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纯电动汽车碰撞安全性能开发(三):动力电池碰撞防护

作者:王朋波 来源:电动1家 发布时间:2019-05-31 浏览:
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概述

在纯电动汽车的碰撞事故中,动力电池受到撞击和挤压引起变形,电池芯体有可能发生热失控起火;电池包内部其它部件在碰撞中也可能会受到挤压和冲击,有发生短路甚至起火爆炸的危险;电池包内部高压线缆和高压器件在碰撞时容易被刮破或者扯断,有可能短路起火,也有可能造成电击伤害。

为提升续驶里程,当前的纯电动车大都将动力电池布置在地板下方,电池面积很大,几乎覆盖整个地板,其周边到车身边缘的距离通常不会很大,在碰撞或托底时容易被挤压;近年来电池单体的能量密度突飞猛进,高能量密度伴随着电芯稳定性的降低,在机械载荷下发生热失控的风险加大。因为补贴政策有动力电池系统能量密度的要求,为提升整包能量密度,国内的纯电动汽车倾向于将电池包壳体结构做的尽量轻巧,导致对内部模组和高压器件的防护不足。

最近几年发生过多起电动车起火事故,相当大一部分是碰撞导致的动力电池包起火,其中特斯拉就已经发生了数十起电池包起火事故,如图1。动力电池的碰撞安全防护已经成为亟待解决的问题。

图1 特斯拉Model S 撞树后起火

对于布置在地板下的动力电池,其四周或多或少都会受到车身和底盘结构的保护,唯独底面缺少防护,所以电池底部是最薄弱的环节。我们在设计电池包碰撞安全防护策略时,不仅要考虑传统车的正碰、偏置碰、侧碰、追尾等工况,还应考虑整车托底工况。关于托底工况下的电池包防护,后续将专文介绍。

2、动力电池防护策略

碰撞时的加速度理论上会造成电池芯体冲击过载,在电池芯体不发生明显变形的情况下也有热失控的可能。但实际上绝大多数动力电池碰撞起火事故都不是由碰撞加速度峰值导致,而是因为碰撞导致电池包结构变形,使内部电芯或者高压器件受到挤压或穿刺,造成短路和破裂,最后引起着火。

所以动力电池碰撞防护的关键在于控制碰撞时电池包壳体结构的变形,尽量避免内部元件受到撞击和挤压,另外电池芯体和高压元器件自身也应具备一定的耐挤压耐穿刺能力。近年来有一些研究者在研究一些缓冲结构,在碰撞时能够吸收部分撞击能量,以缓和电池包所受的加速度冲击。这样做对于电池包的耐久性或许有积极作用,但对于电池包碰撞防护的意义并不大。

对于动力电池包的碰撞安全防护,我们应该从三个层级来考虑。

第一个层级是整车结构防护。要求车体结构本身对电池包形成良好的防护。能够保证在一般的碰撞工况和刮底工况下,碰撞载荷几乎全部由整车结构承担。电池包壳体结构无可见变形,内部无任何损伤,功能正常,可以继续使用。

第二个层级是电池包壳体结构防护。电池包的壳体和支架要形成完整的框架结构能力,侧边和底部都要具有一定的承载能力。在高速碰撞和恶劣的托底工况下,车体结构无法承担全部碰撞载荷,一部分载荷需要由电池包壳体承担。此时电池包壳体允许发生一定量永久变形,但变形量必须控制在安全范围,保证内部电池芯体不受到挤压,高压线缆和元器件不发生断裂和短路。

第三个层级是电池单体和其他内部高压器件本身的结构性能。它们应该具有一定的抗挤压、冲击和穿刺能力。某些极端恶劣的工况下,即使车体结构和电池包壳体无法提供充分防护,电池单体和高压元件在承受一定程度的机械载荷后也不应发生起火和爆炸。

3、整车结构对动力电池的防护

纯电动汽车应利用动力电池周边的结构和空间来实施防护。整车对电池包的结构防护要考虑多个碰撞工况,如图2所示。

图2 动力电池碰撞防护考察工况

这些碰撞工况,我们均采用统一的评价标准,即:

动力电池包框架不出现较大变形,保证整个碰撞过程中内部模组不受到撞击和挤压。

碰撞过程中和碰撞后电池内外部接插件连接不失效,高压器件不发生短路。

碰撞过程中动力电池包与车身的连接不失效,连接螺栓不断裂,碰撞后电池与车身不脱离。

有人建议将电池框架结构作为重要传力路径,在发生碰撞时为车身分担部分碰撞载荷。我本人坚决反对这种思路。我的观点是,电池框架应该有一定的刚强度而且还应加强与车身的连接,这样可以有效保护动力电池,也能提升车身整体刚强度;但同时我们应尽量减少碰撞工况下电池包框架承受的载荷,应该通过结构和空间的优化设计使绝大部分碰撞载荷由整车结构承担,以保证动力电池安全。

3.1 C-NCAP整车碰撞工况

C-NCAP规定的三个整车碰撞工况(正面100%重叠刚性壁障碰撞、正面40%重叠可变形壁障碰撞、侧面碰撞)下,电池包壳体结构变形必须控制在很小的范围,不能挤压到电池单体。

为保护车内乘员,车身乘员舱框架一般都比较刚硬,正撞和偏置碰时乘员舱变形不大,能够有效保护地板下的动力电池。只要做好前舱内部件的布置,并且控制好前舱的溃缩模式,保证碰撞时动力电池包前端不被撞击,基本就能通过正碰和偏置碰考察。侧碰工况下,只要门槛梁的结构不明显弱于传统燃油车,门槛梁的侵入量不会很大,动力电池的侧边不会产生明显的变形,所以通过侧碰工况考察的难度也不大。

3.2 国标后碰和美标高速追尾工况

虽然目前国标50公里后碰测试(GB20072-2006)只对燃油车有要求,尚未要求电动车实施。但是为保证电池包的安全,我们仍然需要用国标后碰工况考察。国标后碰工况较易通过,只要电池包后缘与后悬架部件之间留有40mm以上缓冲空间,电池包通常就不会受到挤压。

另外建议增加图3所示的美标80公里追尾考察工况(FMVSS301)。美标追尾工况通过的难度要大得多,需要对车身后部结构进行优化设计,保证完整的后碰传力途径。后纵梁前端与门槛梁后端应良好搭接,保证后碰载荷能够传递到门槛梁;门槛梁截面要足够强壮,后碰时不能溃缩变形。

图3 美标80公里追尾

3.3 Euro-Ncap侧柱碰工况

当车辆出现不可控的旋转时,车辆侧面可能与树木或电线杆等柱状物碰撞,对于乘员和动力电池都极其危险,图4所示的32公里侧柱碰工况(GB/T37337-2019)模拟的就是这种场景。

图4 32公里侧柱碰工况

侧柱碰工况是动力电池碰撞防护的难点。侧柱碰的碰撞接触面积小,虽然  时速不高,但单位面积内碰撞载荷更大,碰撞力不易往两侧分散,对车辆产生类似切割的效果,将造成非常大的门槛梁侵入。

为在侧柱碰工况下保护电池包,门槛梁应有足够的截面宽度。对于保留地板纵梁的车型,门槛梁宽度应大于140mm,地板纵梁宽度应大于60mm。地板纵梁和门槛梁之间建议再保留一定缓冲空间。

对于无地板纵梁的车型,门槛梁要做的更加粗壮,截面宽度至少要有160mm,截面内部还需要有加强结构。无地板纵梁方案首先用于特斯拉Model S,因为能最大限度的拓展动力电池宽度,近年来颇受追捧,但它对电池包的安全防护效果远远不如保留地板纵梁方案。

电池包侧边外侧应留有30mm以上的间隙用作缓冲空间。侧面柱碰时,地板纵梁或者门槛梁变形后向内侵入,这部分间隙能够消化掉相当大一部分侵入量,有效减少电池包侧边框的变形,避免电池模组和内部高压器件受到挤压。

需要注意的是,对于侧柱碰工况,空间尺寸比车身结构更重要。如果电池包外侧到门槛梁外侧的距离不足150mm,单靠加强门槛梁、地板纵梁或者电池边框的结构,很难做到侧柱碰时内部模组不受挤压。

4、电池包结构设计

4.1 电池包与车身的连接

电池包与车身连接可采用图5所示的托架形式或者图6所示的法兰边形式。安装点必须多于10个,建议按每25-30公斤一个安装点来确定安装点数目。

图5 托架形式电池包(日产Leaf)

图6 法兰边形式电池包(捷豹i-pace)

电池包前后端都应有2个以上安装点,安装点分布应均匀,防止出现应力集中点。建议电池包的中间部位布置二到四个连接点,与车身地板横梁连接,有利于提升电池包抵抗冲击和颠簸载荷的能力,也能够提升电池包整体模态频率。

电池包安装螺栓应仔细选型,推荐采用10.9级高强螺栓,直径M14以上。建议用低速碰工况(11g加速度)对螺栓进行校核,保证在11g的X向载荷下,螺栓预紧力所提供的电池包与车身之间摩擦力足够,不会发生相对滑动。    

对于挤压铝型材的电池包框架,内部的腔体通常无法承受高强螺栓的预紧力,预紧力作用下铝型材会出现永久变形,导致螺栓逐渐松脱。建议在螺栓孔内布置钢质套筒,防止铝材在螺栓预紧力作用下被压溃。

4.2 电池包框架设计

电池包框架应形成纵横交错的完整结构,电池包外侧是一圈完整的边框,电池包壳体内部或者电池包托架应有横向和纵向加强梁,如图7和图8。

图7 BOLT电池包托架结构

图8 特斯拉Mode lS 电池包框架结构

侧柱碰工况下,车身结构很可能无法承担全部碰撞载荷,电池包侧边框将被向内挤压。所以我们应该尽量增加电池包或者电池托架的横梁数量和横梁截面,必要还可增加料厚或者提升材料牌号,以实现对电池包侧边的充分支撑。

正碰和后碰时车身乘员舱框架可保护电池包基本不受纵向挤压,所以电池包内部的纵向梁必要性不大。但考虑到电池底壳在横梁和纵梁的共同支撑下会有更好的垂向耐撞性,所以建议保留中间一条纵向梁。

电池包的前后边框不需要做的很强。正确设计原则是用车身结构和电池包防护梁来避免电池包前后端受到直接撞击.只要做到这点,加强电池包前后边框就没必要,只要保证满足国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》的挤压测试要求即可。

电池包左右两侧边框更没必要做强。侧面的碰撞载荷主要是由车身门槛梁承担,侧边框相对于门槛梁,在结构上要弱得多,加强侧边框远不如加强门槛梁有效。即使有部分侧向载荷需要由电池包承受,也主要是电池包横梁起作用,侧边框起的作用微乎其微。另外,侧边框截面宽度如果减小,则两侧的碰撞缓冲区间就会增加,这意味着侧碰和柱碰时电池包受力更小而且有更多的变形缓冲空间,有利于保护内部模组和高压元器件。所以侧边框只要满足国标测试要求即可,其宽度还应尽可能地减少。

4.3 电池包上下壳设计

电池包上盖对于碰撞防护基本无贡献,在上盖局部模态频率达标的前提下,可尽量做轻做薄,以减轻非电芯质量,提升整包能量密度。电池上盖的模态频率指标通常设置为大于30Hz,但是根据实车测试结果,该指标放松至20Hz也不会出现NVH问题。电池包上盖可选择冲压铝板材,厚度在1mm左右,也可选择2mm左右厚度的玻纤复合材料或者碳纤维复合材料。

电池包上盖质量轻,也不承受其它外载荷,所以对电池包上盖螺栓的强度要求也低,通常选择8.8级M6螺栓已经足够。

电池包下壳体可采用冲压钢板、挤压铝型材、铝板材或者是铸造铝,国内现在倾向于采用如图9所示的挤压铝型材下壳体,底板用2-4块挤压铝型材拼接,外框架也是挤压铝型,内部横梁焊接在底板上。挤压铝型材底板可以在型腔内设计各种加强筋,能够在保证整体刚度模态的前提下实现轻量化。但从对内部电芯和元器件的防护效果而言,挤压铝型材方案很可能不如铸造铝和冲压钢板方案。

图9 挤压铝型材电池包壳体

在一些恶劣的工况下,车辆底部与地面突出物可能发生严重磕碰,如果电池包下壳体强度不够,就可能被划破或者顶穿,损伤到内部电芯或者高压元器件,有短路起火的风险。所以必须保证下壳体有足够的强度,建议用底部球击工况来考察,如图10所示。

图10 电池包底部球击工况

底部球击工况具体如下:电池包按照在整车上的安装状态来约束安装点。采用直径150mm的圆球沿Z向挤压下壳体,逐步将载荷加到整车满载质量的1.2倍。

在电池包底面任意位置进行上述球击测试,都应达到电池包壳体无破裂、无内外部短路、无电解液和冷却液泄露、不起火不爆炸。进行有限元仿真分析时,仿真目标可设定为电池壳体材料的等效塑性应变小于抗拉极限的70%,底板最大垂向变形量<8mm(对于挤压铝双层底板,只关注上层变形量)。其中变形量指标可根据电池包具体设计进行适当调整,以水冷板不破损和电芯不受挤压为原则。

为通过底部球击考察,电池包底板应有足够厚度(铝底板不低于2mm,钢底板不低于1.2mm),对于挤压铝型材的双层底板,下层厚度应大于上层。电池包横梁纵梁的数目、位置和截面应仔细优化,必要时可考虑在电池底部增加螺接的护板或托架。按当前法规,螺接的护板或托架的重量可归属到车身,不影响动力电池的系统能量密度计算。

5、电池单体机械性能要求

在前述的几种整车碰撞工况下,我们用整车和电池包壳体的结构来保护电池模组不受挤压。但对于某些更加极端的工况,车体和电池包壳体可能已经无法提供充分防护,此时电池单体本身抵抗机械载荷的能力就成了最后的防线。

最新的国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中,针对电池单体抗机械载荷性能的测试项只有挤压试验。采用图11所示的半径 75 mm 半圆柱体挤压板,对电池单体进行缓慢挤压;挤压方向垂直于电池单体极板方向,或是电池单体在整车布局上最容易受到挤压的方向;电压达到 0 V 或变形量达到 15%或挤压力达到 100 kN 或 1000 倍试验对象重量后停止挤压。要求电池不起火不爆炸。

图11 电池单体挤压试验所用的挤压板

试验用的挤压板的长度大于电池单体,挤压力在一个较大范围而不是集中在一点;试验选的挤压方向通常也不是最危险的方向;15%的挤压截止变形量也偏低。所以这种挤压试验并不能代表最恶劣的工况。通过挤压试验只是对电池单体最基本的法规要求,企业对电池单体进行测试应采用更加严苛的标准。

GBT 31485-2015《电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法》中规定的电池单体测试项更加充分,也更加严苛。虽然这个推荐性标准已被替代掉,仍然建议参考其内容补充一些测试项。

在恶劣的碰撞工况下,如果电池包变形过大,内部电池单体就有可能受到撞击,所以建议补充电池单体跌落测试,保证电池单体有一定的有一定的耐撞性。

在严重托底工况下,底面突出物或者碎裂的电池壳体有可能进入电池内部刺向电池单体,所以电池单体应该具有一定的耐穿刺和承受局部集中载荷的能力。建议保留针刺测试项,测试工况可比GBT31485-2015的相关规定放松一些,比如可规定一定的针头侵入深度而不是刺穿整个电池单体。

6、小结

动力电池碰撞防护的关键在于控制碰撞时电池包结构的变形,尽量避免内部元件受到撞击和挤压。应从整车防护、电池包壳体结构防护和电池单体耐机械载荷能力三个方面来考虑动力电池碰撞防护。

对于整车碰撞工况,侧柱碰工况是动力电池防护的难点。动力电池包外侧到门槛梁外侧首先要保证足够的空间尺寸,然后再考虑车体结构加强。

动力电池包边框没必要做强,特别是左右侧边框应该尽量做窄以在两侧留出缓冲空间。电池包框架的横梁应加多加强,纵梁可适当减少减弱。

动力电池上盖对碰撞防护无贡献,可尽量做轻薄,必要时大于30Hz的上盖模态频率指标要求也可放松。为应对车辆底部传来的撞击,下壳体要有足够的刚强度,建议用底部球击工况来考察。

电池单体应具有一定的抗机械载荷能力。除了新国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》中的挤压测试,建议还保留以前的跌落测试和针刺测,测试工况可适当宽松一些。

作者简介

王朋波,清华大学力学博士,汽车结构CAE分析专家。重庆市科协成员、《计算机辅助工程》期刊审稿人、交通运输部项目评审专家。专业领域为整车疲劳耐久/NVH/碰撞安全性能开发与仿真计算,车体结构优化与轻量化,CAE分析流程自动化等。

关键字:动力电池

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