為底護(hù)板可以對電池包提供較好的防護(hù)能力。

圖4 球擊試驗后底護(hù)板變形表征

將表5 數(shù)據(jù)繪制成圖5，可以看出在球擊試驗中，在無結(jié)構(gòu)膠、使用結(jié)構(gòu)膠A、使用結(jié)構(gòu)膠B 這3 種條件下，均發(fā)生蜂窩板面材厚度增加鋁板變形量變小的趨勢。說明提高材料厚度是提高抗球擊能力的有效方法。對比蜂窩板和鋁板間有無結(jié)構(gòu)膠粘，數(shù)據(jù)顯示有結(jié)構(gòu)粘接的接鋁板變形量更小。結(jié)構(gòu)膠粘接強(qiáng)度越高，鋁板變形量越小。說明采用更高粘接強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)膠可以有效提升底護(hù)板的球擊能力。

圖5 球擊后底護(hù)板變形

為了進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)膠粘接強(qiáng)度對鋁板形變量的影響，對分別粘有結(jié)構(gòu)膠A和結(jié)構(gòu)膠B樣件進(jìn)行切割。如圖6 所示，采用結(jié)構(gòu)膠A的試驗件形變量大，開膠寬度約180 mm，開膠位置在球擊位置，并延伸至邊緣，蜂窩板上無結(jié)構(gòu)膠殘留痕跡。如圖7 所示，結(jié)構(gòu)膠B 樣件開膠尺寸小，開膠位置在球擊位置，開膠形狀沿中心對稱。結(jié)構(gòu)膠B在蜂窩板上有殘留痕跡。分析其原因，復(fù)合底護(hù)板中無結(jié)構(gòu)膠時，鋁板可以近似于二維平面，蜂窩板抗擊一部分球擊力，削弱的球擊力繼續(xù)傳遞給鋁板，蜂窩板和鋁板的受力過程是相互獨立的，二位平面的鋁板抗擊能力較差，因此形變量大。結(jié)構(gòu)膠可以將蜂窩板和鋁板粘接為一個整體，蜂窩板和鋁板形成一個三維結(jié)構(gòu)，蜂窩板收到的球擊力一部分通過結(jié)構(gòu)膠呈XY 平面方向傳遞給鋁板，另一部分通過垂直于受力方向的Z方向傳遞給鋁板，空間結(jié)構(gòu)兩種力的傳遞路徑提高了復(fù)合底護(hù)板的球擊防護(hù)能力。粘接面積越大，傳遞路徑越多，增加抗沖擊面積，減小沖擊強(qiáng)度，提高抗球擊能力。當(dāng)球擊力大于粘接力，發(fā)生開膠現(xiàn)象。力的傳遞路徑減小，復(fù)合底護(hù)板變形量增大。結(jié)構(gòu)膠AD 的粘接強(qiáng)度小于結(jié)構(gòu)膠B，受力過程時間較短，發(fā)生大面積開膠，因此鋁板變形量比使用結(jié)構(gòu)膠B的鋁板變形量大。綜上所示，復(fù)合底護(hù)板使用結(jié)構(gòu)膠可以提高底護(hù)板的球擊防護(hù)能力，結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度越高，復(fù)合底護(hù)板球擊防護(hù)能力越好。

圖6 球擊試驗后底護(hù)板（結(jié)構(gòu)膠A）剖切圖

圖7 球擊試驗后底護(hù)板（結(jié)構(gòu)膠B）剖切圖

然而，在實驗中也發(fā)現(xiàn)一個問題。觀察圖7 可知蜂窩板與鋁板開膠后成開口笑狀，說明蜂窩板在受到?jīng)_擊后比鋁板有更好的回彈性，具有更好的吸能能力。然而這種現(xiàn)象也預(yù)示當(dāng)電池包底部發(fā)生輕微撞擊時，蜂窩板由于良好的吸能和回彈性能恢復(fù)至原貌，而復(fù)合蜂窩板內(nèi)部已經(jīng)局部開膠，鋁板發(fā)生局部變形。這造成底部撞擊損害的隱蔽性。后續(xù)將圍繞上述問題繼續(xù)研究。

3 結(jié)束語

（1）提出了將蜂窩板復(fù)合材料應(yīng)用于動力電池底護(hù)板，基于電池包產(chǎn)業(yè)化實際工況設(shè)計了3 種不同厚度的蜂窩板，用不同粘結(jié)強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)膠將蜂窩板和鋁板粘接成整體復(fù)合蜂窩板，進(jìn)行球擊試驗，分析了蜂窩板厚度和結(jié)構(gòu)膠粘接強(qiáng)度對復(fù)合底護(hù)板防護(hù)的影響規(guī)律。

（2）面材厚度是影響球擊防護(hù)新能的重要因素。面材厚度越厚，底護(hù)板抗球擊性能越強(qiáng)。

（3）蜂窩板和鋁板用結(jié)構(gòu)膠粘接成整體，復(fù)合底護(hù)板球擊受力由二維平面受力轉(zhuǎn)變?yōu)槿S空間受力，可以有效提高底護(hù)板球擊防護(hù)能力，結(jié)構(gòu)膠粘接強(qiáng)度越高，底護(hù)板球擊防護(hù)能力越強(qiáng)。

（4）試驗發(fā)現(xiàn)蜂窩板比金屬鋁板有更好的回彈能力，因此具有更好的吸能效果，適合用于動力電池底護(hù)板。同時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池包底部發(fā)生輕微撞擊時，蜂窩板由于良好的吸能和回彈性能恢復(fù)至原貌，而復(fù)合蜂窩板內(nèi)部已經(jīng)局部開膠，鋁板發(fā)生局部變形。這造成底部撞擊損害的隱蔽性。后續(xù)將圍繞上述問題繼續(xù)研究。