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電動車動力電池安全性測試與仿真
發表時間:2019-01-24 9:27:45

⎝⎛pp体育平台⎞⎠關于電動車動力電池安全性測試,目前國內大部分企業已依據《電動汽車用動力蓄電池安全要求》報批稿(以下簡稱報批稿)開展。該報批稿預計在2019年上半年作為強制性國家標準發布,以代替GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分:安全性要求與測試方法》。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠與GB/T 31467.3相比,報批稿在試驗項目和試驗環境條件方面都有多項更新,涵蓋了電池單體和電池包。其中與電池包結構相關的測試項目變化主要如下:


1、振動疲勞。隨機振動的RMS水平有明顯降低,例如Z軸加速度RMS由1.44G降為0.64G;每個方向的振動持續時間也從21小時縮短到12小時;增加了24Hz定頻振動(中間有過一個版本還增加了掃頻振動,后來取消);取消了加載次序必須按Z-Y-X的規定,檢測機構可自行選擇加載次序,以節省轉換時間。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠2、機械沖擊。由Z向3次25g半正弦波沖擊改為正負Z向各6次7g半正弦沖擊,并規定了半正弦波形的容差范圍。


3、模擬碰撞。報批稿的測試要求與GB/T 31467.3基本相同,測試對象水平安裝在帶有支架的臺車上,根據測試對象的使用環境給臺車施加規定的脈沖,脈沖分為X向和Y向施加。報批稿還規定,試驗對象存在多個安裝方向(X/ Y/ Z)時,按照加速度大的安裝方向進行試驗。


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,試驗時可選擇單拱形壓頭,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試驗對象上執行。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠從以上幾點變化可以看出,報批稿對電池包結構強度要求至少降低了一半。只要電池包結構的設計不是特別單薄,通過報批稿規定的測試項目難度并不大。但報批稿只考慮了最基本的安全要求,企業進行測試和仿真分析時應該采用更加嚴苛的標準。


一、振動疲勞仿真

⎝⎛pp体育平台⎞⎠電池包振動測試是模擬試驗場強化道路激勵,考察電池包的結構耐久性能,試驗裝置如圖1所示。

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圖1 電池包振動測試設備

振動測試包含三個方向的隨機振動測試和和三個方向的24Hz定頻測試,必須在同一個試驗對象上實施。報批稿要求電池在振動試驗后無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現象,但疲勞仿真分析無法對起火和爆炸做出判斷,只能判斷電池包結構是否發生開裂。建議將仿真分析目標值設定為電池包結構的損傷值<0.2,留出一定安全裕度。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠電池包隨機振動測試是施加單通道加速度激勵,隨機載荷用如圖2所示的PSD曲線描述,大多數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。

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圖2 報批稿規定的隨機載荷PSD曲線

雖然報批稿中的載荷PSD曲線是來源于多個車型在通州試驗場的路試,但根據本人做的一點研究,對于國內大部分整車企業的整車耐久路試規范,報批稿所規定的隨機振動載荷強度是略低于試驗場強化路工況的。也就是說,即使電池包通過了報批稿規定的隨機振動測試,在試驗場強化路進行整車耐久試驗時,仍有可能出現疲勞破壞。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠所以建議進行隨機振動疲勞測試和仿真時,將圖2的PSD曲線提升20%。根據本人經驗,PSD曲線提升20%后,三個方向各持續激勵12小時后所造成的電池包總的結構損傷大致相當于整車在鹽城、襄樊或墊江試驗場的綜合壞路上行駛2000-3000公里(不含連接路面)。


報批稿中的24Hz定頻試驗,對應實際場景是車輛勻速通過通州試驗場的搓板路。實際上,搓板路工況雖然對懸架和懸置系統是比較嚴苛的考驗,但對電池包結構的傷害并不大。對于定頻振動疲勞分析,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,只要滿足這個要求,24Hz定頻激勵下電池包結構各點的應力響應基本都能控制在疲勞極限之下,計算出的損傷值非常接近0。


二、機械沖擊仿真

⎝⎛pp体育平台⎞⎠機械沖擊測試模擬車輛以較高速度通過障礙物或坑洼時電池包受到的沖擊,試驗裝置如圖3所示。

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圖3 機械沖擊測試裝置

⎝⎛pp体育平台⎞⎠機械沖擊測試只考慮Z向載荷,正負Z向各進行6次持續時間為6ms的半正弦沖擊,規定沖擊加速度峰值為7g,容差上限為8.05g,下限為5.95g。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠按報批稿規定,電池包在沖擊試驗后不發生泄漏、外殼破裂、起火或爆炸即算合格。實際上這種沖擊工況發生后,用戶有很大可能性不更換電池包而是繼續使用,所以考察標準應適當加嚴,應要求電池包在沖擊試驗后無破損和可見變形、系統功能正常,內部結構無損壞,無安全隱患。對于仿真分析,建議目標值設置為殼體材料等效塑性應變<0.2A,其中A為斷后延伸率。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠機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。


機械沖擊試驗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,但實際車輛在沖擊路沿、高速過坎、通過深坑時,即使有懸架緩沖,電池包的加速度峰值也經常會超過十幾個g。所以建議測試和仿真都將沖擊載荷適當放大,采用峰值20g持續時間為6ms的半正弦加速度波形。如圖4所示。

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圖4 報批稿規定的沖擊波形和本文建議波形


三、模擬碰撞仿真

⎝⎛pp体育平台⎞⎠模擬碰撞測試用來再現整車發生正面、后面或側面高速碰撞時電池包的響應,試驗裝置如圖5。電池包安裝在臺車上,分別施加X向和Y向的脈沖。

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圖5 模擬碰撞測試裝置

高速碰撞發生后,車輛需要報廢或者大修,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后電池包功能正常,只要不發生電解液或冷卻液泄漏、外殼破裂、起火或爆炸即可。

 

⎝⎛pp体育平台⎞⎠仿真分析也只要求電池殼體結構不發生破裂,建議目標值設置為殼體材料等效塑性應變<0.8A ,其中A為材料斷后延伸率。

 

⎝⎛pp体育平台⎞⎠模擬碰撞仿真與機械沖擊仿真類似,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代表臺車的剛性體上,然后施加加速度載荷。因為臺車正碰和側碰試驗都要求用同一個試驗對象,所以仿真時也要在同一次分析里先后施加X和Y向加速度載荷。

 

報批稿規定,X向載荷最大值為28g,Y向載荷最大值為15g,如圖6所示。但整車在進行50公里正碰和64公里偏置碰試驗時,電池包等效加速度一般在35g 以上;在進行50公里側碰試驗時,電池包等效加速度一般在25g以上。所以建議測試和仿真時將加速度波形放大,X向加速度提升至38g,Y向加速度提升至28g。

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圖6 報批稿規定的模擬碰撞試驗波形和建議波形

四、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向進行測試,允許X向和Y向分別采用不同的試驗對象。

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圖7 擠壓測試裝置

⎝⎛pp体育平台⎞⎠擠壓動作近似準靜態,速度不超過2mm/s,擠壓力達到 100 kN 或擠壓變形量達到擠壓方向的整體尺寸的 30%時停止擠壓。要求不起火、不爆炸。


仿真分析無法對不起火不爆炸這個指標進行量化,所以建議仿真目標值為擠壓力達到100kN 時,內部管線不發生擠壓和撞擊,電池芯體的應變<5%。現行法規要求電池芯體至少能承受15%的變形而不發生起火爆炸,所以仿真目標設定為芯體應變<5%是比較穩妥的。


電池擠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。

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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,無法實施2mm/s的緩慢加載,通常要將加載速度提高至少100倍,有可能造成仿真結果與實際不符。所以推薦使用隱式算法,例如Abaqus/standard。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠報批稿規定的擠壓載荷只有100kN,強度偏低。是電池包通常都是受到車身結構的保護,實際很難出現側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準加嚴,滿足報批稿要求即可。在后續的整車級試驗和仿真中,再根據結果再決定是否要加強電池包框架結構。


但也有例外情況,某些車型的電池包邊框局部直接暴露,未受到車體結構保護,發生事故時可能直接受到撞擊或擠壓,此時100kN的載荷不足以覆蓋實際工況。所以建議對這些邊框局部位置,采用500kN的擠壓載荷進行考核。


五、結語

振動疲勞、機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臺架或者臺車上。電池包和剛性框架的連接必須與實車電池包和車身的連接一致。進行仿真分析也需要保證電池包有限元模型的約束符合實際裝車狀態。


對于擠壓測試,電池包平放于試驗臺面上,一側緊靠剛性壁面,另一側用擠壓頭加載。電池包與試驗臺面之間不能有固定連接。如果加載時電池包會移動,可以在電池包和剛性壁面之間增加輔助支撐。進行仿真分析時也需要再現測試狀態,在有限元模型中體現電池包側邊與剛性壁之間的接觸約束。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠本文建議測試和仿真都采用比報批稿更嚴苛的載荷條件,這就要求電池包框架和外殼要設計得更強壯,將導致整包質量增加和能量密度降低,影響補貼金額。為解決電池包結構加強導致能量密度降低的問題,可以考慮為電池包設計一個加強托架,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。

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圖9 電池包螺接托架

按照現行法規,對于加強托架與電池包本體螺接的情況,企業可以將托架歸屬到車身,測試能量密度時就可不帶托架,當然進行報批稿中各項測試時也不能帶托架。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠因此,我們可以將電池包殼體和內部框架結構盡可能減重,只保證滿足報批稿中的基本要求,以實現整包能量密度的提升。本文建議的更嚴苛的考核指標則是通過托架的加強作用來達成。


⎝⎛pp体育平台⎞⎠對于電池包結構,僅考核振動疲勞、機械沖擊、模擬碰撞和擠壓這幾個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、模態以及極限工況下的強度,還應考慮整車狀態下電池包的結構安全,尤其要關注底部球擊和刮底這兩個整車工況。

 

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。




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