超高强钢制电池包底部球击试验与仿真方法研究

杨智辉，徐栋恺，肖华

超高强钢制电池包底部球击试验与仿真方法研究

杨智辉1,2，徐栋恺1,2，肖华1,2

（1.宝山钢铁股份有限公司研究院，上海 201900；2.汽车用钢开发与应用技术国家重点试验室（宝钢），上海 201900）

研究超高强钢电池包底部球击工况的仿真分析方法，通过实物试验验证仿真分析方法的准确性。通过建立电池包底部球击的仿真模型，对底部球击工况进行数值模拟，分析球击过程中应力–应变分布和底板承受变形的能量情况。开展底部球击实物试验，并与模拟结果进行对比分析。在球击过程中，随着球击头撞击底板位移的增大，挤压力逐渐增加，底板变形能量也逐渐增加；当挤压力达到10 kN时，仿真位移为19.127 mm，试验结果位移为20 mm。当位移达到20 mm时，仿真底板变形能量为73.716 J，试验结果为70.581 J，仿真与试验结果较为一致。超高强钢电池包在底部球击试验中未发生开裂，满足标准要求，数值模拟方法可以为电池包底部球击工况提供指导。

电池包；底部球击；有限元分析

动力电池是电动汽车的核心部件，近年来，电动汽车的销量快速增加，电动汽车安全问题也愈加突出[1]，开展车用动力电池包底部碰撞安全研究，对提高动力电池包底部防护安全和电动汽车的整车安全性具有重要意义和实用价值。

对底部球击工况进行模拟计算，可以评价电池包底部抵抗冲击变形的能力。李冰等[2]对铝合金电池包底部球击进行仿真，通过在底板设计加强筋，增加了电池包底部与电池模组的间隙，也改善了其抵御变形的能力。沈汭宏等[3]对电池包底板进行了不同工况、不同冲击形状的仿真，指出冲击物与电池包底板接触头越尖锐，冲击速度越大，箱体材料延展性越低，电池包越容易发生破裂失效。朱红霞等[4]对电池包侧向挤压和底部托底进行了仿真分析研究，发现异物尖锐度和托底面积是影响底板变形程度的主要因素。黄芦等[5]对电池包底部锥状物冲击下的力学响应进行了分析，揭示了冲击载荷作用下电池包结构的应力–应变分布与准静态作用下的结果不同。杨威[6]对电池包底部碰撞安全性进行了分析，结合有限元仿真和球头挤压试验，探讨了薄板在机械加载下的变形失效机理。Kisters等[7]采用几种新的结构设计层板代替电池包底板模拟碰撞，指出防爆自适应三明治结构（blast resistant adaptive sandwich，BRAS）在吸能和变形方面优于其他层板。Zhu等[8]对比分析了多种底部碰撞保护结构形式，提出了兼顾轻量化和底部碰撞保护性能的波纹构型填充的三明治底部护板结构。Halimah等[9]对电池包底部碰撞工况进行了分析，提出了一种提升电动车底部耐撞性能的夹芯板结构。Nirmala等[10]采用有限元方法研究了基于纤维金属层压板（fiber reinforced metal laminate，FML）制成的电池系统保护结构在受到锥体撞击时的性能表现，研究表明，增加纤维金属层压板厚度和界面黏合强度可以增加能量吸收，降低电池变形。Scurtu等[11]通过对比冷喷涂后的铝材电池包和未喷涂的铝材电池包，发现冷喷涂处理能够提高电池包刚度和固有频率，可作为优化电池包的设计方法。Xia等[12]对锂离子电池安全问题进行了多尺度、多材料的分析，指出理解和预测电池包受到底部球击时的变形趋势是电动汽车设计时必须要考虑的因素，车底保护板、底板、横梁、侧轨等汽车结构元件虽然提供了不同层次的保护，但它们也可能破坏电池组的稳定水平，为此需要在给这些部件提供足够刚度和强度的基础上，找到实现各方面保护作用的最优组合。Istiyanto等[13]对电池包箱体和框架进行模拟碰撞，并通过增加加强筋和改善电池包放置位置、电池包形状来增加热屏障，进而把电池热失控现象限制在局部位置，防止电池模组在受到冲击时电池发生变形，导致短路和热扩散。此外，用于电池组的非堆叠型电池配置有助于减缓由冲击引发的热失控的传播速率。

文中主要研究了超高强钢电池包底部球击工况的仿真分析方法，并通过实物试验验证了仿真分析方法的准确性。首先对电池包进行工装设计，使试验仿真时的电池包更接近实际工况，接着选取电池包底部最薄弱的位置进行球击试验和仿真，对比并分析试验和仿真的结果。

1 试验

1.1 工装设计及加工

实际工况的电池包共32个模组，模组分2层放置，上层14个，下层18个。每个模组的尺寸规格（长×宽×高）为355 mm×151.6 mm×108.5 mm，每个模组质量为11.4 kg，如图1所示。为了方便试验和仿真，将电池模组进行等效处理，保证仿真与试验的模组质量一致，模组高度从108.5 mm降低为82.5 mm。

图1 电池模组排布示意图

电池包用材选择超高强钢，通过强度提升和厚度减薄，可在提升电池包安全性的同时实现轻量化。其中电池包边框选择B1500HS热成形钢，抗拉强度典型值为1 530 MPa，横纵梁选择HC820/1180DP，抗拉强度典型值为1 210 MPa，底板选择HC420/ 780DH，抗拉强度典型值约为850 MPa。电池包用材信息如表1所示。

表1 电池包用材信息

Tab.1 Material information of battery pack

实际工况下的电池模组布局重心主要分布在2层电池包的中间层，等效配重后只有下层等效模组不能将重心维持在此高度，为此配重块的设计要尽量保持重心在平面。考虑到以上因素，现保证每个电池包配重块的质量为11.4 kg，尺寸为355 mm×151 mm× 27.5 mm，材质为Q235，总共32个等效配重块，如图2所示。其中，配重块四角的孔为螺栓固定孔，中间两孔为定位孔，孔中一半的尺寸是攻M12的螺纹，方便装入螺杆以进行装卸搬运。将32个配重块先按照原电池包下层18个电池模组的布置方式布置一层，安装位置和原电池模组保持一致，多出的配重块对称放置在下层中部位置以保持重心高度，具体电池包壳体安装配重块前后示意图如图3所示。

图2 配重块设计及排布示意图

图3 电池包壳体安装配重块前后示意图

1.2 试验设备

底部球击试验采用的设备为电池包底部球击试验台（电子万能试验机），如图4所示，型号为BE– 6047Q，由广东贝尔试验设备有限公司制造，由广州广电计量检测股份有限公司计量校准，校准证书编号为J202010163542A–0001，计量结论为所校项目符合1级要求。

电池包底部球击试验台（数字电压表）的型号为BE–6047Q，由广东贝尔试验设备有限公司制造，由广州广电计量检测股份有限公司计量校准，校准证书编号为J202010163542B–0001，计量结论为所校项目符合技术要求。

图4 底部球击试验设备

1.3 试验过程

测试对象为电池包壳体，将配重块按照预先设计好的设置方式放置安装，并按照中国汽研底部球击规范的步骤进行球击测试。

试验金属球击头的材质为45#钢（60HRC～ 65HRC），电池包球击试验选用的球头直径为150 mm，设置挤压力为25 kN，挤压速度≤2 mm/s，挤压方向为竖直向上。球击点的位置选择电池包底部最薄弱的位置，如图5所示。

图5 底部球击试验位置示意图

安装固定电池包和球击电池包底板过程如图6所示，将电池包放在水平平台上，球击头从平台底部向电池包底板球击位置施加挤压力，如图6b所示。通过固定工具对电池包边框上吊耳施加压力并锁紧来固定电池包，通过球击头对试验位置施加挤压力，挤压力逐步增大直到受力达到25 kN，球击试验停止，观察球击位置变形情况。

图6 电池包底部球击试验过程

2 结果与分析

球击试验后的电池包底板塑性变形如图7所示，具体形变如图8所示，球击试验结果如图9所示。由图9的试验曲线可以看出，电池包底板变形量随着球击挤压力的增大而增大，且大致呈线性关系，曲线无突变，底板变形没有撞击到电芯。球击点最大变形量为34.53 mm，横梁行程为43.04 mm，用时103.91 s。电池包在球击点的位置处有明显塑性变形，但未开裂。

2.1 电池包底部球击建模

为开展电池包底部球击仿真方法研究与对标，对电池包开展建模分析。考虑到电池包部件的厚度均匀且较薄，电池包底板、边框、横纵梁、接头、吊耳均采用壳单元模拟，材料选择MAT24；考虑到试验的球击头速度缓慢，底板、边框、横纵梁和接头的应变率很低，而仿真球击头速度较快，所以部件的材料力学性能曲线选择应变速率最低的准静态曲线，以保证仿真变形更加准确，材料力学性能曲线如图10所示。电池模型采用实体单元模拟配重块，其中配重块表面壳单元材料为MAT9，实体单元材料为MAT24，排列方式和试验一致，质量保持一致；仿真模型中螺栓、点焊用刚性单元模拟，缝焊用壳单元模拟，配重块之间的连接片用壳单元模拟，材料均为MAT24；用壳单元模拟底部球击头时，材料设置为刚体MAT20。

图7 电池包底部球击后变形情况

图9 电池包底部球击试验曲线

图10 电池包底板材料力学性能曲线

考虑到电池包在碰撞过程中各个部分可能相互接触，设置了电池包自接触，焊点与电池包壳体、横纵梁接触，电芯自接触，电芯和电池包为面面接触，金属球击头和电池包底板为面面接触。

设置模型的自身重力场，并在电池包底部设置留有球击位置地面约束，使仿真模型和试验工况一致，如图11所示。试验时电池包两侧吊耳有工装压紧并用螺母固定，为使仿真尽可能与试验接近，首先调整仿真模型，对两侧吊耳的螺栓中心点先施加10 kN的预紧力，加载曲线使用如图12所示的SMOOTH曲线，使加载过程更加平顺，随后施加固定约束，充分固定电池包。然后设置金属球击头的位移，球头以恒定速度撞击底板，位移曲线如图13所示。最后设置输出吊耳和刚性球的计算结果。电池包底部球击仿真模型如图14所示。

图11 模型球击位置地面设置

图12 预紧力加载曲线

2.2 底部球击试验与仿真结果对标

取撞击点的试验结果与仿真分析结果进行对比，发现电池包底部球击仿真结果和试验相似，底板应变区域和应力分布都围绕球击位置，底板有一定塑性变形，无断裂，如图8及图15所示。当球击头位移至20 mm时，最大应力为720.436 MPa，最大塑性应变为0.034，满足塑性应变要求，如图15所示。

图13 金属球击头位移曲线

图15 底部球击仿真最大应力和塑性应变

球击点的试验和仿真位移–挤压力曲线如图16所示，可知，随着金属球击头撞击底板位移的增大，挤压力逐渐增加，变化速率总体上也逐渐增加。试验曲线和仿真曲线基本一致，仿真曲线在试验曲线上下轻微波动，当挤压力为10 kN时，试验球击头位移达到20 mm，仿真球击头位移为19.127 mm，仿真球击头位移误差为4.37%，满足仿真精度要求。底部球击的能量变化曲线可以反映底板变形的过程，试验和仿真电池包底部球击能量变化曲线如图17所示，仿真变形能量和试验一致，产生了塑性变形，位移达到20 mm时，试验底板承受变形能量为70.581 J，仿真底板承受变形能量为73.716 J，仿真误差为4.41%，远小于20%，所以本次建立的电池包底部球击模型能够较为准确地模拟试验。

图16 试验和仿真位移–挤压力曲线对比

图17 试验和仿真能量变化曲线对比

3 结论

以超高强钢制电池包为研究对象，进行了电池包底部球击试验与仿真方法的研究，得到如下结论。

1）超高强钢制电池包底部球击试验和仿真分析结果表明，球击后底板的变形均未超出标准规定范围或发生断裂，电池包底板选用HC420/780DH材料，在底部受到撞击时能够有效保护电池包，相关试验和仿真结果满足标准要求。

2）建立了电池包底部球击试验的高精度仿真分析方法，该分析方法能够准确地模拟底部球击试验，仿真结果与试验结果对比误差较小，变形能量误差为4.41%，位移误差为4.37%。

3）结合电池包底部球击高精度仿真方法，为电池包产品设计和结构优化提供了准确的预测和指导。

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Ball Impact Test and Simulation Method at the Bottom of Ultra-high Strength Steel Battery Pack

YANG Zhi-hui1,2, XU Dong-kai1,2, XIAO Hua1,2

(1. Research Institute, Baoshan Iron & Steel Co., Ltd., Shanghai 201900, China; 2. State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels (BaoSteel Group), Shanghai 201900, China)

The paper aims to study the simulation analysis method of ball impact condition at the bottom of ultra-high strength steel battery pack and verify the accuracy of the simulation analysis method by physical test comparison. By establishing the simulation model of the bottom ball impact of the battery pack, the working condition of the bottom ball impact is simulated. The distribution of stress and strain and the deformation energy of the base plate during the process of ball striking are analyzed. The physical test of bottom ball impact is carried out and compared with the simulation results. In the process of ball striking, with the increase of the displacement of the ball striking head hitting the bottom plate, the extrusion force increases gradually, and the deformation energy of the bottom plate also increases gradually. When the extrusion force reaches 10 kN, the simulation displacement is 19.127 mm and the test result displacement is 20 mm. When the displacement reaches 20 mm, the deformation energy of the simulated bottom plate is 73.716 J, and the test result is 70.581 J. The simulation results are consistent with the test results. The results show that the ultra-high strength steel battery pack does not crack in the bottom ball impact test, which meets the standard requirements. The simulation method can provide guidance for the bottom ball impact condition of the battery pack.

battery pack; bottom shot; finite element analysis

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.06.021

U469.72

A

1674-6457(2022)06-0154-07

2021–12–13

国家重点研发计划（2017YFB0304400）

杨智辉（1989—），男，硕士，工程师，主要研究方向为汽车板先进成形技术。

责任编辑：蒋红晨