电池包侧面柱撞台车试验、仿真模型及电池排布构型工况
本团队采用图1所示的台车碰撞试验方法和配置，模拟电动汽车电池包在侧面柱撞事故中被圆柱形障碍物碰撞的工况。图2展示了电池包的碰撞变形情况，变形区域集中于碰撞接触区，主要变形元件为电池包壳体、碰撞接触区的电池模组和电池单体。基于电池包测绘及其侧面柱撞试验，我们建立了如图3所示的电池包仿真模型。通过比对试验与仿真的变形模式和变形程度，我们认为仿真模型具有足够的可信度。
图1 电池包侧面柱撞台车试验设置
图2 电池包结构及电池在侧面柱撞下的变形和破坏
图3 电动汽车电池包、三维数字模型及有限元模型和边界条件
本研究设定和分析了15种不同构型的电池包模型，包括电池单体长度方向垂直或平行于电池包长度方向、有模组和无模组、薄电池和厚电池、短电池和长电池、电池包有无纵梁结构等，各模型的编号及示意图如表1及图4所示。每种构型电池卷芯的总体积和总质量基本相同，即他们能携带的总电量和能量密度相同，侧面柱撞载荷相同，我们在此条件下比较不同构型电池的碰撞变形和损伤。
表1 电池包排布
图4 电池包构型图示，编号与表1对应
仿真结果与分析
电动车碰撞事故引发的电池内短路及热失控与电池卷芯变形高度相关，因此，本文采用电池卷芯的变形和塑性能量耗散作为电池安全性评价参数。表2列出了15种电池包构型的主要元件能量耗散比值，每列的数值分别由基准模型（构型1）的相应值进行归一化，比较各模型中相应的组成部件相对基准模型的能量耗散值，大于基准模型的用红色表示，低于基准模型的用蓝色表示。
在侧面柱撞下，15种电池包构型的电池卷芯能量耗散存在显著差异，卷芯能量耗散最小的构型为使用较薄的电池单体横向排布（构型5），其卷芯能量耗散为基准模型的59%，卷芯能量耗散最大的构型为最长的刀片电池单体横向排布（构型15），为基准模型的191%。
15种构型的电池包总能量耗散与基准模型的相近，变化范围仅为100%～103.6%，这是因为电池包的总能量耗散主要取决于外部载荷的冲击能量和电池包的基本结构及边界条件，与电池包内部的电池排布形式关系不大，而改变电池排布形式或电池单体几何尺寸会显著改变其内部部件之间的交互作用及各部件能量耗散的占比。
表2 不同构型的电池包各部件能量耗散比较
针对侧面柱撞，所有的电池横向排布构型（构型4, 5, 6）都比相应的纵向排布（构型1, 2, 3）更安全。在电池横向排布中，侧面柱撞碰撞接触区域（即最严重的变形区域）承受的冲击可以由多个电池单体分担，冲击沿电池单体的长度方向朝电池包的横向传递，减少了损伤集中发生于某个电池单体。如果是纵向排布的话，则碰撞接触区域可能只有一个电池单体位于最外侧并承受冲击，变形损伤可能过分发生于该单体。
电池单体的几何尺寸对变形分布和卷芯能量耗散占比也有显著影响。与基准模型相比，使用较薄的电池单体（构型2）降低了11.6% 的电池卷芯能量耗散，使用较厚的电池单体（构型3）则增加了9.8%。较薄的电池单体在侧面柱撞下相对安全，这是由于薄电池单体的刚性相对较弱，容易通过其变形与相邻的电池发生作用，进而将冲击能量分散到更广的区域并由更多的电池承担。
电池包如果去除电池模组层级，将电池单体直接集成到电池包（Cell-to-pack），是一种提升电池包能量密度的方法。构型10和11去除了模组，使得电池单体（电池卷芯和电池单体壳体）的能量耗散增加，电池包壳体的能量耗散降低，这是因为缺少了作为保护层的电池模组壳体以后，冲击能量势必更多由电池单体来承担。
结论
本文将电池卷芯的能量耗散作为碰撞安全评价参数，分析了电池包中不同的电池排布形式和不同的电池尺寸对碰撞响应的影响，得到以下结论：
1、电动车在遭受侧面柱撞时，电池损伤集中于碰撞接触区域。15种电池包构型的电池卷芯能量耗散存在显著差异，与基准模型相比，变化范围从 59% （变好）到 191%（变差）；而电池包的总能量耗散仅在很小的范围内变化。
2、针对侧面柱撞，采用电池单体横向排布（即电池单体长度方向垂直于车辆的长度方向）比纵向排布安全；使用小尺寸电池比大尺寸电池安全。这两种方式都促使冲击和变形分散到电池包内更广的区域，使更多的结构和电池参与能量耗散并分散碰撞载荷，从而降低碰撞接触区域内电池单体的破坏程度。
3、针对侧面柱撞的碰撞安全设计中，需要平衡电池包级别的整体刚度和强度以及电池单体级别的局部刚度和强度。
2022-03-30
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