电动客车动力电池箱碰撞安全性仿真分析

王星

（武汉理工大学汽车工程学院，湖北武汉430070）

摘

要：为了对纯电动客车动力电池箱的碰撞安全性进行评价，建立纯电动客车侧面碰撞有限元模型，对客车的动力

电池安装部位进行碰撞。通过对动力电池箱的变形及安装位置点的加速度进行分析，评价碰撞工况下可能对内部电池模组造成的损害，从而对电池箱的设计和布置提供理论支持。

关键词：电动客车；动力电池箱；侧面碰撞；加速度中图分类号：U469.13；U461.91

文献标识码：A

文章编号：1672-4801（2019）04-084-03

DOI:10.19508/j.cnki.1672-4801.2019.04.026

纯电动汽车相比传统燃油车在碰撞时除了车身结构变形会造成人员伤害外，还需要考虑到动力电池在碰撞中受到挤压可能引发的起火爆炸、电路短路引起的触电及电解液泄露所造成的电化学伤害等。对于纯电动客车，动力电池安装在车辆中部两侧，其侧面碰撞下的安全隐患更大。

目前国内外均已出台相关法规对电动汽车的碰撞安全性进行评价，美国FMVSS305法规、欧洲ECER94法规和国内GB/T31498-2015都对碰撞后的位置等作出了大体一致的要求

[2-4]

[1]

很短，将车桥和车轮均刚体化[6]。

对于在碰撞中不易变形的大质量构件，直接在其相应的质心位置建立质量点，并通过刚性单元与安装位置连接。1.2

动力电池箱体有限元模型

电池箱体所用的材料均为Q345，其中壳体部

分的厚度为2mm，内部加强筋厚度为1.5mm，安装角部分厚度为3mm。动力电池内部模组采用质量点处理，整个动力电池箱与底盘骨架通过螺栓连接。1.3

初始参数设定

的电击防护、电解液溢出及动力电池系统碰撞后

。

国内汽车被动安全性主要集中在乘用车方面，对客车研究相对较少；且考虑到各种成本，大多为仿真分析而少有实车碰撞。本文从电动客车碰撞后动力电池箱的变形和安装位置加速度的角度分析，探讨其对电池模组的影响。

碰撞工况参照美国NCAP中的所规定侧面碰

撞试验程序[7]，其中可变形移动壁障质量为1368

kg、初始速度为62km/h、碰撞角（移动壁障台车与运动方向之间的夹角）为27°、碰撞仿真时间设定为0.18s。建立好的侧面碰撞有限元模型如图1所示。

1

1.1

整车侧面碰撞有限元模型及验证

本文的研究对象为某款6100的纯电动城市整车有限元模型

客车的动力电池箱体，该款车型为全承载式车身，整车整备质量为11500kg，其中含有3个动力电池箱（碰撞一侧2个，非碰撞一侧1个）。

该客车骨架主要由矩形薄壁型钢组成，有限元模型采用全板壳单元，碰撞区域的网格单元尺寸为5～10mm，其他区域为20～30mm；考虑到蒙皮对侧面碰撞的影响[5]，保留了碰撞区域的电池舱门；轮胎用体单元进行模拟，调整其厚度和密度使有限元单元质量与实际质量一致；考虑碰撞时间

1.4

图1纯电动客车侧面碰撞有限元模型

将建立好的侧面碰撞有限元模型保存成K文

模型验证

作者简介：王星（1986—），男，硕士生，主要从事汽车底盘设计及车辆被动安全研究。

第4期王星：电动客车动力电池箱碰撞安全性仿真分析

85件，提交至LS-DYNA进行计算。经计算，整车侧面碰撞的能量曲线如图2所示。据图可知，碰撞能量曲线光滑，且沙漏能较小，计算过程较为稳定，碰撞分析结果可信。

2.25e+0052e+005󱙫7G1.75e+0051.5e+005󰞵7Jk/1.25e+005G71e+005󰣘7750005000025000\"%7000.020.040.060.08󱰦L/s0.10.120.140.160.18图2侧面碰撞能量曲线图

2

2.1

动力电池箱碰撞分析

动力电池箱变形分析

客车受到可变形移动壁障的侧面斜向撞击后，在碰撞区域的侧围骨架和动力电池箱均发生了很大的变形，但两个电池箱的变形有了较大差异，如图3所示。

图3

客车碰撞部位变形云图

根据以上阐述及仿真结果分析，选取变形较严重的左侧后方的电池箱进行分析，其碰撞前后变形如图4所示。

为对电池箱体的变形进行分析，选取了图4中的3个测量点（从左至右分别为测量点1、2、3），其侵入量如图5所示。据图可知，其中测量点2的变形量最大，最大值为85mm；测量点1的变形量相对最小，其值为61.8mm。各测量点的变形均未达到GB/T31467.3—2015《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试

方法》[8]

中对电池包进行挤压测试中30%的变形量

要求（内部原空间为568mm），但仍可能会对内部的电池模组造成一定程度的挤压。2.2

动力电池箱安装点加速度分析

图4

动力电池箱碰撞前后变形图

9080#G&170#G&260mm50/G󰞕󰗥40#G&3302010000.020.040.060.08󱰦L/s0.10.120.140.160.18图5动力电池箱碰撞侵入量曲线图

瞬态加速度是评价电池包碰撞性能的一个重要指标，加速度过大可能会导致电池包内部短路、

起火爆炸等问题[9]。电池箱与底盘骨架之间采用螺栓连接，选取电池箱4个角的安装点作为测量点，如图6所示。4个测量点的在Y方向（侧向）上和Z方向（纵向）上的加速度曲线分别如图7和图8所示。

相关试验表明[10]，动力电池模组在加速度峰

值为35g的半正弦波冲击下能够持续51ms不遭

图6

电池箱加速度测量点

8035302520#G&1#G&3机电技术2019年8月37.44g，电池模组可能受到破坏。因为加速度峰落，从而引起短路、起火甚至爆炸等危险[11]。在纵

值过高很可能直接造成电池模组触点的松动和脱向Z方向的最大加速度为20.47g，相较于Y方向的加速度要小，但电池箱的跳动依然可能对乘客舱造成影响。2.3

󱰦L/s0.10.120.140.160.18Y󰩁󰣐F󱓖/g151050-5#G&4-10-15-20-2500.020.040.06#G&20.08不足

动力电池箱碰撞安全性仿真分析存在的通过上述对碰撞结果的分析，可以对电池箱

图7电池箱安装点Y向加速度曲线图

25#G&1201510#G&2#G&4的安全性能有一定的了解，但仍存在不足：化，故分析结果只能在一定程度上有效；

1）有限元模型中对一些零件和材料进行了简2）电池单体内部复杂，在受到挤压后热失控

Z󰩁󰣐F󱓖/g50-5#G&3是一个复杂的物理化学反应过程，难以进行有效精确建模。

-10-15-2000.030.060.09󱰦L/s0.120.150.183结束语

本文提出了一个电动客车动力电池箱体碰撞

安全性分析的方法，为电池箱体的设计及布置提供了一定的参考。从电池箱体的变形及安装点的加速度两个切入点出发，对电池箱体的碰撞安全性能进行了评价分析，以期为提高动力电池碰撞防护性能提供理论依据。

图8电池箱安装点Z向加速度曲线图

受破坏。根据图7和图8可知，测量点在同一侧Y方向加速度值重合度较高，其曲线几乎重叠；在Z方向上各点的加速度则有一定的差异，表明其在Z方向上的跳动。在Y方向上最大加速度为

参考文献：

[1]王震坡，李海涛.电动客车动力电池组分段防护仿真分析[J].北京理工大学学报，2015，35（9）：8-901.TECTION[S].U.S：NHTSA，2008.

[2]NHTSA.FMVSS305ELECTRICPOWEREDVEHICLE-S：ELECTROLYTESPILLAGEANDELECTRICALSH-OCKPRO⁃[3]ECE.ECER94FrontalCollisionProtection[S].EU：ECE，2017.[4]电动汽车碰撞后安全要求：GB/T31498—2015[S].

[5]毛英慧，何新，酒军亮.蒙皮对客车侧面碰撞仿真精度的影响[J].客车技术与研究，2011（3）：9-11.[6]邹俊，桂良进，范子杰.燃料电池城市客车侧面碰撞有限元分析[J].汽车技术，2009（4）：4-7.[7]魏庆.汽车侧面碰撞动力学模型及结构刚度分析[D].北京：清华大学，2011.

[8]电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第3部分：安全性要求与测试方法：GB/T31467.3—2015[S].2017，45（2）：1-8.

[9]兰凤崇，刘金，陈吉清，等.电动汽车电池包箱体及内部结构碰撞变形与响应分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），[10]WOLFGANGS，CHRISTOPHB，ERNSTT，etal.Integrat-ionofaCrashworthyBatteryinaFullyElectricCityBus[J].Inter⁃[11]《中国公路学报》编辑部.中国汽车工程学术研究综述·2017[J].中国公路学报，2017，30（6）：1-197.

nationalJournalofCrashworthiness，2011，17（1）：105-118.