閆鵬飛，馬天翼，高 妍，王金偉，陳立鐸，趙光磊

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研新能源汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；3.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

0 引言

隨著新能源汽車的普及，國內新能源汽車銷量逐年增加。2022年，我國新能源汽車銷售6 887 000輛，同比增長93.4%，占全球銷量的61.2%。新能源汽車新車銷量占汽車新車總銷量的25.6%，提前3 年完成2025 年規(guī)劃目標，電池包作為新能源汽車關鍵部件之一，其安全性能也受到越來越多的關注[1-4]。關于道路障礙物引發(fā)交通事故的一項調查報告顯示[5-8]，80%的受訪人認為道路障礙物是造成交通事故的一項重要原因。

在常見的電池包機械安全分析中，底部沖擊對電池包的安全性能有顯著影響。為分析電池系統(tǒng)底部球擊工況下的安全狀態(tài)，本文對某款電池包進行底部球擊試驗，并分析其殼體變形情況和受力情況。采用一種剛性球頭對電池包底部進行球擊的方法來模擬電池包受到道路障礙物沖擊，并通過仿真進行準靜態(tài)底部球擊分析。對比靜態(tài)球擊狀態(tài)下的電池包試驗結果和仿真分析結果，可知仿真模型較好地模擬了電池包底部的受力情況，仿真結果和試驗結果趨勢高度一致，充分說明了該方法和仿真模型的有效性。本研究分析了電池包在底部球擊下的安全性能，并且揭示了仿真分析中不同加載方式對測試結果的影響，通過有限元分析的方式為電池包底部球擊測試提供了數(shù)據(jù)支撐。

1 底部球擊

1.1 球擊試驗

靜態(tài)球擊又稱準靜態(tài)底部球擊試驗，一般采用最小加載速度對電池包底部進行擠壓，電池包底部通常由外殼、隔熱材料、電池模組、支撐結構等組成。不同的電池包底部結構對球擊的響應不同，本文采用國內常用的電池包底部球擊試驗工況條件：（1）球頭直徑為150 mm；（2）擠壓速度v=2 mm∕s；（3）擠壓力一般達到20 kN左右，或者擠壓至電池包發(fā)生一定比例變形，如10%的變形程度時終止加載，該設置是為了防止極限情況下，電池包因變形量過大導致內部單體短路起火的情形。為防止在試驗過程中出現(xiàn)意外情況危及實驗室及人員安全，本實驗在有沉水池和噴淋措施的實驗室進行。電池包底部球擊試驗如圖1所示。

試驗過程中由于是對電池包底部進行靜態(tài)球擊，該試驗臺只能進行水平方向的加載，因此將電池包在支架上固定連接后，進行垂向放置，保持底板和水平加載球頭的垂直關系即可，試驗臺下方為事前注滿水的安全池，在起火爆炸的情況下，可將操作臺進行沉水處理。整個實驗過程中電池包未發(fā)生起火爆炸情況，電池包結構僅發(fā)生輕微損傷變形。根據(jù)作用力和反作用力相等的原理，加載力即為電池包底板受到的實際力的大小，其加載過程中電池包受到的加載力通過試驗臺的力傳感器進行監(jiān)測得到。

1.2 電池包仿真模型建立

近年來，越來越多的研究關注電池包底部安全性能影響因素，主要包括實車試驗和仿真模擬兩種方法。實車試驗通常采用高速攝像技術和加速計等設備進行測量，但受到路況等因素的影響較大。而仿真模擬則可以通過計算機程序來模擬電動汽車行駛過程中的托底情況，具有較高的精度和可控性[9]。由于道路障礙物高度和電動汽車底盤高度差導致的電池包底部碰撞會引起電池包產(chǎn)生一個向下的二次撞擊，這也是底部碰撞過程中較為危險的情況。

圖1 電池包底部球擊試驗現(xiàn)場

為了能夠準確反應底部球擊過程中電池包殼體的受力情況，建立電池包強度仿真分析模型[13]。電池包上下殼體均屬于薄板結構，對于薄壁結構，通常做法是采用殼單元網(wǎng)格進行模擬，本文基于薄殼經(jīng)典理論進行建模，對電池包模型進行分析。電池包仿真模型如圖2所示。

對安裝電池包的車架進行固定約束，給球頭以一定的速度對電池包底部和實驗的相同位置進行撞擊，該撞擊模擬的是電動汽車在行車過程中撞擊障礙物后的第2個階段，由于第一撞擊時刻后，帶有電池包的整車會有一個被障礙物輕微頂起的過程，因此導致第一撞擊時刻后，電池包從上往下墜落發(fā)生二次撞擊的可能，其二次撞擊過程一般用底部球擊的方式進行模擬。整個撞擊過程如圖3所示。

圖2 電池包底部球擊仿真模型

圖3 電池包底部撞擊過程示意

由圖3 可知，在撞擊后被頂起來的條件是撞擊后Z方向的力大于該障礙物的承載質量，從而發(fā)生如式（1）所示的向上運動的受力條件。

式中：FZ為障礙物對電池包底部向上的作用力；m為電池系統(tǒng)的質量；g為重力加速度。

發(fā)生向上運動后，其運動位移超過碰撞時刻電池包底面的水平高度和障礙物的高度差，則會發(fā)生電池包和障礙物碰撞后短暫脫離的情況：

其中，撞擊后Z方向的力可以由承載質量和加速度計算出。

式中：SZ為電池包底部向上的位移；Hmin為電池包底面的水平高度和障礙物的高度差；az為電池包向上運動的加速度。

撞擊后Z方向的運動位移等于其加速度和時間的積分，對其兩側求導可得

其中，碰撞時刻電池包底面的水平高度和障礙物的高度差Hmin對碰撞時間的積分為：

由于被頂起來的最小條件為：

式中：為電池包底部向上的位移的二階導數(shù)；t為碰撞過程作用時間。

從而求得，在一般碰撞時長為10 ms，電池包底面的水平高度和障礙物的高度差為300 mm 的情況下，即Hmin= 300 mm,t= 10 ms時可得

碰撞時刻Z方向加速度值只要達到0.6g就有可能發(fā)生底部球擊的實際工況，因此采用底部秋擊的方法對電池包底部結構安全分析非常必要。電池包發(fā)生底部磕碰時，類似于準靜態(tài)或動態(tài)形式撞擊到障礙物上，電池包結構力學仿真分析越來越成為評估電池包底部設計穩(wěn)定性和安全性的重要手段[9-12]，仿真分析能夠排除不良影響因素，確定影響效應，并采取優(yōu)化設計解決許多潛在問題。一般的電池包結構力學仿真分析流程為以下7 個步驟。（1）確定模擬目標：確定仿真模型、目標及邊界條件[13-14]，例如電池組尺寸、材料屬性、強度要求等。（2）建立有限元模型：根據(jù)電池組的實際幾何形狀和特點建立計算機輔助設計（CAD）三維模型，并將其轉換為有限元模型以便進行適當仿真[15]。（3）定義負載和加載情況：應用適當?shù)暮奢d并確定最可能導致應力集中的負載[16]。（4）應用約束邊界條件：營造仿真環(huán)境，如在對整個車輛進行仿真時，其他系統(tǒng)與零件也應該一起納入進來。（5）進行仿真分析：節(jié)點剛度法或其他力學理論被用于解決傳統(tǒng)靜力學或動力學問題，如使用有限元方法或多物理學仿真等現(xiàn)代技術模擬電池包在不同載荷情況下的反應。（6）結果分析和評估：根據(jù)仿真后得到的應力、位移和變形等數(shù)據(jù)評估電池包的結構安全性以及減少內部缺陷。（7）優(yōu)化設計：基于仿真結果，對電池包的設計進行優(yōu)化，如改變電池的幾何形狀、材料選擇及螺栓設計等方案[17-19]。

2 仿真分析

底部球擊實驗過程中，加載方式為速度加載，即調節(jié)試驗球頭的位置對準目標球擊點位后，設定好球頭行進速度至目標行程或目標加載力。本次仿真分析過程保持其加載方式和實驗保持一致，并進一步研究在保持位移加載的情況下對其仿真分析結果的影響。因為設定位移-時間曲線的方式和實驗的加載方式一致，且試驗過程雖然是保持速度不變，但其速度計算方式是根據(jù)位移和時間兩個參數(shù)得到的，因此在30 s 的加載時間內，設定位移和時間線性變化即可得到恒定的加載速度。從加載方式定義來看，仿真過程中保持恒定速度的方式和試驗一致，但從加載方式的計算來源看，仿真過程中保持恒定位移的方式和試驗更加一致。因此，本次仿真模擬通過兩種方式進行加載進行分析研究，加載方式如圖4所示。

圖4 位移加載和速度加載

仿真可得其加載后的電池包底部殼體應力結果如圖5所示。

圖5 靜態(tài)球擊應力云圖

為研究底部球擊加載方式對其撞擊過程中能量大小的影響，計算仿真過程中的能量變化曲線如圖6 所示。由圖可知，位移加載方式下，系統(tǒng)總能量最大為800 J，但速度加載方式下，系統(tǒng)總能量最大超過了1 000 J，說明在速度加載方式的仿真過程中，系統(tǒng)總能量更大。雖然兩種加載方式系統(tǒng)的能量曲線趨勢基本一致，但峰值相差20%左右，速度加載方式的動能和內能也都比位移加載大，說明在速度加載方式下，更符合沖擊的動態(tài)過程。為了更好地說明這個現(xiàn)象，分析其撞擊過程中的位移、速度和加速度情況，結果如圖7 所示。由圖可知，加載方式不同導致了系統(tǒng)能量大小有所差異，這是由于在底部球擊過程中，電池包和球頭的相對位置關系有一定差異。如從球頭位移曲線可以看出，速度加載方式下，在Z方向上的位移最大值超過了位移加載方式，這是因為速度加載方式以速度為控制變量，與位移作為控制變量更容易保證加載最終位移為3 mm 不同，在加載30 s時，其速度超過了位移加載方式下0.05 mm∕s，約占速度峰值的25%。加速度變化曲線則由接觸過程中速度對時間的1 階導數(shù)計算得到，由于速度峰值雖然相差25%左右，但整個過程中的變化趨勢基本一致，這也解釋說明了加速度變化曲線在兩種加載方式下的峰值和整體趨勢基本一致。

圖7 底部球擊過程位移、速度和加速度變化

由于加載方式不同，整個接觸過程的加載力也會有區(qū)別，如圖8 所示。由圖可知，從加載末端時間為30 s附近可以明顯看出接觸力的區(qū)別，位移加載下末端接觸力峰值為30 kN，且存在向上繼續(xù)增大的趨勢，而速度加載方式下，末端接觸力峰值為34.1 kN，且在最后2 s時呈現(xiàn)下降趨勢。這是由于位移作為控制變量的情況下，不論速度怎么變化，優(yōu)先保證了加載推進量，從而導致接觸過程中的力不斷增大，更符合試驗過程，而在速度優(yōu)先的情況下，雖然保證了加載速度的恒定，但導致了更大的接觸力的波動和單元的變形量，從而導致其能量更大。

圖8 底部球擊過程力隨時間變化

如圖9 所示，不同的接觸力和單元變形量會導致電池包底部結構的應力歷程不同。選定球擊點附近ID為36 028 的單元作為應力歷程的參考單元。由圖可知，在t=5 s 時，位移加載方式下單元的Y向應力大于X方向應力，Z方向應力基本一致，即速度加載方式下單元的應力響應更快；從t=30 s加載末端來看，X方向應力峰值在位移加載方式下更大，超過了0.1 GPa，而速度加載方式由于響應更快的原因導致在25～30 s時間段內單元變形恢復更快，從而表現(xiàn)在應力峰值上即t=30 s 加載末端更小一些。因此，從加載點附件的參考單元來看，兩種加載方式產(chǎn)生的應力結果差別不大，但在整個應力過程的響應速度上，速度加載方式更快一些。

圖9 參考單元應力隨時間變化結果

3 結束語

本文通過研究電池包底部靜態(tài)球擊對電池包安全性能的影響，揭示了底部球擊模擬的真實情況，并進行了仿真分析。結果表明：在靜態(tài)球擊過程中，模型的撞擊力隨時間變化的趨勢和實驗樣品保持高度一致，還原了在接觸過程中底部的變形情況，很好地表征了整個球擊過程中各參數(shù)的響應情況，但加載方式的不同對整個響應過程有一定影響。結合當前的仿真模型，從能量、位移、速度、加速度、接觸力和應力狀態(tài)各參數(shù)進行了分析，揭示了不同加載方式對底部球擊過程的影響機理，從而為電池包底部球擊測試評價其底部結構安全提供了數(shù)據(jù)支撐。

總之，在電池包底部碰撞安全的評價過程中，需綜合考慮的因素較為復雜，尤其在碰撞后產(chǎn)生二次傷害的情況下的安全性，越發(fā)需要更加深入的研究，今后需要積累更多的數(shù)據(jù)，來支撐整個電池包結構安全的評價，為產(chǎn)品的安全性能保駕護航。