黃云龍　馮富春　盛軍　王莎莎

摘 要：汽車(chē)托底是一種常見(jiàn)的道路交通事故類(lèi)型，電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生托底事故后，動(dòng)力電池受到擠壓和撞擊，常常存在安全隱患。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)普遍采用整車(chē)刮底試驗(yàn)和動(dòng)力電池底部球擊試驗(yàn)對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)進(jìn)行托底安全性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。本文根據(jù)當(dāng)前試驗(yàn)方法存在的問(wèn)題，對(duì)動(dòng)力電池底部球擊測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，提升動(dòng)力電池的托底耐久性。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 托底 底部球擊 耐久性 安全性

Improvement of the Safety Test Method for the Underpinning of Electric Vehicles and Power Batteries

Huang Yunlong Feng Fuchun Sheng Jun Wang Shasha

Abstract：Car undercarriage is a common type of road traffic accidents. After undercarriage accidents occur in electric vehicles， the power battery is squeezed and hit， which often poses safety hazards. At present， the whole vehicle bottom scraping test and the power battery bottom ball hit test are commonly used in the industry to design and verify the safety of the power battery system. Based on the existing problems of the current test method， this article improves the bottom ball hit test method and evaluation index of the power battery to improve the durability of the power battery.

Key words：power battery， bottom support， bottom shot， durability， safety

1 引言

2018年以來(lái)，各品牌電動(dòng)汽車(chē)起火事故接連發(fā)生，國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)品牌特斯拉、國(guó)內(nèi)造車(chē)新勢(shì)力代表蔚來(lái)均牽涉其中，新能源汽車(chē)快速發(fā)展背后危機(jī)重重。

調(diào)查顯示，特斯拉自燃車(chē)輛的動(dòng)力電池曾遭遇托底。而據(jù)蔚來(lái)官方微博公布，蔚來(lái)自燃車(chē)輛在送修前底盤(pán)曾經(jīng)遭受過(guò)嚴(yán)重撞擊，即發(fā)生托底，導(dǎo)致動(dòng)力電池左后部外殼與冷卻板大面積變形，電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)在被擠壓的狀態(tài)下經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后形成短路，最終引發(fā)火情。

目前，行業(yè)內(nèi)普遍采用整車(chē)刮底試驗(yàn)和動(dòng)力電池底部球擊試驗(yàn)對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行托底安全性驗(yàn)證，要求試驗(yàn)后不起火不爆炸，動(dòng)力電池的托底耐久性并沒(méi)有得到充分評(píng)估與保證。

2 托底

托底，是指汽車(chē)底盤(pán)零件與地面或地面的突起物發(fā)生接觸，汽車(chē)的底部受到撞擊。汽車(chē)過(guò)減速帶、撞擊路沿、上坡頂、走坑洼路以及壓過(guò)路面上的石頭或磚塊，都可能發(fā)生托底[1]。

圖1所示幾種托底事故較為常見(jiàn)，如果動(dòng)力電池頻繁發(fā)生損壞或引發(fā)安全事故，會(huì)給消費(fèi)者帶來(lái)?yè)p失與困擾，繼而會(huì)對(duì)公司品牌造成負(fù)面影響，因次，發(fā)生此類(lèi)托底事故時(shí)，既要保證電池的安全性，不能出現(xiàn)起火爆炸現(xiàn)象，也要保證電池的托底耐久性，電池可以繼續(xù)使用，不能存在安全隱患。

對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)，托底的危害主要是油底殼變形、排氣管變形、懸架部件變形和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)損傷，通常不會(huì)對(duì)乘員造成人身傷害，因此，傳統(tǒng)燃油車(chē)的碰撞安全性能開(kāi)發(fā)中一般不考慮托底工況，只是將托底作為氣囊標(biāo)定的誤作用工況來(lái)研究[1]。

對(duì)電動(dòng)汽車(chē)，動(dòng)力電池布置在乘員艙的下方或者偏后方，電池底面不受車(chē)身結(jié)構(gòu)的保護(hù)，是整個(gè)電池系統(tǒng)最薄弱的部分，托底的危害主要是剮蹭或撞擊動(dòng)力電池，造成安全隱患[2]。一般而言，電動(dòng)汽車(chē)比傳統(tǒng)燃油車(chē)更重，車(chē)身懸置壓縮量更大，整車(chē)離地間隙更小，更容易發(fā)生托底，而托底造成的損傷在電池底部，不易察覺(jué)，具有隱蔽性，有些托底事故雖然當(dāng)時(shí)未發(fā)生起火，車(chē)輛還能繼續(xù)行駛，但電池包已嚴(yán)重變形，如果未及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，電芯和高壓器件持續(xù)處于擠壓狀態(tài)，電池包在一段時(shí)間后可能發(fā)生自燃[3]。

托底主要有兩種模式，一種是刮底模式，一種是撞底模式。刮底是指動(dòng)力電池的前端和底部受到前后方向的剮蹭，載荷以水平方向?yàn)橹鳎灿幸恍┐瓜虺煞?，一般?huì)造成電池前邊框和電池底殼前半部變形，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)㈦姵貧んw從前到后劃開(kāi)。撞底是指動(dòng)力電池底面受到向上的擠壓或撞擊，以垂直方向載荷為主，可使車(chē)輪一輪或多輪離地，通常會(huì)造成電池底殼垂向變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)將電池底殼頂穿后進(jìn)而刺破內(nèi)部電芯。通常情況下，撞底事故對(duì)電池包損傷更加嚴(yán)重。

3 電動(dòng)汽車(chē)和動(dòng)力電池托底安全測(cè)試與設(shè)計(jì)

3.1 托底安全測(cè)試

托底主要有刮底和撞底兩種模式，相應(yīng)的，在電動(dòng)汽車(chē)和動(dòng)力電池設(shè)計(jì)過(guò)程中，整車(chē)企業(yè)和電池供應(yīng)商一般采用整車(chē)刮底和電池包底部球擊兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工況來(lái)模擬。

3.1.1 整車(chē)刮底試驗(yàn)

在地面固定一金屬剛性塊，高度設(shè)置為與動(dòng)力電池殼體下底面在Z向有30mm左右的重疊量。整車(chē)采用基準(zhǔn)質(zhì)量（整備+100kg），以不低于每小時(shí)30公里的速度駛過(guò)剛性塊。刮底試驗(yàn)共進(jìn)行三次，剛性塊分別對(duì)準(zhǔn)電池包的左側(cè)、右側(cè)和中心線。要求試驗(yàn)后電池包無(wú)爆炸、起火、析氣、冒煙、漏液等嚴(yán)重危險(xiǎn)現(xiàn)象。

3.1.2 電池包底部球擊試驗(yàn)

用直徑150mm的金屬球頭，以不高于 1mm/s的擠壓速度，擠壓電池包底部薄弱位置，擠壓力達(dá)到20kN或者測(cè)試對(duì)象對(duì)應(yīng)車(chē)型滿載重量110%的載荷后（以最低值為準(zhǔn)），停止擠壓并保持1min。

電芯/模組在測(cè)試過(guò)程中無(wú)外部短路、無(wú)內(nèi)部短路，允許電芯/模組外形結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，但無(wú)危害現(xiàn)象產(chǎn)生。允許電池系統(tǒng)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性能變化（如模組、固定結(jié)構(gòu)、支架、連接排、箱體結(jié)構(gòu)與原狀態(tài)比發(fā)生破損、斷裂;冷卻管路破壞除外），但無(wú)危害現(xiàn)象產(chǎn)生。測(cè)試后要求絕緣電阻值不小于500Ω/V。

3.2 托底安全設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池底面不受車(chē)身結(jié)構(gòu)的保護(hù)，在整車(chē)刮底和底部球擊工況下，容易發(fā)生較大變形并產(chǎn)生危害現(xiàn)象，為滿足工況考察指標(biāo)要求以及整包輕量化要求，可以考慮增加電池包防護(hù)梁和底護(hù)板[4]。

3.2.1 電池包防護(hù)梁設(shè)計(jì)

整車(chē)刮底工況導(dǎo)致的電池包損傷主要集中在電池包前部區(qū)域。在動(dòng)力電池包前布置一道防護(hù)梁（防護(hù)梁安裝在車(chē)身上，其最下緣比電池包底面低10mm以上，與電池包前端的X向距離控制在100-150mm左右），能夠有效保護(hù)電池。防護(hù)梁有圓管截面、矩形截面、三角形截面和平板型等多種形式，其中圓管梁工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，剛強(qiáng)度好，應(yīng)當(dāng)是電池包防護(hù)梁的首選[3]。

3.2.2 電池包底護(hù)板設(shè)計(jì)

整車(chē)刮底和撞底工況下，電池底面都有可能損壞，增加底護(hù)板是非常有效的防護(hù)手段。

底護(hù)板一般采用1.2mm左右厚度的鋼板或者2mm左右厚度的鋁板，需要涂裝防石擊涂層，也可采用非金屬材料，如玻纖復(fù)合材料，料厚通常需要在3mm以上。為保證防護(hù)效果和整車(chē)NVH對(duì)底護(hù)板模態(tài)的要求，還需要在底護(hù)板上設(shè)計(jì)合理的加強(qiáng)筋，且底護(hù)板兩側(cè)和前后都應(yīng)有固定點(diǎn)，中部還應(yīng)有不低于4個(gè)的固定點(diǎn)與電池底殼相連接[4]。此外，底護(hù)板與電池包之間需安裝密封圈以滿足IPX7水密要求，否則底護(hù)板應(yīng)設(shè)計(jì)多個(gè)泄水孔，以保證在涉水工況下底護(hù)板不發(fā)生破壞[1]。

4 試驗(yàn)改進(jìn)建議

文中所述的整車(chē)刮底試驗(yàn)和動(dòng)力電池底部球擊試驗(yàn)，都是要求試驗(yàn)后電池系統(tǒng)無(wú)爆炸、起火、析氣、冒煙、漏液等嚴(yán)重危險(xiǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)，這只是對(duì)電池系統(tǒng)進(jìn)行了托底安全性驗(yàn)證與要求，而電池的托底耐久性并沒(méi)有得到充分評(píng)估與保證。從用戶角度出發(fā)，發(fā)生輕微托底事故時(shí)，既要保證動(dòng)力電池的安全性，不能出現(xiàn)起火爆炸現(xiàn)象，也要保證動(dòng)力電池的托底耐久性，電池要可以繼續(xù)使用，不能存在安全隱患。

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)優(yōu)化

對(duì)常見(jiàn)的、較為輕微的托底事故作為耐久工況保護(hù)，建議將整車(chē)刮底和電池包底部球擊工況的考察指標(biāo)設(shè)定如下：

a）加載后電池包殼體結(jié)構(gòu)不破碎、無(wú)可見(jiàn)裂紋。

b）電池包殼體無(wú)明顯變形（建議加載過(guò)程中殼體最大侵入量小于25mm，卸載后殼體永久變形量小于3mm）。

c）內(nèi)部冷卻系統(tǒng)和管線、插接件和芯體等無(wú)損傷。

d）動(dòng)力電池功能正常，可繼續(xù)使用。

4.2 底部球擊試驗(yàn)方法改進(jìn)

4.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)加載

準(zhǔn)靜態(tài)加載是目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的試驗(yàn)方法，雖然不同廠家的評(píng)價(jià)指標(biāo)各有差異，但基本類(lèi)似，一般采用直徑150mm的金屬球頭，以不高于1mm/s的擠壓速度[5]，擠壓電池包底部薄弱位置，當(dāng)擠壓力達(dá)到20kN或者其它廠家設(shè)定的值時(shí)，停止擠壓。

建議在當(dāng)前基礎(chǔ)上，增加擠壓球頭位移限制：采用直徑150mm的金屬球頭，以不高于1mm/s的擠壓速度，擠壓電池包底部薄弱位置，當(dāng)擠壓力達(dá)到20kN時(shí)，停止擠壓，或者當(dāng)金屬球頭位移量超過(guò)25mm時(shí)，停止擠壓[6]，此時(shí)應(yīng)判定試驗(yàn)不合格。

改進(jìn)后的試驗(yàn)方法對(duì)動(dòng)力電池的底面剛度提出明確要求，對(duì)電池底面達(dá)到一定承載力時(shí)的變形量加以約束。

4.2.2 剛性球沖擊加載

準(zhǔn)靜態(tài)加載試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)，但與實(shí)際托底事故有較大差異。實(shí)際托底事故以刮底和撞底為主，而通常撞底事故對(duì)電池包損害更大，因此，建議電池包底部球擊試驗(yàn)由準(zhǔn)靜態(tài)加載改為剛性球沖擊加載。

另外，汽車(chē)發(fā)生托底時(shí)，動(dòng)力電池不同部位被撞擊的概率不同，如圖9示意，A區(qū)被撞擊的可能性較小，B區(qū)被撞擊的可能性較大，C區(qū)和D區(qū)最容易被撞擊（本圖僅為示意圖，根據(jù)被撞擊概率的不同進(jìn)行區(qū)域劃分，需要以大量的事故統(tǒng)計(jì)作為基礎(chǔ)）。建議根據(jù)不同區(qū)域被撞擊的概率不同，制定不同的試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

剛性球沖擊加載具體試驗(yàn)方法是，使用一個(gè)直徑150mm，質(zhì)量10kg的剛性球，以初速度V0和撞擊角度α，撞擊電池包底部，對(duì)不同的區(qū)域，如表1所示，撞擊能量、初速度、撞擊角度各不相同。

5 結(jié)論

常規(guī)托底事故較為常見(jiàn)，發(fā)生事故時(shí)，既要保證電池的安全性，不能出現(xiàn)起火爆炸現(xiàn)象，也要保證電池的托底耐久性，電池可以繼續(xù)使用。為此，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可考慮增加電池包防護(hù)梁和底護(hù)板，加強(qiáng)電池包底部安全防護(hù);在測(cè)試環(huán)節(jié)，建議探索使用剛性球沖擊試驗(yàn)代替現(xiàn)行底部球擊試驗(yàn)，同時(shí)增加球頭位移限制，對(duì)電池底面達(dá)到一定承載力時(shí)的變形量加以約束。

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0102103）。

參考文獻(xiàn)：

[1]王朋波.純電動(dòng)汽車(chē)托底工況與動(dòng)力電池防護(hù).模態(tài)空間，2018.

[2]劉金. 碰撞工況下汽車(chē)動(dòng)力電池包動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析及安全評(píng)價(jià)[D]. 廣東：華南理工大學(xué)碩士論文，2019.

[3]賈麗娜.某電動(dòng)汽車(chē)電池包結(jié)構(gòu)安全性分析及優(yōu)化[D]. 黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文，2019.

[4]劉元強(qiáng). 純電動(dòng)汽車(chē)電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性研究[D]. 江蘇：東南大學(xué)碩士論文，2017.

[5]馮富春，楊重科，李彥良等. 某電動(dòng)汽車(chē)電池包擠壓仿真分析[J]. 電源世界，2017，33-36.

[6] 賈迎龍，吳文娟，熊飛等.某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池?cái)D壓仿真與試驗(yàn)[J].新能源汽車(chē)，2019，14-17.