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        純電動汽車托底工況與動力電池防護--一體成形電池箱優勢

        2015-11-05

        1概述


        托底工況指的是汽車底盤在行駛中碰到地面或者地面突出物。汽車過減速帶、撞擊路沿、上坡頂、走坑洼路以及壓過路面上的石頭或磚塊,都可能發生托底。車輪帶起石子擊打車底的情況也可歸屬到托底工況。


        對于傳統燃油車,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機構損傷,通常不會對乘員造成人身傷害。所以傳統燃油車的碰撞安全性能開發中一般不考慮托底工況,最多是將托底作為氣囊標定的誤作用工況來研究。

        圖1 蔚來ES8底盤受撞數日后電池包自燃

        但對于在地板下布置動力電池的純電動汽車,托底的后果要嚴重的多。動力電池底面不受車身結構的保護,而且面積大,更容易受到剮蹭和撞擊。托底工況易造成電池損傷,嚴重時會起火爆炸。而且托底造成的損傷在電池底部,不易察覺,具有隱蔽性。有些托底事故雖然當時未發生短路起火,車輛還能繼續行駛,但電池包已經嚴重變形。如果用戶未及時發現處理,電池芯體和高壓器件持續處于擠壓狀態,電池包可能在一段時間后發生自燃。


        2托底工況的試驗模擬



        托底對動力電池結構的破壞主要有兩種模式。一種是刮底模式,即動力電池的前端和底部受到前后方向的剮蹭,載荷以水平方向為主,也有一些垂向成分。通常會造成電池前邊框和電池底殼前半部變形,嚴重時甚至會將電池殼體從前到后劃開。


        另一種是撞底模式,即動力電池底面受到向上的擠壓或撞擊。載荷以垂直方向為主,可使車輪一輪或多輪離地。通常會造成電池底殼垂向變形,嚴重時會將電池底殼頂穿后進而刺破內部芯體。


        針對以上兩種電池破壞模式,可以用兩個標準工況來模擬托底。


        第一種是整車刮底工況

        • 地面固定一楔形剛性塊,如圖2。楔形塊斜面為45度,高度設置為與電池殼體在Z向有35mm左右的重疊量。

        • 整車以每小時10公里的速度駛過楔形塊。

        • 共進行三次刮底試驗,楔形塊分別對應電池包的左側、右側和中心線。

        圖2 刮底工況用的楔形塊


        第二種是車底球擊工況

        • 車輛按滿載狀態靜止于地面。用直徑75mm的剛性圓球,從車底沿Z向頂起動力電池底面,如圖3。

        • 采用準靜態加載,載荷從0逐漸增加至整車滿載質量的一半。

        • 剛性圓球加載點選擇電池底部最薄弱或者最危險的數個位置,逐個進行考察。

        圖3  底部球擊工況


        托底是可能多次發生的情況,所以我們將整車刮底和車底球擊定義為整車耐久工況而不是整車安全工況。對于整車安全工況,要求電芯不受撞擊和擠壓以避免起火爆炸,但并不要求動力電池還能繼續使用,動力電池允許損壞甚至報廢。對于整車耐久工況,則要求這種工況發生多次后動力電池都能保證功能正常,且無安全隱患。


        基于以上考慮,可以將整車刮底和車底球擊工況的考察指標設定如下:

        1. 加載后電池包殼體結構不破碎、無可見裂紋。

        2. 電池包殼體無明顯變形(建議加載過程中殼體最大侵入量小于4mm,加載后殼體永久變形量小于1mm)。

        3. 內部冷卻系統和管線、插接件和芯體等無損傷。

        4. 動力電池功能正常,可繼續使用。

        要達到以上指標,電池包下殼體要非常強壯,通常只有厚度足夠且設計有大量加強筋的鑄造殼體才能達標。對于擠壓鋁、鋼板或者鋁板材質的下殼體,在大載荷下容易發生較大變形,要通過整車刮底和車底球擊工況考察,需考慮增加電池包防護梁和電池包底護板。


        3電池包防護梁設計


        整車刮底工況導致的電池包損傷主要集中在電池包前部區域,在動力電池包前布置一道防護梁能夠有效保護電池。


        目前已經有多款量產車型應用了電池包防護梁,如圖4。防護梁有圓管截面、矩形截面、三角形截面和平板型等多種形式。其中圓管型梁工藝簡單,成本低廉,剛強度好,應當是電池包防護梁的首選。


        圖4 各種電池包防護梁


        防護梁的安裝布置要注意以下三點:

        1. 防護梁應裝在車身上,不要直接裝在電池包上,以避免防護梁將載荷傳遞到電池包。

        2. 防護梁最下緣應比電池包底面至少低10mm,保證防護梁先于電池包與地面突起物接觸。

        3. 防護梁距離電池包前端的X向距離應控制在100-150mm左右。如果距離太遠,影響防護效果;如果距離太近,防護梁受力變形后有可能撞擊到電池包。


        電池防護梁的防護功能實際有三種:

        1. 對于類似圖2的楔形固定物,車輛向前行駛,防護梁刮過楔形物,如圖5。防護梁能夠保護電池前端不受直接撞擊,僅電池底面的中后部會受到楔形物刮蹭。此種情況最大的風險是電池包底面刮蹭破壞。

        圖5 電池包防護梁刮過楔形塊


        2.對于石塊磚塊等地面異物,車輛向前行駛時,防護梁將異物撞飛或者擊碎,避免電池包前端與突起物撞擊。此種工況下最大的風險是飛濺的異物碎片擊壞電池包下殼體。

        3.對于柱狀地面障礙物,車輛向前行駛,防護梁被障礙物阻擋,如圖6。車輛無法繼續前進,電池包不會與障礙物接觸。此種情況最大的風險是防護梁變形過大撞擊電池包前端。

        圖6  電池包防護梁被障礙物阻擋

        本文所介紹的整車刮底工況實際只考察了第一種防護功能,如果只考慮整車刮底工況,較細的電池防護梁即可滿足。但要實現第二種和第三種防護功能,則要求電池防護梁足夠強壯。所以在空間和重量允許的情況下,我們應盡量將電池防護梁截面做大,厚度適當增加,與車身的連接點也盡量增多,建議采用4處連接點。


        4電池包底護板設計


        整車刮底和車底球擊工況下,電池底面都有可能受力損壞,增加底護板是相當有效的防護手段。

        電池包底護板應滿足以下指標要求:

        • 給動力電池足夠防護,使電池包通過車底球擊工況考察。

        • 與電池包防護梁配合,使電池包通過整車刮底工況考察。

        •  整車刮底和車底球擊工況下,電池包護板不破碎,不出現可見裂紋,但允許有可見變形。

        • 底護板安裝后的約束模態頻率大于30Hz。

        • 上海市強制性地方標準BD31T634-2012規定的整車涉水工況下,底護板不破裂不脫落。


        底護板可考慮采用2mm左右厚度的鋁板或者1.2mm左右厚度的鋼板,需要涂裝防石擊涂層。也可采用非金屬材料,例如改性塑料和玻纖復合材料等,料厚通常需要在3mm以上。


        底護板應采用螺栓與電池包連接,不能使用膠粘連接。這是因為螺接的底護板可歸屬車身,其重量不會影響電池包能量密度測算。如果底護板與電池包粘接,底護板的重量只能歸屬到電池包,將會降低電池包能量密度值,影響補貼金額。


        為保證防護效果和模態頻率達標,底護板需要設計合理的加強筋。底護板兩側和前后都應有固定點,中部還應有多個固定點與電池底殼相連接,如圖7所示。底護板中間連接點的數目不應低于4個,且應分布均勻,避免出現局部受力集中點。

        圖7 一種底護板方案


        為保證在涉水工況下不發生破壞,底護板應設計多個泄水孔。底護板螺栓安裝點處必須有足夠的壓緊面,即在每個安裝點處,護板與電池包壓緊配合面的直徑不小于20mm,否則在涉水時安裝點處極有可能發生撕裂。


        5小結


        對于純電動汽車,托底工況容易造成動力電池包損壞,可能引發嚴重事故。托底工況包含刮底和撞底兩種載荷模式,可采用整車刮底和車底球擊兩個標準工況來分別模擬。


        當前大多數動力電池殼體很難直接通過整車刮底和車底球擊工況考察。電池包防護梁和電池包底護板是有效的加強方案??擅黠@緩解托底造成的電池損壞。


        電池包防護梁應設計得盡量粗壯,應裝在車身上而不是電池包殼體上。其最下緣應比電池包底面至少低10mm,距離電池包前端的X向距離應控制在100-150mm左右。


        電池包底護板要有足夠的厚度,需要設計合理的加強筋,中部還應有多個固定點與電池底殼相連接。其約束模態應大于30Hz,還須保證在涉水工況下的強度。







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