概述
在純電動(dòng)汽車的碰撞事故中，動(dòng)力電池受到撞擊和擠壓引起變形，電池芯體有可能發(fā)生熱失控起火；電池包內(nèi)部其它部件在碰撞中也可能會(huì)受到擠壓和沖擊，有發(fā)生短路甚至起火爆炸的危險(xiǎn)；電池包內(nèi)部高壓線纜和高壓器件在碰撞時(shí)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(xù)駛里程，當(dāng)前的純電動(dòng)車大都將動(dòng)力電池布置在地板下方，電池面積很大，幾乎覆蓋整個(gè)地板，其周邊到車身邊緣的距離通常不會(huì)很大，在碰撞或托底時(shí)容易被擠壓；近年來電池單體的能量密度突飛猛進(jìn)，高能量密度伴隨著電芯穩(wěn)定性的降低，在機(jī)械載荷下發(fā)生熱失控的風(fēng)險(xiǎn)加大。因?yàn)檠a(bǔ)貼政策有動(dòng)力電池系統(tǒng)能量密度的要求，為提升整包能量密度，國(guó)內(nèi)的純電動(dòng)汽車傾向于將電池包殼體結(jié)構(gòu)做的盡量輕巧，導(dǎo)致對(duì)內(nèi)部模組和高壓器件的防護(hù)不足。
最近幾年發(fā)生過多起電動(dòng)車起火事故，相當(dāng)大一部分是碰撞導(dǎo)致的動(dòng)力電池包起火，其中特斯拉就已經(jīng)發(fā)生了數(shù)十起電池包起火事故，如圖1。動(dòng)力電池的碰撞安全防護(hù)已經(jīng)成為亟待解決的問題。
圖1 特斯拉Model S 撞樹后起火
對(duì)于布置在地板下的動(dòng)力電池，其四周或多或少都會(huì)受到車身和底盤結(jié)構(gòu)的保護(hù)，唯獨(dú)底面缺少防護(hù)，所以電池底部是最薄弱的環(huán)節(jié)。我們?cè)谠O(shè)計(jì)電池包碰撞安全防護(hù)策略時(shí)，不僅要考慮傳統(tǒng)車的正碰、偏置碰、側(cè)碰、追尾等工況，還應(yīng)考慮整車托底工況。關(guān)于托底工況下的電池包防護(hù)，后續(xù)將專文介紹。
2、動(dòng)力電池防護(hù)策略
碰撞時(shí)的加速度理論上會(huì)造成電池芯體沖擊過載，在電池芯體不發(fā)生明顯變形的情況下也有熱失控的可能。但實(shí)際上絕大多數(shù)動(dòng)力電池碰撞起火事故都不是由碰撞加速度峰值導(dǎo)致，而是因?yàn)榕鲎矊?dǎo)致電池包結(jié)構(gòu)變形，使內(nèi)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(dòng)力電池碰撞防護(hù)的關(guān)鍵在于控制碰撞時(shí)電池包殼體結(jié)構(gòu)的變形，盡量避免內(nèi)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(yīng)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(jié)構(gòu)，在碰撞時(shí)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(duì)于電池包的耐久性或許有積極作用，但對(duì)于電池包碰撞防護(hù)的意義并不大。
對(duì)于動(dòng)力電池包的碰撞安全防護(hù)，我們應(yīng)該從三個(gè)層級(jí)來考慮。
第一個(gè)層級(jí)是整車結(jié)構(gòu)防護(hù)。要求車體結(jié)構(gòu)本身對(duì)電池包形成良好的防護(hù)。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(jié)構(gòu)承擔(dān)。電池包殼體結(jié)構(gòu)無(wú)可見變形，內(nèi)部無(wú)任何損傷，功能正常，可以繼續(xù)使用。
第二個(gè)層級(jí)是電池包殼體結(jié)構(gòu)防護(hù)。電池包的殼體和支架要形成完整的框架結(jié)構(gòu)能力，側(cè)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(jié)構(gòu)無(wú)法承擔(dān)全部碰撞載荷，一部分載荷需要由電池包殼體承擔(dān)。此時(shí)電池包殼體允許發(fā)生一定量永久變形，但變形量必須控制在安全范圍，保證內(nèi)部電池芯體不受到擠壓，高壓線纜和元器件不發(fā)生斷裂和短路。
第三個(gè)層級(jí)是電池單體和其他內(nèi)部高壓器件本身的結(jié)構(gòu)性能。它們應(yīng)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(jié)構(gòu)和電池包殼體無(wú)法提供充分防護(hù)，電池單體和高壓元件在承受一定程度的機(jī)械載荷后也不應(yīng)發(fā)生起火和爆炸。
3、整車結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力電池的防護(hù)
純電動(dòng)汽車應(yīng)利用動(dòng)力電池周邊的結(jié)構(gòu)和空間來實(shí)施防護(hù)。整車對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)防護(hù)要考慮多個(gè)碰撞工況，如圖2所示。
圖2 動(dòng)力電池碰撞防護(hù)考察工況
這些碰撞工況，我們均采用統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即：
動(dòng)力電池包框架不出現(xiàn)較大變形，保證整個(gè)碰撞過程中內(nèi)部模組不受到撞擊和擠壓。
碰撞過程中和碰撞后電池內(nèi)外部接插件連接不失效，高壓器件不發(fā)生短路。
碰撞過程中動(dòng)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(jié)構(gòu)作為重要傳力路徑，在發(fā)生碰撞時(shí)為車身分擔(dān)部分碰撞載荷。我本人堅(jiān)決反對(duì)這種思路。我的觀點(diǎn)是，電池框架應(yīng)該有一定的剛強(qiáng)度而且還應(yīng)加強(qiáng)與車身的連接，這樣可以有效保護(hù)動(dòng)力電池，也能提升車身整體剛強(qiáng)度；但同時(shí)我們應(yīng)盡量減少碰撞工況下電池包框架承受的載荷，應(yīng)該通過結(jié)構(gòu)和空間的優(yōu)化設(shè)計(jì)使絕大部分碰撞載荷由整車結(jié)構(gòu)承擔(dān)，以保證動(dòng)力電池安全。
3.1 C-NCAP整車碰撞工況
C-NCAP規(guī)定的三個(gè)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(cè)面碰撞）下，電池包殼體結(jié)構(gòu)變形必須控制在很小的范圍，不能擠壓到電池單體。
為保護(hù)車內(nèi)乘員，車身乘員艙框架一般都比較剛硬，正撞和偏置碰時(shí)乘員艙變形不大，能夠有效保護(hù)地板下的動(dòng)力電池。只要做好前艙內(nèi)部件的布置，并且控制好前艙的潰縮模式，保證碰撞時(shí)動(dòng)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(cè)碰工況下，只要門檻梁的結(jié)構(gòu)不明顯弱于傳統(tǒng)燃油車，門檻梁的侵入量不會(huì)很大，動(dòng)力電池的側(cè)邊不會(huì)產(chǎn)生明顯的變形，所以通過側(cè)碰工況考察的難度也不大。
3.2 國(guó)標(biāo)后碰和美標(biāo)高速追尾工況
雖然目前國(guó)標(biāo)50公里后碰測(cè)試（GB20072-2006）只對(duì)燃油車有要求，尚未要求電動(dòng)車實(shí)施。但是為保證電池包的安全，我們?nèi)匀恍枰脟?guó)標(biāo)后碰工況考察。國(guó)標(biāo)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(huì)受到擠壓。
另外建議增加圖3所示的美標(biāo)80公里追尾考察工況（FMVSS301）。美標(biāo)追尾工況通過的難度要大得多，需要對(duì)車身后部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證完整的后碰傳力途徑。后縱梁前端與門檻梁后端應(yīng)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(qiáng)壯，后碰時(shí)不能潰縮變形。
圖3 美標(biāo)80公里追尾
3.3 Euro-Ncap側(cè)柱碰工況
當(dāng)車輛出現(xiàn)不可控的旋轉(zhuǎn)時(shí)，車輛側(cè)面可能與樹木或電線桿等柱狀物碰撞，對(duì)于乘員和動(dòng)力電池都極其危險(xiǎn)，圖4所示的32公里側(cè)柱碰工況（GB/T37337-2019）模擬的就是這種場(chǎng)景。
圖4 32公里側(cè)柱碰工況
側(cè)柱碰工況是動(dòng)力電池碰撞防護(hù)的難點(diǎn)。側(cè)柱碰的碰撞接觸面積小，雖然 時(shí)速不高，但單位面積內(nèi)碰撞載荷更大，碰撞力不易往兩側(cè)分散，對(duì)車輛產(chǎn)生類似切割的效果，將造成非常大的門檻梁侵入。
為在側(cè)柱碰工況下保護(hù)電池包，門檻梁應(yīng)有足夠的截面寬度。對(duì)于保留地板縱梁的車型，門檻梁寬度應(yīng)大于140mm，地板縱梁寬度應(yīng)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(duì)于無(wú)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(nèi)部還需要有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。無(wú)地板縱梁方案首先用于特斯拉Model S，因?yàn)槟茏畲笙薅鹊耐卣箘?dòng)力電池寬度，近年來頗受追捧，但它對(duì)電池包的安全防護(hù)效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如保留地板縱梁方案。
電池包側(cè)邊外側(cè)應(yīng)留有30mm以上的間隙用作緩沖空間。側(cè)面柱碰時(shí)，地板縱梁或者門檻梁變形后向內(nèi)侵入，這部分間隙能夠消化掉相當(dāng)大一部分侵入量，有效減少電池包側(cè)邊框的變形，避免電池模組和內(nèi)部高壓器件受到擠壓。
需要注意的是，對(duì)于側(cè)柱碰工況，空間尺寸比車身結(jié)構(gòu)更重要。如果電池包外側(cè)到門檻梁外側(cè)的距離不足150mm，單靠加強(qiáng)門檻梁、地板縱梁或者電池邊框的結(jié)構(gòu)，很難做到側(cè)柱碰時(shí)內(nèi)部模組不受擠壓。
4、電池包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(diǎn)必須多于10個(gè)，建議按每25-30公斤一個(gè)安裝點(diǎn)來確定安裝點(diǎn)數(shù)目。
圖5 托架形式電池包（日產(chǎn)Leaf）
圖6 法蘭邊形式電池包(捷豹i-pace)
電池包前后端都應(yīng)有2個(gè)以上安裝點(diǎn)，安裝點(diǎn)分布應(yīng)均勻，防止出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)。建議電池包的中間部位布置二到四個(gè)連接點(diǎn)，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(tài)頻率。
電池包安裝螺栓應(yīng)仔細(xì)選型，推薦采用10.9級(jí)高強(qiáng)螺栓，直徑M14以上。建議用低速碰工況（11g加速度）對(duì)螺栓進(jìn)行校核，保證在11g的X向載荷下，螺栓預(yù)緊力所提供的電池包與車身之間摩擦力足夠，不會(huì)發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。
對(duì)于擠壓鋁型材的電池包框架，內(nèi)部的腔體通常無(wú)法承受高強(qiáng)螺栓的預(yù)緊力，預(yù)緊力作用下鋁型材會(huì)出現(xiàn)永久變形，導(dǎo)致螺栓逐漸松脫。建議在螺栓孔內(nèi)布置鋼質(zhì)套筒，防止鋁材在螺栓預(yù)緊力作用下被壓潰。
4.2 電池包框架設(shè)計(jì)
電池包框架應(yīng)形成縱橫交錯(cuò)的完整結(jié)構(gòu)，電池包外側(cè)是一圈完整的邊框，電池包殼體內(nèi)部或者電池包托架應(yīng)有橫向和縱向加強(qiáng)梁，如圖7和圖8。
圖7 BOLT電池包托架結(jié)構(gòu)
圖8 特斯拉Mode lS 電池包框架結(jié)構(gòu)
側(cè)柱碰工況下，車身結(jié)構(gòu)很可能無(wú)法承擔(dān)全部碰撞載荷，電池包側(cè)邊框?qū)⒈幌騼?nèi)擠壓。所以我們應(yīng)該盡量增加電池包或者電池托架的橫梁數(shù)量和橫梁截面，必要還可增加料厚或者提升材料牌號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池包側(cè)邊的充分支撐。
正碰和后碰時(shí)車身乘員艙框架可保護(hù)電池包基本不受縱向擠壓，所以電池包內(nèi)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(huì)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(qiáng)。正確設(shè)計(jì)原則是用車身結(jié)構(gòu)和電池包防護(hù)梁來避免電池包前后端受到直接撞擊.只要做到這點(diǎn)，加強(qiáng)電池包前后邊框就沒必要，只要保證滿足國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》的擠壓測(cè)試要求即可。
電池包左右兩側(cè)邊框更沒必要做強(qiáng)。側(cè)面的碰撞載荷主要是由車身門檻梁承擔(dān)，側(cè)邊框相對(duì)于門檻梁，在結(jié)構(gòu)上要弱得多，加強(qiáng)側(cè)邊框遠(yuǎn)不如加強(qiáng)門檻梁有效。即使有部分側(cè)向載荷需要由電池包承受，也主要是電池包橫梁起作用，側(cè)邊框起的作用微乎其微。另外，側(cè)邊框截面寬度如果減小，則兩側(cè)的碰撞緩沖區(qū)間就會(huì)增加，這意味著側(cè)碰和柱碰時(shí)電池包受力更小而且有更多的變形緩沖空間，有利于保護(hù)內(nèi)部模組和高壓元器件。所以側(cè)邊框只要滿足國(guó)標(biāo)測(cè)試要求即可，其寬度還應(yīng)盡可能地減少。
4.3 電池包上下殼設(shè)計(jì)
電池包上蓋對(duì)于碰撞防護(hù)基本無(wú)貢獻(xiàn)，在上蓋局部模態(tài)頻率達(dá)標(biāo)的前提下，可盡量做輕做薄，以減輕非電芯質(zhì)量，提升整包能量密度。電池上蓋的模態(tài)頻率指標(biāo)通常設(shè)置為大于30Hz，但是根據(jù)實(shí)車測(cè)試結(jié)果，該指標(biāo)放松至20Hz也不會(huì)出現(xiàn)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(fù)合材料或者碳纖維復(fù)合材料。
電池包上蓋質(zhì)量輕，也不承受其它外載荷，所以對(duì)電池包上蓋螺栓的強(qiáng)度要求也低，通常選擇8.8級(jí)M6螺栓已經(jīng)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(guó)內(nèi)現(xiàn)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(nèi)部橫梁焊接在底板上。擠壓鋁型材底板可以在型腔內(nèi)設(shè)計(jì)各種加強(qiáng)筋，能夠在保證整體剛度模態(tài)的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化。但從對(duì)內(nèi)部電芯和元器件的防護(hù)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(fā)生嚴(yán)重磕碰，如果電池包下殼體強(qiáng)度不夠，就可能被劃破或者頂穿，損傷到內(nèi)部電芯或者高壓元器件，有短路起火的風(fēng)險(xiǎn)。所以必須保證下殼體有足夠的強(qiáng)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(tài)來約束安裝點(diǎn)。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(zhì)量的1.2倍。
在電池包底面任意位置進(jìn)行上述球擊測(cè)試，都應(yīng)達(dá)到電池包殼體無(wú)破裂、無(wú)內(nèi)外部短路、無(wú)電解液和冷卻液泄露、不起火不爆炸。進(jìn)行有限元仿真分析時(shí)，仿真目標(biāo)可設(shè)定為電池殼體材料的等效塑性應(yīng)變小于抗拉極限的70%，底板最大垂向變形量<8mm(對(duì)于擠壓鋁雙層底板,只關(guān)注上層變形量)。其中變形量指標(biāo)可根據(jù)電池包具體設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)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(yīng)有足夠厚度（鋁底板不低于2mm，鋼底板不低于1.2mm）,對(duì)于擠壓鋁型材的雙層底板，下層厚度應(yīng)大于上層。電池包橫梁縱梁的數(shù)目、位置和截面應(yīng)仔細(xì)優(yōu)化,必要時(shí)可考慮在電池底部增加螺接的護(hù)板或托架。按當(dāng)前法規(guī)，螺接的護(hù)板或托架的重量可歸屬到車身，不影響動(dòng)力電池的系統(tǒng)能量密度計(jì)算。
5、電池單體機(jī)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(jié)構(gòu)來保護(hù)電池模組不受擠壓。但對(duì)于某些更加極端的工況，車體和電池包殼體可能已經(jīng)無(wú)法提供充分防護(hù)，此時(shí)電池單體本身抵抗機(jī)械載荷的能力就成了最后的防線。
最新的國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中，針對(duì)電池單體抗機(jī)械載荷性能的測(cè)試項(xiàng)只有擠壓試驗(yàn)。采用圖11所示的半徑 75 mm 半圓柱體擠壓板，對(duì)電池單體進(jìn)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(dá)到 0 V 或變形量達(dá)到 15%或擠壓力達(dá)到 100 kN 或 1000 倍試驗(yàn)對(duì)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(yàn)所用的擠壓板
試驗(yàn)用的擠壓板的長(zhǎng)度大于電池單體，擠壓力在一個(gè)較大范圍而不是集中在一點(diǎn)；試驗(yàn)選的擠壓方向通常也不是最危險(xiǎn)的方向；15%的擠壓截止變形量也偏低。所以這種擠壓試驗(yàn)并不能代表最惡劣的工況。通過擠壓試驗(yàn)只是對(duì)電池單體最基本的法規(guī)要求，企業(yè)對(duì)電池單體進(jìn)行測(cè)試應(yīng)采用更加嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。
GBT 31485-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求及試驗(yàn)方法》中規(guī)定的電池單體測(cè)試項(xiàng)更加充分，也更加嚴(yán)苛。雖然這個(gè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)已被替代掉，仍然建議參考其內(nèi)容補(bǔ)充一些測(cè)試項(xiàng)。
在惡劣的碰撞工況下，如果電池包變形過大，內(nèi)部電池單體就有可能受到撞擊，所以建議補(bǔ)充電池單體跌落測(cè)試，保證電池單體有一定的有一定的耐撞性。
在嚴(yán)重托底工況下，底面突出物或者碎裂的電池殼體有可能進(jìn)入電池內(nèi)部刺向電池單體，所以電池單體應(yīng)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(cè)試項(xiàng)，測(cè)試工況可比GBT31485-2015的相關(guān)規(guī)定放松一些，比如可規(guī)定一定的針頭侵入深度而不是刺穿整個(gè)電池單體。
6、小結(jié)
動(dòng)力電池碰撞防護(hù)的關(guān)鍵在于控制碰撞時(shí)電池包結(jié)構(gòu)的變形，盡量避免內(nèi)部元件受到撞擊和擠壓。應(yīng)從整車防護(hù)、電池包殼體結(jié)構(gòu)防護(hù)和電池單體耐機(jī)械載荷能力三個(gè)方面來考慮動(dòng)力電池碰撞防護(hù)。
對(duì)于整車碰撞工況，側(cè)柱碰工況是動(dòng)力電池防護(hù)的難點(diǎn)。動(dòng)力電池包外側(cè)到門檻梁外側(cè)首先要保證足夠的空間尺寸，然后再考慮車體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)。
動(dòng)力電池包邊框沒必要做強(qiáng)，特別是左右側(cè)邊框應(yīng)該盡量做窄以在兩側(cè)留出緩沖空間。電池包框架的橫梁應(yīng)加多加強(qiáng)，縱梁可適當(dāng)減少減弱。
動(dòng)力電池上蓋對(duì)碰撞防護(hù)無(wú)貢獻(xiàn)，可盡量做輕薄，必要時(shí)大于30Hz的上蓋模態(tài)頻率指標(biāo)要求也可放松。為應(yīng)對(duì)車輛底部傳來的撞擊，下殼體要有足夠的剛強(qiáng)度，建議用底部球擊工況來考察。
電池單體應(yīng)具有一定的抗機(jī)械載荷能力。除了新國(guó)標(biāo)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》中的擠壓測(cè)試，建議還保留以前的跌落測(cè)試和針刺測(cè),測(cè)試工況可適當(dāng)寬松一些。
作者簡(jiǎn)介
王朋波，清華大學(xué)力學(xué)博士，汽車結(jié)構(gòu)CAE分析專家。重慶市科協(xié)成員、《計(jì)算機(jī)輔助工程》期刊審稿人、交通運(yùn)輸部項(xiàng)目評(píng)審專家。專業(yè)領(lǐng)域?yàn)檎嚻谀途?NVH/碰撞安全性能開發(fā)與仿真計(jì)算，車體結(jié)構(gòu)優(yōu)化與輕量化，CAE分析流程自動(dòng)化等。
