整车电池包后刮底安全对比分析及对策研究

整车电池包后刮底安全对比分析及对策研究

新能源汽车在行驶过程中，后刮底碰撞是常见的安全隐患之一，这种碰撞不仅会影响电池包的性能，还可能对乘客的生命安全构成威胁。本文将从工况设置、电池包防护结构、仿真模型搭建等多个维度，深入探讨新能源汽车后刮底碰撞的安全问题，并提出三种优化设计方案，以期为新能源汽车的安全设计提供参考。

工况及电池包防护结构

工况简介

首先对整车后刮底安全工况设置边界条件，车辆状态为整备状态，在驾驶员位置和前排乘员位置放置一个HybridⅢ型50百分位男性碰撞假人（80kg）或等质量的配重块；电池完全充电，排空冷却液；由车辆沿倒车方向以6km/h的速度撞击直径为150mm半球形固定刚性壁障；撞击位置选择对电池包最不利的Y向位置；壁障与电池包Z向重叠量为34mm。

电池包防护结构

本工况着重保护电池包。电池包的自身防护结构十分重要，如图1所示，电池包通过安装螺栓与车身连接，电池框架由辊压钢焊接而成。电池包内部有贯通纵梁和多根横梁作为强化结构。底部由多个系统构成，其中包括底板和双层液冷板，底板作为最外层防护，外部喷涂复合材料强化，液冷板由上下两层构成。电池模组嵌入内部纵梁横梁内部，并与纵梁横梁螺栓连接。

图1 电池包防护结构

仿真模型搭建

整车建模

建立整车后刮底工况的仿真分析模型，利用LS-DYNA软件进行分析计算。模型由白车身、前后车门、机罩、后尾门、电池包、前后悬架和副车架以及驱动电机等系统组成，共8822992个节点，8994370个单元。

其中电池包的模组和底板是考察关键项，电池包模组、框架、液冷板和底板需用3mm尺寸的单元详细建模，电池包通过螺栓预紧与车身连接，使用Beam-6号单元模拟，使用*INITIAL_STRESS_BEAM关键字，设置相应的预紧参数。

模型准确性调整

后刮底工况速度较其他高速碰撞对车辆的高度敏感度很高，车辆在设计状态下分析高度变化较大，对后刮底工况影响较大。因此，在分析前将车辆在重力状态下静止100ms，待车辆稳定后，再校核重叠量满足34mm，车辆以6km/h速度移动。

评价规则

后刮底工况要求如下：

（1）电池包无电解液、冷却液泄漏。

（2）外壳不允许出现破裂，电池包气密性完好。

对于后刮底工况，无电解液、冷却液泄漏，则电池模组和冷却管路不能破裂。针对电池模组受到电池框架保护，模组不会直接与壁障接触，但会受到框架变形的挤压侵入，我们将框架对模组的侵入量作为指标，与电池工程师商议，将目标定位5mm。冷却液在液冷板内流动，液冷板不能出现破裂和裂纹，液冷板的塑性应变不允许超过液冷板材料的延伸率30%。

电池包有气密性要求，电池底板不允许出现破裂和裂纹，液冷板的塑性应变不允许超过液冷板材料的延伸率20%。

仿真结果中电池模组应侵入量小于等于5mm，冷却板塑性应变小于等于30%，底板塑性应变小于等于20%。超过该目标即认为出现破裂和裂纹，该电池包的性能不满足要求。

电池包最弱点

确定为确定后刮底工况电池包最薄弱位置，我们采取均布碰撞点方法对其仿真分析，分析其中11个点的后刮底工况，仿真模型示意如图2所示。

图2 某车仿真分析模型示意

分析结果如表1所示，各个点均有超标项，但Y-0位置的底板、液冷板及模组侵入均超标。基于结果可得Y-0处为电池包最薄弱位置，后续分析选择Y-0位置作为后刮底工况的基础模型。

表 1 后刮底工况 11 个点分析结果

后刮底工况优化设计

当前分析的车型电池包后端无遮挡，壁障在接触电池包前无任何零件接触，整车的能量全由电池包吸收，给电池包增加了很大的负担，如图3所示。

图3 电池包后部视

改善方案

1. 增强电池框架

壁障撞击电池包时，其中大部分能量由框架吸收，将电池框架增强，抑制框架变形，可保护电池模组、底板和液冷板。电池外框架材料强度要求提升至1180DP，厚度提升至2.5mm，电池内纵梁材料强度要求提升至1180DP，厚度提升至2.0mm，电池底板材料强度要求提升至780DP，厚度提升至1.5mm。增强方案如图4所示。

图4 增强电池框架方案示意

该方案合计增加质量3.3kg，后刮底碰撞仿真结果得出，Y-0位置模组侵入量为1mm，小于目标值5mm，液冷板上板塑性应变5%，小于目标值30%，液冷板下板塑性应变14%，小于目标值30%，底板塑性应变16%，小于目标值20%。该方案电池框架可吸收整车的动能，保护电池，但重量增加较大。

2. 新增电池包后部防撞梁

在电池包后部增加一个防撞梁，车辆向后行驶的过程中先与电池包后部防撞梁碰撞，防撞梁参与吸能，然后与电池包碰撞，此时能量大大降低，对电池包的撞击程度大大降低。具体实施方案为：防撞梁的材料强度为1180DP，厚度为2.0mm，防撞梁与车身连接件材料强度为590DP，厚度为2.0mm，如图5所示。

图5 新增电池包后部防撞梁方案示意

该方案合计增加质量2.7kg，后刮底碰撞仿真结果得出，Y-0位置模组侵入量为0mm，小于目标值5mm，液冷板上板塑性应变4%，小于目标值30%，液冷板下板塑性应变8%，小于目标值30%，底板塑性应变10%，小于目标值20%。该方案的电池包后部防撞梁吸收整车70%的动能，壁障对电池包的撞击程度降低。

3. 副车架下沉方案

副车架部分零件向下增厚，副车架最低点低于电池包10mm，车辆向后行驶过程中，先与副车架撞击，再与电池包碰撞，如图6所示。

图6 新增电池包后部防撞梁方案示意

该方案合计增加质量2.9kg，后刮底碰撞仿真结果得出，Y-0位置模组侵入量为0mm，小于目标值5mm，液冷板上板塑性应变3%，小于目标值30%，液冷板下板塑性应变9%，小于目标值30%，底板塑性应变11%，小于目标值20%。该方案利用副车架参与吸能，壁障对电池包的撞击程度降低。

三种方案的结果汇总

从后刮底工况三种方案结果汇总表可以看出，方案一增重最大，但结果比方案二、方案三稍差；方案二和方案三结果接近，增重也较接近。方案一为电池包硬抗方案，对电池包的刚性要求较大，方案二和方案三均为降低半球形壁障与电池包撞击能量。

表2 后刮底工况三种方案结果汇总