關(guān)于電動(dòng)車動(dòng)力電池安全性測試，目前國內(nèi)大部分企業(yè)已依據(jù)《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》報(bào)批稿（以下簡稱報(bào)批稿）開展。該報(bào)批稿預(yù)計(jì)在2019年上半年作為強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，以代替GB/T31467.3-2015《電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第3部分：安全性要求與測試方法》。
與GB/T 31467.3相比，報(bào)批稿在試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)環(huán)境條件方面都有多項(xiàng)更新，涵蓋了電池單體和電池包。其中與電池包結(jié)構(gòu)相關(guān)的測試項(xiàng)目變化主要如下：
1.振動(dòng)疲勞。隨機(jī)振動(dòng)的RMS水平有明顯降低，例如Z軸加速度RMS由1.44G降為0.64G；每個(gè)方向的振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也從21小時(shí)縮短到12小時(shí)；增加了24Hz定頻振動(dòng)（中間有過一個(gè)版本還增加了掃頻振動(dòng)，后來取消）；取消了加載次序必須按Z-Y-X的規(guī)定，檢測機(jī)構(gòu)可自行選擇加載次序，以節(jié)省轉(zhuǎn)換時(shí)間。
2.機(jī)械沖擊。由Z向3次25g半正弦波沖擊改為正負(fù)Z向各6次7g半正弦沖擊，并規(guī)定了半正弦波形的容差范圍。
3.模擬碰撞。報(bào)批稿的測試要求與GB/T 31467.3基本相同，測試對象水平安裝在帶有支架的臺(tái)車上，根據(jù)測試對象的使用環(huán)境給臺(tái)車施加規(guī)定的脈沖，脈沖分為X向和Y向施加。報(bào)批稿還規(guī)定，試驗(yàn)對象存在多個(gè)安裝方向（X/ Y/ Z）時(shí)，按照加速度大的安裝方向進(jìn)行試驗(yàn)。
4.擠壓。擠壓截止力由200kN降為100kN；增加了三拱形擠壓頭作為可選項(xiàng)，試驗(yàn)時(shí)可選擇單拱形壓頭，也可選擇三拱形壓頭；明確了X向和Y向的擠壓測試可分開在兩個(gè)試驗(yàn)對象上執(zhí)行。
從以上幾點(diǎn)變化可以看出，報(bào)批稿對電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求至少降低了一半。只要電池包結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不是特別單薄，通過報(bào)批稿規(guī)定的測試項(xiàng)目難度并不大。但報(bào)批稿只考慮了最基本的安全要求，企業(yè)進(jìn)行測試和仿真分析時(shí)應(yīng)該采用更加嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。
振動(dòng)疲勞仿真
電池包振動(dòng)測試是模擬試驗(yàn)場強(qiáng)化道路激勵(lì)，考察電池包的結(jié)構(gòu)耐久性能，試驗(yàn)裝置如圖1所示。
圖1 電池包振動(dòng)測試設(shè)備
振動(dòng)測試包含三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)測試和和三個(gè)方向的24Hz定頻測試，必須在同一個(gè)試驗(yàn)對象上實(shí)施。報(bào)批稿要求電池在振動(dòng)試驗(yàn)后無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現(xiàn)象，但疲勞仿真分析無法對起火和爆炸做出判斷，只能判斷電池包結(jié)構(gòu)是否發(fā)生開裂。建議將仿真分析目標(biāo)值設(shè)定為電池包結(jié)構(gòu)的損傷值<0.2，留出一定安全裕度。
電池包隨機(jī)振動(dòng)測試是施加單通道加速度激勵(lì)，隨機(jī)載荷用如圖2所示的PSD曲線描述，大多數(shù)疲勞軟件都能模擬這種工況。推薦采用頻域疲勞分析軟件CAEFatigue，也可采用更常見的Femfat和nCode軟件。
圖2 報(bào)批稿規(guī)定的隨機(jī)載荷PSD曲線
雖然報(bào)批稿中的載荷PSD曲線是來源于多個(gè)車型在通州試驗(yàn)場的路試，但根據(jù)本人做的一點(diǎn)研究，對于國內(nèi)大部分整車企業(yè)的整車耐久路試規(guī)范，報(bào)批稿所規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)載荷強(qiáng)度是略低于試驗(yàn)場強(qiáng)化路工況的。也就是說，即使電池包通過了報(bào)批稿規(guī)定的隨機(jī)振動(dòng)測試，在試驗(yàn)場強(qiáng)化路進(jìn)行整車耐久試驗(yàn)時(shí)，仍有可能出現(xiàn)疲勞破壞。
所以建議進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞測試和仿真時(shí)，將圖2的PSD曲線提升20%。根據(jù)本人經(jīng)驗(yàn)，PSD曲線提升20%后，三個(gè)方向各持續(xù)激勵(lì)12小時(shí)后所造成的電池包總的結(jié)構(gòu)損傷大致相當(dāng)于整車在鹽城、襄樊或墊江試驗(yàn)場的綜合壞路上行駛2000-3000公里（不含連接路面）。
報(bào)批稿中的24Hz定頻試驗(yàn)，對應(yīng)實(shí)際場景是車輛勻速通過通州試驗(yàn)場的搓板路。實(shí)際上，搓板路工況雖然對懸架和懸置系統(tǒng)是比較嚴(yán)苛的考驗(yàn)，但對電池包結(jié)構(gòu)的傷害并不大。對于定頻振動(dòng)疲勞分析，采用疲勞軟件中最基本的等幅載荷分析功能即可，例如Femfat的Basic模塊。我們一般要求電池包一階固有頻率大于30Hz，只要滿足這個(gè)要求，24Hz定頻激勵(lì)下電池包結(jié)構(gòu)各點(diǎn)的應(yīng)力響應(yīng)基本都能控制在疲勞極限之下，計(jì)算出的損傷值非常接近0。
機(jī)械沖擊仿真
機(jī)械沖擊測試模擬車輛以較高速度通過障礙物或坑洼時(shí)電池包受到的沖擊，試驗(yàn)裝置如圖3所示。
圖3 機(jī)械沖擊測試裝置
機(jī)械沖擊測試只考慮Z向載荷，正負(fù)Z向各進(jìn)行6次持續(xù)時(shí)間為6ms的半正弦沖擊，規(guī)定沖擊加速度峰值為7g，容差上限為8.05g，下限為5.95g。
按報(bào)批稿規(guī)定，電池包在沖擊試驗(yàn)后不發(fā)生泄漏、外殼破裂、起火或爆炸即算合格。實(shí)際上這種沖擊工況發(fā)生后，用戶有很大可能性不更換電池包而是繼續(xù)使用，所以考察標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)適當(dāng)加嚴(yán)，應(yīng)要求電池包在沖擊試驗(yàn)后無破損和可見變形、系統(tǒng)功能正常，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無損壞，無安全隱患。對于仿真分析，建議目標(biāo)值設(shè)置為殼體材料等效塑性應(yīng)變<0.2A，其中A為斷后延伸率。
機(jī)械沖擊仿真分析比較簡單，采用Ls-dyna等顯式有限元軟件，將電池包有限元模型約束到一剛性體上，在剛性體上施加加速度波形即可。
機(jī)械沖擊試驗(yàn)要求的加速度峰值為7g，即使按照容差上限，最大也不超過8.05G，但實(shí)際車輛在沖擊路沿、高速過坎、通過深坑時(shí)，即使有懸架緩沖，電池包的加速度峰值也經(jīng)常會(huì)超過十幾個(gè)g。所以建議測試和仿真都將沖擊載荷適當(dāng)放大，采用峰值20g持續(xù)時(shí)間為6ms的半正弦加速度波形。如圖4所示。
圖4 報(bào)批稿規(guī)定的沖擊波形和本文建議波形
模擬碰撞仿真
模擬碰撞測試用來再現(xiàn)整車發(fā)生正面、后面或側(cè)面高速碰撞時(shí)電池包的響應(yīng)，試驗(yàn)裝置如圖5。電池包安裝在臺(tái)車上，分別施加X向和Y向的脈沖。
圖5 模擬碰撞測試裝置
高速碰撞發(fā)生后，車輛需要報(bào)廢或者大修，電池包需要更換或者全面檢查維修。所以不要求模擬碰撞試驗(yàn)后電池包功能正常，只要不發(fā)生電解液或冷卻液泄漏、外殼破裂、起火或爆炸即可。
仿真分析也只要求電池殼體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破裂，建議目標(biāo)值設(shè)置為殼體材料等效塑性應(yīng)變<0.8A ，其中A為材料斷后延伸率。
模擬碰撞仿真與機(jī)械沖擊仿真類似，也是采用Ls-dyna等顯式有限元軟件，將電池包模型約束到一個(gè)代表臺(tái)車的剛性體上，然后施加加速度載荷。因?yàn)榕_(tái)車正碰和側(cè)碰試驗(yàn)都要求用同一個(gè)試驗(yàn)對象，所以仿真時(shí)也要在同一次分析里先后施加X和Y向加速度載荷。
報(bào)批稿規(guī)定，X向載荷最大值為28g，Y向載荷最大值為15g，如圖6所示。但整車在進(jìn)行50公里正碰和64公里偏置碰試驗(yàn)時(shí)，電池包等效加速度一般在35g 以上；在進(jìn)行50公里側(cè)碰試驗(yàn)時(shí)，電池包等效加速度一般在25g以上。所以建議測試和仿真時(shí)將加速度波形放大，X向加速度提升至38g，Y向加速度提升至28g。
圖6 報(bào)批稿規(guī)定的模擬碰撞試驗(yàn)波形和建議波形
擠壓仿真
擠壓測試是模擬電池包在某些事故中受到擠壓的情形，試驗(yàn)裝置如圖7所示。采用圖8所示的單拱或者三拱擠壓頭對電池邊框施加載荷，分別沿X向和Y向進(jìn)行測試，允許X向和Y向分別采用不同的試驗(yàn)對象。
圖7 擠壓測試裝置
擠壓動(dòng)作近似準(zhǔn)靜態(tài)，速度不超過2mm/s，擠壓力達(dá)到 100 kN 或擠壓變形量達(dá)到擠壓方向的整體尺寸的 30%時(shí)停止擠壓。要求不起火、不爆炸。
仿真分析無法對不起火不爆炸這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化，所以建議仿真目標(biāo)值為擠壓力達(dá)到100kN 時(shí)，內(nèi)部管線不發(fā)生擠壓和撞擊，電池芯體的應(yīng)變<5%。現(xiàn)行法規(guī)要求電池芯體至少能承受15%的變形而不發(fā)生起火爆炸，所以仿真目標(biāo)設(shè)定為芯體應(yīng)變<5%是比較穩(wěn)妥的。
電池?cái)D壓仿真可選擇顯式或隱式有限元法，用一剛性體模擬擠壓板，通常只考慮單拱型擠壓板即可。
圖8 單拱形和三拱形擠壓板
仿真分析中需考慮材料彈塑性、大變形和接觸這三重非線性因素。采用顯式算法時(shí)，無法實(shí)施2mm/s的緩慢加載，通常要將加載速度提高至少100倍，有可能造成仿真結(jié)果與實(shí)際不符。所以推薦使用隱式算法，例如Abaqus/standard。
報(bào)批稿規(guī)定的擠壓載荷只有100kN，強(qiáng)度偏低。是電池包通常都是受到車身結(jié)構(gòu)的保護(hù)，實(shí)際很難出現(xiàn)側(cè)邊直接被擠壓的場景。所以我們的測試和仿真并不需要將考察標(biāo)準(zhǔn)加嚴(yán)，滿足報(bào)批稿要求即可。在后續(xù)的整車級(jí)試驗(yàn)和仿真中，再根據(jù)結(jié)果再?zèng)Q定是否要加強(qiáng)電池包框架結(jié)構(gòu)。
但也有例外情況，某些車型的電池包邊框局部直接暴露，未受到車體結(jié)構(gòu)保護(hù)，發(fā)生事故時(shí)可能直接受到撞擊或擠壓，此時(shí)100kN的載荷不足以覆蓋實(shí)際工況。所以建議對這些邊框局部位置，采用500kN的擠壓載荷進(jìn)行考核。
結(jié)語
振動(dòng)疲勞、機(jī)械沖擊和模擬碰撞測試，都是將電池包與一剛性框架連接，再將剛性框架固定在試驗(yàn)臺(tái)架或者臺(tái)車上。電池包和剛性框架的連接必須與實(shí)車電池包和車身的連接一致。進(jìn)行仿真分析也需要保證電池包有限元模型的約束符合實(shí)際裝車狀態(tài)。
對于擠壓測試，電池包平放于試驗(yàn)臺(tái)面上，一側(cè)緊靠剛性壁面，另一側(cè)用擠壓頭加載。電池包與試驗(yàn)臺(tái)面之間不能有固定連接。如果加載時(shí)電池包會(huì)移動(dòng)，可以在電池包和剛性壁面之間增加輔助支撐。進(jìn)行仿真分析時(shí)也需要再現(xiàn)測試狀態(tài)，在有限元模型中體現(xiàn)電池包側(cè)邊與剛性壁之間的接觸約束。
本文建議測試和仿真都采用比報(bào)批稿更嚴(yán)苛的載荷條件，這就要求電池包框架和外殼要設(shè)計(jì)得更強(qiáng)壯，將導(dǎo)致整包質(zhì)量增加和能量密度降低，影響補(bǔ)貼金額。為解決電池包結(jié)構(gòu)加強(qiáng)導(dǎo)致能量密度降低的問題，可以考慮為電池包設(shè)計(jì)一個(gè)加強(qiáng)托架，電池包用螺栓連接到托架上，托架再連接到車身上，如圖9所示。
圖9 電池包螺接托架
按照現(xiàn)行法規(guī)，對于加強(qiáng)托架與電池包本體螺接的情況，企業(yè)可以將托架歸屬到車身，測試能量密度時(shí)就可不帶托架，當(dāng)然進(jìn)行報(bào)批稿中各項(xiàng)測試時(shí)也不能帶托架。
因此，我們可以將電池包殼體和內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)盡可能減重，只保證滿足報(bào)批稿中的基本要求，以實(shí)現(xiàn)整包能量密度的提升。本文建議的更嚴(yán)苛的考核指標(biāo)則是通過托架的加強(qiáng)作用來達(dá)成。
對于電池包結(jié)構(gòu)，僅考核振動(dòng)疲勞、機(jī)械沖擊、模擬碰撞和擠壓這幾個(gè)工況是非常不充分的，至少還要考察電池包的整體和局部剛度、模態(tài)以及極限工況下的強(qiáng)度，還應(yīng)考慮整車狀態(tài)下電池包的結(jié)構(gòu)安全，尤其要關(guān)注底部球擊和刮底這兩個(gè)整車工況。
