第42卷第4期2020年12月
南昌大学学报（工科版）
Journal of Nanchang University( Engineering & Technology)
Vol.42 No.4
Dec.2020
文章编号：1006-0456(2020)04-0386-06
董晴雯，王丽娟，陈宗渝，程晨，吴波
(南昌大学机电工程学院，江西南昌330031)
池包有限元模型，并考虑电池包的实际安装位置，进行整车侧面碰撞仿真分析。从车体结构、电池箱体、电池包内
部模组等多个层面综合评价电池包碰撞安全性，结果表明，在侧面碰撞过程中电池包没有短路风险，满足法规中对
碰撞后电池包安全性的相关要求。
关键词：纯电动汽车；碰撞安全分析；动力电池包；响应特性
中图分类号:U469.72 文献标志码:A
Analysis of response characteristics and safety of
battery pack side impact simulation
D O N G Q i n g w e n,W A N G L i j u a n,C H
E N Z o n g y u,C H E N G C h e n,W U B o
(School of Mechatronics Engineering，Nanchang University，Nanchang 330031，China) Abstract：
In order to explore the impact of the battery pack box and i t s internal structure on the safety of the battery pack,a modeling method as homogeneous was used to establish a detailed finite element model of the battery
pack including the battery box,battery module,module fixing bracket,connecting screws,copper sheet connecting- battery core and other structural parts. A n d the simulation analysis of the vehicle，s side collision was performed. Comprehensively evaluated the safety of the battery pack from the car body structure,battery box,internal module of the battery pack,etc.The results showed that there was no risk of short circuit during the side collision,which met
the relevant requirements of the regulations on the safety of the battery pack after the collision.
Key Words：pure electric vehicle；crash safety analysis；power battery pack ；response characteristics
我国汽车行业发展还处于迅速发展时期，面临能 源紧缺和环境污染两大难题，在国家政策的支持下, 电动汽车获得迅猛的发展。电池包作为纯电动汽车 的唯一动力来源，其结构的安全性关乎整车安全性。在汽车碰撞的过程中，电池包可能受到外力冲击挤 压，导致电池包脱落或者电池包壳体发生破裂，当电 池包发生一定变形，甚至会产生起火、爆炸现象[1-2]。针对电动汽车，碰撞法规对碰撞后电
动汽车及电池包 提出了相关安全性要求。电池包安装在电动汽车中 部，与正面碰撞和追尾碰撞相比，侧面碰撞缓冲吸能 空间更小，是更恶劣的工况，对电池包的威胁更大，能更直观地反映电池包的碰撞响应特性[3]。
针对电池包结构的安全性问题，国内外很多学 者进行了研究。王震坡等[4]根据整车变形、电池箱 前面板(保险部位）变形、电池模块的运动、各部位 缓冲吸能能力、电池模块等效应力等参数评价了动 力电池包在碰撞过程中的安全性，并指出了影响安 全的主要因素：电池箱门骨架刚度小、电池模块固定 能力差、碰撞区侧围骨架缓冲吸能能力弱。李明秋 等[5]通过对电池包进行动静态有限元分析得到电 池包的上箱盖局部刚度严重不足，且下箱体底板强 度不够的结论。通过结构优化设计，电池包箱体刚
收稿日期：2020-07-30。
作者简介：董晴雯（1995—)，女，硕士生；通信作者：王丽娟（1971—)，女，副教授，博士，**************。
引文格式：董晴雯，王丽娟，陈宗渝，等.电池包侧面碰撞仿真响应特性和安全性分析[J].南昌大学学报（工科版），2020,42
(4) :386-391.
第4期董晴雯，等：电池包侧面碰撞仿真响应特性和安全性分析• 387 •
度和强度满足要求且总质量减小66.61%。姜高松 等[6]通过仿真分析对电池箱体结构设计的合理性 进行综合评价，结果显示：电池箱的上箱盖刚度不 足，但是箱体底部支撑框架却有很大的设计余量。 对电池箱上箱盖进行了形貌优化，对电池箱下箱体 框架进行尺寸优化，不但整体刚度得到了提高，而且 在满足强度的要求下，总质量减小了 5. 5%。
Istiyanto 等[7]通过建立电池架正面碰撞、侧面碰撞以
及后面碰撞仿真模型分析电池架安全性，对电池架
进行优化设计，提高了电池架耐撞性能。Hartmann 等[8]提升了电池箱的固有频率，并且达到车辆激励 频率的范围，通过减少电池箱的厚度，实现电池箱的 轻量化设计。Kukreja 等[9]建立整车有限元模型进 行整车碰撞分析，比较了多个电池组配置，得出使用 多功能（耐损伤和能量存储）电池系统可以确保电 池安全并有助于整体碰撞中的能量吸收。上述研究 均对电池包的安全性进行了分析，但是大多数研究 仅对电池箱体进行了安全性评估分析，而忽略了电 池包内部结构的安全性。本文通过建立精细化的电 池包模型，利用LS -D y n a 软件进行整车侧面碰撞仿 真分析，探究电池箱体和内部模组的响应特性，根据 仿真计算结果对车体结构和电池包箱体及其内部模 组进行碰撞后安全性评估分析。
1整车有限元模型的建立
1.1精细化电池包有限元模型的建立
电池包结构主要包括上箱盖、下箱体、吊耳、电 池模组、接插孔、从控模块等，电池模组包括水冷板、 螺栓、单体电池、电池压板、电池罩盖、电池支架等， 电池包总共有14个模组，每个模组有12个电池单 体，电池包的几何模型如图1所示。
上箱盖
水冷板‘螺检单,
、箱体
电池模组
下箱从控模块接'插孔
电池罩盖<
电动汽车安全性^
一
z
电池压板
电池支架
螺检单体电池
电池模组图i 电池包几何模型
Fig .1 Geometric model of battery pack
为了探究电池箱体及其内部模组的响应特性， 得到与实际更吻合的计算结果，将建立精细化的电 池包有限元模型。综合考虑建模效率和结构对力的 传递路径的影响，电池包模型将保留上箱盖、下箱 体、吊耳、下箱体支撑板、电池模组、电池支架、压板、
水冷板等部件。由于研究对象是电池包，且进行整 车侧面碰撞分析，因此采用均质化建模方法建立电 池模组有限元模型。文献[10]根据电池单体力学 试验，得到电池的力学特性，并发现一种可压缩泡沫 材料与该性质极其相似，建立材料本构模型，并采用 均质化建模方法建立电池单体模型进行仿真分析， 且仿真结果与实验结果十分吻合。因此电池芯层材 料选用各向同性可压缩泡沫材料，电池外壳材料选 用铝，电池包下箱体、上箱盖、吊耳、下箱体支撑板等
部件所用的材料均为Q 235钢材，压板、电池支架等 部件所用的材料均为P A 6塑料，各材料参数如表1 所示，有限元模型如图2所示，其中图2(a )为箱体 有限元模型，图2(b )为模组有限元模型。
(a) 箱体有限元模型
(b) 模组有限元模型
图2电池包有限元模型
Fig . 2 F i n i t e element model of battery pack
表1材料参数
Tab .1 Material parameters
材料
泊松比
密度/
(kg • m 3 )弹性模量/ GPa 屈服强度/
GPa Q235
0.307 8502060.235PA60.341 13023.20.13003H24
0.30 2 70069
0.145
可压缩泡沫材料0.15
2 0540.366
一
1.2车体结构有限元模型的建立
将车体结构分为白车身和车门闭合件等各大总 成进行建模。根据建模标准，利用HyperMesh 前处 理软件对车体结构进行网格划分，然后在Oasys
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图 Fig .7LS -D y n a 软件中进行整车侧面碰撞仿真，整车
变形如图8所示，整车侧面碰撞试验整车变形如图 9所示。对比2张图片可以发现，图示1、2、3、4处 仿真结果和试验结果的变形特征基本相同，整体来 看，仿真结果与试验结果具有较好的一致性。
图8侧面碰撞仿真整车变形
Fig . 8 Vehicle deformation i n s i d e c o l l i s i o n simulation
图9侧面碰撞试验整车变形
Fig .9 Deformation of the v ehicl e i n the s ide c o l l i s i o n t e s t 2.2电池包侧面碰撞仿真响应
特性和安全性分析
2.2.1
电池包支架分析
在电动汽车发生碰撞时，要求电池包壳体不得
破裂，图10和图11分别是整车侧面碰撞电池包支 架和电池包壳体的应变云图，电池包支架的最大应 变为4.22%，电池包壳体的最大应变是3.28%，材料
都为Q 235，破坏应变为25%，说明在整车侧面碰撞 过程中，电池包支架和电池包壳体没有破裂的风险。
Primer 软件中根据仿真需要定义相关卡片。汽车碰
撞仿真中常用的材料有橡胶、塑料、玻璃、铝合金以 及钢材等，不同材料的参数各有所不同，为了仿真结 果的可靠性，通过试验获得材料的实际参数。各部 件之间的连接方式不同，根据实际连接方式定义各 部件之间的连接。电池包安装位置如图3所示，整 车有限元模型建立完成，如图4所示。
Fig .3 Battery pack i n s t a l l a t i o n loc at ion
图4整车有限元模型
Fig .4 F i ni te element model of the whole v ehic le
2电池包侧面碰撞仿真安全性分析
2.1整车侧面碰撞仿真模型可靠性分析
按照国标G B 20071 —2006建立整车侧面碰撞
仿真模型，调整移动变形壁障与整车的相对位置，设
置移动变形壁障的初始速度为50 k m • h -1。综合考 虑汽车侧面碰撞持续时间和模型计算时间，本模型 设置的计算时间为150 m s ，整车侧面碰撞仿真模型 如图5所示。图6为仿真模型的能量曲线。通过对 能量变化曲线的考察，可以得出系统的总能量为92
kj 。在碰撞的过程中沙漏能一直保持一个很小的
值，约占总能量的1.8%。图7为质量增加曲线，最 大的附加质量为22.34 k g ，附加质量的比值约为 2.08%，满足整车碰撞仿真可靠性要求[11-12]。
图5侧面碰撞仿真模型
Fig .5 Side c o l l i s i o n simulation model
一总能量一内能
…-动能一沙漏能
[0
60 80 100 120 140 160
t/ m s
能量-时间变化曲线 Energy-time curve
[0
60 80 100 120 140 160
t/ m s
7质量增加曲线
Mass increase curve
3
/¥溫
立/¥
蹈
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图10电池包支架应变云图
Fig.10 P l a s t i c s t r a i n of battery pack bracket
图11电池包壳体应变云图
Fig.11 P l a s t i c s t r a i n of battery pack box
(a) 60 ms 2.2.2电池箱体变形分析
图12是侧面碰撞过程中对应60、90、120、150 m s时刻的电池包变形和位移云图，在整个碰撞过程 中，门槛梁和地板变形较小，侵入位移量也较小，说 明地板横向刚度较大，对电池包有一定的保护作用，使电池包未受到挤压，电池箱体只有轻微的变形，且 没有脱落车体结构或穿入乘员舱内，满足法规中对 碰撞后电池包的要求。电池包前端的位移最小，越 往后位移越大，在电池包后端位移达到最大，
这是因 为电池包的前端靠近A柱、前侧围区域，电池包的 后端靠近B柱，是碰撞过程中的主要承载区域，如 图13所示。
电池箱体的变形容易使电池包内部结构受到挤 压，有可能会引起电芯的起火、爆炸，因此在电池包 碰撞侧选取3个测点测量电池箱体的侵入量，位置 如图14所示，测点3靠近车后轮，测点2距测点3
(b) 90 ms
(c) 120 ms(d) 150 ms
图12侧面碰撞过程电池包变形和位移云图
Fig.12 Deformation and displacement of battery pack i n s i d e c o l l i s i o n process
图13电池包相对车身位置
Fig.13Position of the battery pack r e l a t i v e t o the body
图14电池箱体测点示意图
Fig.14Schematic diagram of measuring points
of the battery
box
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沿负尤向325 m m ，测点1距测点3沿负尤向650
m m ，3个测点在Z 向上均处于下箱体上部位置。图 15是3个测点在整个碰撞过程中的侵人量-时间变
化曲线，可以看到电池包最大侵人量是3.7 m m ，而 在F 方向上电池箱体距离水冷板的最小距离是12
m m ，因此电池箱体的侧壁不会与电池内部结构接
触，不会对电池内部结构的碰撞安全产生威胁。
4
2a
°-2 -4
0 20 40 60 80 100 120 140 160
t/ m s
图15电池箱体测点侵入量-时间变化曲线
Fig . 15 Intrusion amount of the battery box measuring
point-time change curve
2.2.3电池包内部模组安全性分析
图16是碰撞过程中60、90、120、150 m s 时电池包 内部模组的位移云图，图17是碰撞结束时即150 ms 时内部电池模组固定结构的变形云图。在整个碰撞 过程中，电池模组与电池箱体保持良好的连接，电池
模组未从电池结构内散落，且没有从电池箱体中甩 出，满足法规中对碰撞后电池系统的要求。直到碰 撞结束，电池罩盖、电池支架、电池模组固定支架、水 冷板、螺钉、电芯连接铜片都没有产生明显的变形， 内部电池模组固定结构随着电池箱体在F 方向做 了平移运动，这也阻止了电池模组的窜动，起到保护 电池模组的作用，且电池模组没有受到挤压，未发生 明显变形，不会导致电池内部发生短路失效。
电池模组由于自身质量较大在碰撞过程中也会 产生很大的惯性冲击，电池单体之间通过极耳与铜 片连接，若是电池单体承受过大的惯性冲击，会导致 连接失效，则电池单体有短路的风险。本文以电池 模组为研究对象，以电池模组的加速度响应情况为 依据对电池包的侧面碰撞安全性进行评价。如图
18所示，电池包内共有14个电池模组，记录每个电 池模组在碰撞过程中的加速度变化情况。通过对比 所有电池模组的的加速度变化曲线，发现加速度最 大值出现在模组7上。如图19所示是模组7的加 速度-时间变化曲线，加速度峰值出现在56 m s ，加 速度最大值为26g ，相关研究表明电池单体或模组 最大能承受35g 的加速度冲击[13]，因此在整车侧面 碰撞工况下，电池模组所受最大加速度在安全范围 内，电池包没有内部短路风险。
(a ) 60 ms (b ) 90 ms
(c ) 120 ms (d ) 150 ms
图16侧面碰撞过程电池包内部模组位移云图
Fig . 16 Displacement of the inte rn al modules of the battery pack during s i d e c o l l i s i o
n
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