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純電動汽車碰撞安全性能開發(三):動力電池碰撞防護

作者:王朋波 來源:電動1家 發布時間:2019-05-31 瀏覽:
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概述

在純電動汽車的碰撞事故中,動力電池受到撞擊和擠壓引起變形,電池芯體有可能發生熱失控起火;電池包內部其它部件在碰撞中也可能會受到擠壓和沖擊,有發生短路甚至起火爆炸的危險;電池包內部高壓線纜和高壓器件在碰撞時容易被刮破或者扯斷,有可能短路起火,也有可能造成電擊傷害。

為提升續駛里程,當前的純電動車大都將動力電池布置在地板下方,電池面積很大,幾乎覆蓋整個地板,其周邊到車身邊緣的距離通常不會很大,在碰撞或托底時容易被擠壓;近年來電池單體的能量密度突飛猛進,高能量密度伴隨著電芯穩定性的降低,在機械載荷下發生熱失控的風險加大。因為補貼政策有動力電池系統能量密度的要求,為提升整包能量密度,國內的純電動汽車傾向于將電池包殼體結構做的盡量輕巧,導致對內部模組和高壓器件的防護不足。

最近幾年發生過多起電動車起火事故,相當大一部分是碰撞導致的動力電池包起火,其中特斯拉就已經發生了數十起電池包起火事故,如圖1。動力電池的碰撞安全防護已經成為亟待解決的問題。

圖1 特斯拉Model S 撞樹后起火

對于布置在地板下的動力電池,其四周或多或少都會受到車身和底盤結構的保護,唯獨底面缺少防護,所以電池底部是最薄弱的環節。我們在設計電池包碰撞安全防護策略時,不僅要考慮傳統車的正碰、偏置碰、側碰、追尾等工況,還應考慮整車托底工況。關于托底工況下的電池包防護,后續將專文介紹。

2、動力電池防護策略

碰撞時的加速度理論上會造成電池芯體沖擊過載,在電池芯體不發生明顯變形的情況下也有熱失控的可能。但實際上絕大多數動力電池碰撞起火事故都不是由碰撞加速度峰值導致,而是因為碰撞導致電池包結構變形,使內部電芯或者高壓器件受到擠壓或穿刺,造成短路和破裂,最后引起著火。

所以動力電池碰撞防護的關鍵在于控制碰撞時電池包殼體結構的變形,盡量避免內部元件受到撞擊和擠壓,另外電池芯體和高壓元器件自身也應具備一定的耐擠壓耐穿刺能力。近年來有一些研究者在研究一些緩沖結構,在碰撞時能夠吸收部分撞擊能量,以緩和電池包所受的加速度沖擊。這樣做對于電池包的耐久性或許有積極作用,但對于電池包碰撞防護的意義并不大。

對于動力電池包的碰撞安全防護,我們應該從三個層級來考慮。

第一個層級是整車結構防護。要求車體結構本身對電池包形成良好的防護。能夠保證在一般的碰撞工況和刮底工況下,碰撞載荷幾乎全部由整車結構承擔。電池包殼體結構無可見變形,內部無任何損傷,功能正常,可以繼續使用。

第二個層級是電池包殼體結構防護。電池包的殼體和支架要形成完整的框架結構能力,側邊和底部都要具有一定的承載能力。在高速碰撞和惡劣的托底工況下,車體結構無法承擔全部碰撞載荷,一部分載荷需要由電池包殼體承擔。此時電池包殼體允許發生一定量永久變形,但變形量必須控制在安全范圍,保證內部電池芯體不受到擠壓,高壓線纜和元器件不發生斷裂和短路。

第三個層級是電池單體和其他內部高壓器件本身的結構性能。它們應該具有一定的抗擠壓、沖擊和穿刺能力。某些極端惡劣的工況下,即使車體結構和電池包殼體無法提供充分防護,電池單體和高壓元件在承受一定程度的機械載荷后也不應發生起火和爆炸。

3、整車結構對動力電池的防護

純電動汽車應利用動力電池周邊的結構和空間來實施防護。整車對電池包的結構防護要考慮多個碰撞工況,如圖2所示。

圖2 動力電池碰撞防護考察工況

這些碰撞工況,我們均采用統一的評價標準,即:

動力電池包框架不出現較大變形,保證整個碰撞過程中內部模組不受到撞擊和擠壓。

碰撞過程中和碰撞后電池內外部接插件連接不失效,高壓器件不發生短路。

碰撞過程中動力電池包與車身的連接不失效,連接螺栓不斷裂,碰撞后電池與車身不脫離。

有人建議將電池框架結構作為重要傳力路徑,在發生碰撞時為車身分擔部分碰撞載荷。我本人堅決反對這種思路。我的觀點是,電池框架應該有一定的剛強度而且還應加強與車身的連接,這樣可以有效保護動力電池,也能提升車身整體剛強度;但同時我們應盡量減少碰撞工況下電池包框架承受的載荷,應該通過結構和空間的優化設計使絕大部分碰撞載荷由整車結構承擔,以保證動力電池安全。

3.1 C-NCAP整車碰撞工況

C-NCAP規定的三個整車碰撞工況(正面100%重疊剛性壁障碰撞、正面40%重疊可變形壁障碰撞、側面碰撞)下,電池包殼體結構變形必須控制在很小的范圍,不能擠壓到電池單體。

為保護車內乘員,車身乘員艙框架一般都比較剛硬,正撞和偏置碰時乘員艙變形不大,能夠有效保護地板下的動力電池。只要做好前艙內部件的布置,并且控制好前艙的潰縮模式,保證碰撞時動力電池包前端不被撞擊,基本就能通過正碰和偏置碰考察。側碰工況下,只要門檻梁的結構不明顯弱于傳統燃油車,門檻梁的侵入量不會很大,動力電池的側邊不會產生明顯的變形,所以通過側碰工況考察的難度也不大。

3.2 國標后碰和美標高速追尾工況

雖然目前國標50公里后碰測試(GB20072-2006)只對燃油車有要求,尚未要求電動車實施。但是為保證電池包的安全,我們仍然需要用國標后碰工況考察。國標后碰工況較易通過,只要電池包后緣與后懸架部件之間留有40mm以上緩沖空間,電池包通常就不會受到擠壓。

另外建議增加圖3所示的美標80公里追尾考察工況(FMVSS301)。美標追尾工況通過的難度要大得多,需要對車身后部結構進行優化設計,保證完整的后碰傳力途徑。后縱梁前端與門檻梁后端應良好搭接,保證后碰載荷能夠傳遞到門檻梁;門檻梁截面要足夠強壯,后碰時不能潰縮變形。

圖3 美標80公里追尾

3.3 Euro-Ncap側柱碰工況

當車輛出現不可控的旋轉時,車輛側面可能與樹木或電線桿等柱狀物碰撞,對于乘員和動力電池都極其危險,圖4所示的32公里側柱碰工況(GB/T37337-2019)模擬的就是這種場景。

圖4 32公里側柱碰工況

側柱碰工況是動力電池碰撞防護的難點。側柱碰的碰撞接觸面積小,雖然  時速不高,但單位面積內碰撞載荷更大,碰撞力不易往兩側分散,對車輛產生類似切割的效果,將造成非常大的門檻梁侵入。

為在側柱碰工況下保護電池包,門檻梁應有足夠的截面寬度。對于保留地板縱梁的車型,門檻梁寬度應大于140mm,地板縱梁寬度應大于60mm。地板縱梁和門檻梁之間建議再保留一定緩沖空間。

對于無地板縱梁的車型,門檻梁要做的更加粗壯,截面寬度至少要有160mm,截面內部還需要有加強結構。無地板縱梁方案首先用于特斯拉Model S,因為能最大限度的拓展動力電池寬度,近年來頗受追捧,但它對電池包的安全防護效果遠遠不如保留地板縱梁方案。

電池包側邊外側應留有30mm以上的間隙用作緩沖空間。側面柱碰時,地板縱梁或者門檻梁變形后向內侵入,這部分間隙能夠消化掉相當大一部分侵入量,有效減少電池包側邊框的變形,避免電池模組和內部高壓器件受到擠壓。

需要注意的是,對于側柱碰工況,空間尺寸比車身結構更重要。如果電池包外側到門檻梁外側的距離不足150mm,單靠加強門檻梁、地板縱梁或者電池邊框的結構,很難做到側柱碰時內部模組不受擠壓。

4、電池包結構設計

4.1 電池包與車身的連接

電池包與車身連接可采用圖5所示的托架形式或者圖6所示的法蘭邊形式。安裝點必須多于10個,建議按每25-30公斤一個安裝點來確定安裝點數目。

圖5 托架形式電池包(日產Leaf)

圖6 法蘭邊形式電池包(捷豹i-pace)

電池包前后端都應有2個以上安裝點,安裝點分布應均勻,防止出現應力集中點。建議電池包的中間部位布置二到四個連接點,與車身地板橫梁連接,有利于提升電池包抵抗沖擊和顛簸載荷的能力,也能夠提升電池包整體模態頻率。

電池包安裝螺栓應仔細選型,推薦采用10.9級高強螺栓,直徑M14以上。建議用低速碰工況(11g加速度)對螺栓進行校核,保證在11g的X向載荷下,螺栓預緊力所提供的電池包與車身之間摩擦力足夠,不會發生相對滑動。    

對于擠壓鋁型材的電池包框架,內部的腔體通常無法承受高強螺栓的預緊力,預緊力作用下鋁型材會出現永久變形,導致螺栓逐漸松脫。建議在螺栓孔內布置鋼質套筒,防止鋁材在螺栓預緊力作用下被壓潰。

4.2 電池包框架設計

電池包框架應形成縱橫交錯的完整結構,電池包外側是一圈完整的邊框,電池包殼體內部或者電池包托架應有橫向和縱向加強梁,如圖7和圖8。

圖7 BOLT電池包托架結構

圖8 特斯拉Mode lS 電池包框架結構

側柱碰工況下,車身結構很可能無法承擔全部碰撞載荷,電池包側邊框將被向內擠壓。所以我們應該盡量增加電池包或者電池托架的橫梁數量和橫梁截面,必要還可增加料厚或者提升材料牌號,以實現對電池包側邊的充分支撐。

正碰和后碰時車身乘員艙框架可保護電池包基本不受縱向擠壓,所以電池包內部的縱向梁必要性不大。但考慮到電池底殼在橫梁和縱梁的共同支撐下會有更好的垂向耐撞性,所以建議保留中間一條縱向梁。

電池包的前后邊框不需要做的很強。正確設計原則是用車身結構和電池包防護梁來避免電池包前后端受到直接撞擊.只要做到這點,加強電池包前后邊框就沒必要,只要保證滿足國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》的擠壓測試要求即可。

電池包左右兩側邊框更沒必要做強。側面的碰撞載荷主要是由車身門檻梁承擔,側邊框相對于門檻梁,在結構上要弱得多,加強側邊框遠不如加強門檻梁有效。即使有部分側向載荷需要由電池包承受,也主要是電池包橫梁起作用,側邊框起的作用微乎其微。另外,側邊框截面寬度如果減小,則兩側的碰撞緩沖區間就會增加,這意味著側碰和柱碰時電池包受力更小而且有更多的變形緩沖空間,有利于保護內部模組和高壓元器件。所以側邊框只要滿足國標測試要求即可,其寬度還應盡可能地減少。

4.3 電池包上下殼設計

電池包上蓋對于碰撞防護基本無貢獻,在上蓋局部模態頻率達標的前提下,可盡量做輕做薄,以減輕非電芯質量,提升整包能量密度。電池上蓋的模態頻率指標通常設置為大于30Hz,但是根據實車測試結果,該指標放松至20Hz也不會出現NVH問題。電池包上蓋可選擇沖壓鋁板材,厚度在1mm左右,也可選擇2mm左右厚度的玻纖復合材料或者碳纖維復合材料。

電池包上蓋質量輕,也不承受其它外載荷,所以對電池包上蓋螺栓的強度要求也低,通常選擇8.8級M6螺栓已經足夠。

電池包下殼體可采用沖壓鋼板、擠壓鋁型材、鋁板材或者是鑄造鋁,國內現在傾向于采用如圖9所示的擠壓鋁型材下殼體,底板用2-4塊擠壓鋁型材拼接,外框架也是擠壓鋁型,內部橫梁焊接在底板上。擠壓鋁型材底板可以在型腔內設計各種加強筋,能夠在保證整體剛度模態的前提下實現輕量化。但從對內部電芯和元器件的防護效果而言,擠壓鋁型材方案很可能不如鑄造鋁和沖壓鋼板方案。

圖9 擠壓鋁型材電池包殼體

在一些惡劣的工況下,車輛底部與地面突出物可能發生嚴重磕碰,如果電池包下殼體強度不夠,就可能被劃破或者頂穿,損傷到內部電芯或者高壓元器件,有短路起火的風險。所以必須保證下殼體有足夠的強度,建議用底部球擊工況來考察,如圖10所示。

圖10 電池包底部球擊工況

底部球擊工況具體如下:電池包按照在整車上的安裝狀態來約束安裝點。采用直徑150mm的圓球沿Z向擠壓下殼體,逐步將載荷加到整車滿載質量的1.2倍。

在電池包底面任意位置進行上述球擊測試,都應達到電池包殼體無破裂、無內外部短路、無電解液和冷卻液泄露、不起火不爆炸。進行有限元仿真分析時,仿真目標可設定為電池殼體材料的等效塑性應變小于抗拉極限的70%,底板最大垂向變形量<8mm(對于擠壓鋁雙層底板,只關注上層變形量)。其中變形量指標可根據電池包具體設計進行適當調整,以水冷板不破損和電芯不受擠壓為原則。

為通過底部球擊考察,電池包底板應有足夠厚度(鋁底板不低于2mm,鋼底板不低于1.2mm),對于擠壓鋁型材的雙層底板,下層厚度應大于上層。電池包橫梁縱梁的數目、位置和截面應仔細優化,必要時可考慮在電池底部增加螺接的護板或托架。按當前法規,螺接的護板或托架的重量可歸屬到車身,不影響動力電池的系統能量密度計算。

5、電池單體機械性能要求

在前述的幾種整車碰撞工況下,我們用整車和電池包殼體的結構來保護電池模組不受擠壓。但對于某些更加極端的工況,車體和電池包殼體可能已經無法提供充分防護,此時電池單體本身抵抗機械載荷的能力就成了最后的防線。

最新的國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中,針對電池單體抗機械載荷性能的測試項只有擠壓試驗。采用圖11所示的半徑 75 mm 半圓柱體擠壓板,對電池單體進行緩慢擠壓;擠壓方向垂直于電池單體極板方向,或是電池單體在整車布局上最容易受到擠壓的方向;電壓達到 0 V 或變形量達到 15%或擠壓力達到 100 kN 或 1000 倍試驗對象重量后停止擠壓。要求電池不起火不爆炸。

圖11 電池單體擠壓試驗所用的擠壓板

試驗用的擠壓板的長度大于電池單體,擠壓力在一個較大范圍而不是集中在一點;試驗選的擠壓方向通常也不是最危險的方向;15%的擠壓截止變形量也偏低。所以這種擠壓試驗并不能代表最惡劣的工況。通過擠壓試驗只是對電池單體最基本的法規要求,企業對電池單體進行測試應采用更加嚴苛的標準。

GBT 31485-2015《電動汽車用動力蓄電池安全要求及試驗方法》中規定的電池單體測試項更加充分,也更加嚴苛。雖然這個推薦性標準已被替代掉,仍然建議參考其內容補充一些測試項。

在惡劣的碰撞工況下,如果電池包變形過大,內部電池單體就有可能受到撞擊,所以建議補充電池單體跌落測試,保證電池單體有一定的有一定的耐撞性。

在嚴重托底工況下,底面突出物或者碎裂的電池殼體有可能進入電池內部刺向電池單體,所以電池單體應該具有一定的耐穿刺和承受局部集中載荷的能力。建議保留針刺測試項,測試工況可比GBT31485-2015的相關規定放松一些,比如可規定一定的針頭侵入深度而不是刺穿整個電池單體。

6、小結

動力電池碰撞防護的關鍵在于控制碰撞時電池包結構的變形,盡量避免內部元件受到撞擊和擠壓。應從整車防護、電池包殼體結構防護和電池單體耐機械載荷能力三個方面來考慮動力電池碰撞防護。

對于整車碰撞工況,側柱碰工況是動力電池防護的難點。動力電池包外側到門檻梁外側首先要保證足夠的空間尺寸,然后再考慮車體結構加強。

動力電池包邊框沒必要做強,特別是左右側邊框應該盡量做窄以在兩側留出緩沖空間。電池包框架的橫梁應加多加強,縱梁可適當減少減弱。

動力電池上蓋對碰撞防護無貢獻,可盡量做輕薄,必要時大于30Hz的上蓋模態頻率指標要求也可放松。為應對車輛底部傳來的撞擊,下殼體要有足夠的剛強度,建議用底部球擊工況來考察。

電池單體應具有一定的抗機械載荷能力。除了新國標《電動汽車用動力蓄電池安全要求》中的擠壓測試,建議還保留以前的跌落測試和針刺測,測試工況可適當寬松一些。

作者簡介

王朋波,清華大學力學博士,汽車結構CAE分析專家。重慶市科協成員、《計算機輔助工程》期刊審稿人、交通運輸部項目評審專家。專業領域為整車疲勞耐久/NVH/碰撞安全性能開發與仿真計算,車體結構優化與輕量化,CAE分析流程自動化等。

關鍵字:動力電池

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