1引言

電動汽車的安全一直是消費者們關(guān)注的重點，隨著電動汽車的廣泛推廣，其安全性及測試技術(shù)越來越受到重視，如何全面有效的評估電動汽車的安全情況更是萬眾矚目。動力電池作為電動汽車的關(guān)鍵零部件，如何進(jìn)行有效的、接近于實際工況的動態(tài)接觸碰撞測試是電動汽車安全評估的焦點問題。然而現(xiàn)有評價手段多以靜態(tài)、非接觸碰撞為試驗方法，缺乏對實際事故場景中動力電池遭受動態(tài)碰撞的情況進(jìn)行分析。

目前國內(nèi)電動汽車市場上，對于動力電池包的碰撞安全防護(hù)，主要從三個層級來考慮。

第一個層級是整車結(jié)構(gòu)防護(hù)。車體結(jié)構(gòu)本身對電池包形成良好的防護(hù)。能抵擋一般的碰撞工況和刮底工況，保護(hù)電池包殼體結(jié)構(gòu)外部無變形，內(nèi)部無損傷。

第二個層級是電池包殼體結(jié)構(gòu)防護(hù)。電池包的殼體和內(nèi)部的承重梁架在側(cè)邊和底部要有一定的承載能力。保證內(nèi)部電池模組電芯不受到碰撞擠壓，高壓部件件不發(fā)生斷裂和短路。

第三個層級是電池模組單體和內(nèi)部高壓部件本身的結(jié)構(gòu)性能。應(yīng)該具有一定的抗碰撞擠壓、沖擊和穿刺能力。保證在承受一定程度的機(jī)械載荷后，也不發(fā)生起火和爆炸情況。碰撞工況主要以碰撞的位置、加速度、碰撞速度等作為關(guān)鍵參數(shù)，在動力電池動態(tài)接觸碰撞試驗中，所涉及的關(guān)鍵參數(shù)主要有碰撞速度、碰撞能量、碰撞深度、及碰撞接觸端形狀等。通過對碰撞能量、碰撞速度、碰撞深度等參數(shù)的設(shè)定實現(xiàn)接近于真實情況的模擬復(fù)現(xiàn)。

本文開展的動力電池動態(tài)接觸碰撞測評方法研究主要聚焦兩個方面：探究相同動力電池樣品在不同碰撞工況下的安全表現(xiàn)以及探究在相同量級的碰撞工況下，不同動力電池樣品結(jié)構(gòu)的可靠性。

2實驗設(shè)計

2.1實驗裝置開發(fā)

本研究基于新能源汽車典型碰撞場景，識別動力電池碰撞模擬試驗參量，開展動力電池動態(tài)接觸碰撞試驗方法研究，形成動力電池動態(tài)接觸碰撞試驗流程。結(jié)合動力學(xué)理論和電氣控制理論，開發(fā)建立動態(tài)接觸碰撞試驗裝置，開展典型動力電池的動態(tài)接觸碰撞試驗。采用三坐標(biāo)測量、測速儀、高速攝像儀等測量分析手段，分析動力電池在動態(tài)接觸碰撞試驗中的性能表現(xiàn)情況，進(jìn)而得到相關(guān)參量變化規(guī)律和性能判定指標(biāo)，為動力電池動態(tài)碰撞提供數(shù)據(jù)支持與分析依據(jù)。據(jù)此我們進(jìn)行了測試臺架的搭建，示意圖如圖1。

臺架主要由立體滑道與碰撞臺車構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)臺車位置高度與質(zhì)量載荷，裝置可根據(jù)實際的碰撞情況實現(xiàn)三類碰撞模式：

（1）碰撞速度可控的動態(tài)碰撞測試，碰撞速度可控的動態(tài)碰撞測試，假設(shè)碰撞頭的重量和碰撞速度已知，測試動力電池模塊碰撞加速度、碰撞力、碰撞深度以及碰撞后電池模組狀態(tài)。

（2）碰撞能量可控的動態(tài)碰撞測試，需要測試裝置具有調(diào)整重量的碰撞頭，能夠產(chǎn)生加速度，并能產(chǎn)生相應(yīng)的碰撞速度，能夠測量碰撞加速度、碰撞力、碰撞深度。

（3）碰撞能量可控的動態(tài)碰撞測試，假設(shè)以固定的碰撞深度，碰撞動力電池模組，測試動力電池模塊碰撞加速度、碰撞力以及碰撞后電池模組狀態(tài)。在實際測試中分別選取電池單體與電池模組作為研究對象，采用深度可控的碰撞方式，考察動力電池不同層級在動態(tài)碰撞中的情況。碰撞臺車與實際碰撞情況如圖2（a）-（b）。

2.2實驗方法

將準(zhǔn)備好的測試對象固定在臺面上，通過調(diào)節(jié)高度控制裝置，使測試對象中心與碰撞頭中心位于同一水平面；采用伺服電機(jī)帶動碰撞臺車，通過位移傳感器控制設(shè)置值，到達(dá)位移值時通過限位開關(guān)停止。脫扣器采用電磁閥控制，通過電磁閥拉動脫扣器，保證臺車固定，后面實施脫扣。打開加速度，碰撞力等測試系統(tǒng)，調(diào)試數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，確認(rèn)采集系統(tǒng)工作狀態(tài)；根據(jù)試驗速度調(diào)整碰撞臺車的釋放高度；根據(jù)確定的碰撞能量，調(diào)節(jié)臺車質(zhì)量，使其碰撞動能達(dá)到所需能量。同時根據(jù)確定的碰撞深度調(diào)節(jié)臺車限位，使之能實現(xiàn)固定深度的碰撞。開始試驗，系統(tǒng)通過電磁閥打開脫鉤器，碰撞臺車沿軌道下滑，到達(dá)碰撞位置，碰撞頭與測試樣品接觸，完成碰撞。將根據(jù)設(shè)置的條件存儲數(shù)據(jù)。

3試驗情況與分析

3.1試驗樣品

鑒于三元鋰離子電池能量密度更高，也備受青睞，但其穩(wěn)定性將磷酸鐵鋰電池更加弱一些，因此本研究分別從單體、模組到系統(tǒng)選取了一款電池單體和一款電池模組作為研究對象，分別進(jìn)行深度可控的10mm、20mm、30mm不同碰撞形變的動態(tài)碰撞測試，選取的樣品均為鎳鈷錳三元/石墨電池體系，單體尺寸為260×100×35mm，質(zhì)量2kg；模組尺寸為388×120×40mm，質(zhì)量7.2kg。

3.1.1單體動態(tài)碰撞測試

針對動力電池單體進(jìn)行深度可控的動態(tài)碰撞測試，測試后形變?nèi)鐖D，損傷形變往往是動力電池選取電池正負(fù)極進(jìn)行深度的可控動態(tài)碰撞其所得結(jié)果如圖3（a）-（b）。10mm與20mm動態(tài)碰撞電池沒有發(fā)生起火爆炸、在30mm動態(tài)碰撞時電池發(fā)生了起火爆炸現(xiàn)象，具體根據(jù)試驗中測試結(jié)果歸納整理如下：

當(dāng)碰撞深度為10mm時，試驗后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池雖然出現(xiàn)了變形，但電池溫度僅上升4.5℃，電壓無明顯變化；

當(dāng)碰撞深度為20mm時，試驗后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的變形，但電池溫度僅上升15℃，在碰撞后電池電壓逐漸降至0V，即電池逐步失效；

當(dāng)碰撞深度為30mm時，試驗電池出現(xiàn)熱失控，起火爆炸，電池溫升達(dá)503.8℃，電壓迅速降至0V。

3.1.2模組動態(tài)碰撞測試

針對動力電池模組，損傷形變往往是動力電池選取電池正負(fù)極進(jìn)行深度的可控動態(tài)碰撞，如圖4。

模組在碰撞中均未發(fā)生起火爆炸現(xiàn)象，根據(jù)試驗中測試結(jié)果歸納整理如下：

當(dāng)碰撞深度為10mm時，試驗后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，模組沒有出現(xiàn)顯著的結(jié)構(gòu)破壞和電池溫升，電壓無明顯變化；當(dāng)碰撞深度為20mm時，試驗后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池模組出現(xiàn)了線束受損的情況，但電池溫度僅上升17.2℃，在碰撞后電壓沒有顯著變化；當(dāng)碰撞深度為30mm時，試驗后沒有出現(xiàn)漏液起火、爆炸等情況；沒有發(fā)生熱失控，電池模組出現(xiàn)了輕微結(jié)構(gòu)破損情況，電池溫升達(dá)20.4℃，電壓由4.03V緩慢下降至0V，即模組失效。

3.2測試結(jié)果分析

綜合單體不同損傷程度的動態(tài)碰撞測試可以發(fā)現(xiàn)，隨著電池?fù)p傷程度的加深，電池受到破壞的表征信號也越多。在10mm損傷形變時電池雖然出現(xiàn)了變形，但只出現(xiàn)了略微的溫升，而電壓幾乎沒有任何變化；當(dāng)電池?fù)p傷形變達(dá)到20mm時，電池的溫度出現(xiàn)了較為明顯的升高，而此時電壓也逐漸下降到0V；在損傷形變達(dá)到30mm時，電池發(fā)生了起火爆炸，發(fā)生熱失控，溫度急劇上升，電壓也迅速降至0V。

可以看出電池單體在受到動態(tài)沖擊情況下電壓并不會迅速反應(yīng)電池受到的損傷，而溫度則會隨電池?fù)p傷呈現(xiàn)正相關(guān)的升高，因此可以作為一個表征參量來評估電池的狀態(tài)變化。

同樣，綜合模組不同損傷程度的動態(tài)碰撞測試可以得出，隨著電池?fù)p傷程度的加深，電池的溫度與電壓都呈現(xiàn)出不同的變化。在10mm損傷形變時電池沒有出現(xiàn)明顯變形，只出現(xiàn)了微小程度的溫升，電壓沒有任何變化；當(dāng)電池?fù)p傷形變達(dá)到20mm時，模組的溫度出現(xiàn)了較為明顯的破壞，同時受到碰撞的單體升高，而此時電壓也逐漸下降到0V；在損傷形變達(dá)到30mm時，出現(xiàn)明顯損壞，受碰撞單體也產(chǎn)生了更高的溫升，同時該單體電壓也產(chǎn)生波動后逐漸下降至0V。

可以得到，與單體類似，模組在受到動態(tài)碰撞后同樣在電壓與溫度上出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。與單體情況一致，受碰撞單體的溫度比電壓更能顯著的反應(yīng)受到損傷破壞的程度，也有損傷承擔(dān)呈現(xiàn)正相關(guān)。

但與單體有所不同的是，增加了外殼防護(hù)的模組由于整體結(jié)構(gòu)的完整性和外殼防護(hù)，相較單體而言抗沖擊的能力更強(qiáng)，在受到相同程度的沖擊時更加穩(wěn)定。

4結(jié)語

本文建立了構(gòu)建了可以針對單體與模組進(jìn)行動態(tài)碰撞的試驗平臺，并對測試結(jié)果進(jìn)行研究分析。通過對單體與模組進(jìn)行動態(tài)碰撞實驗，探討了動態(tài)碰撞對動力電池的安全性所造成的損傷。同時，針對動力電池管理系統(tǒng)中對電壓與溫度這兩個參量進(jìn)行比較分析，發(fā)現(xiàn)針對本文提出的樣品，在動態(tài)碰撞情況下電池溫度會明顯優(yōu)于電池電壓來作為動態(tài)碰撞的表征參量。此外對無外殼防護(hù)的電池單體與有外殼防護(hù)的模組進(jìn)行比較分析得出模組的防護(hù)結(jié)構(gòu)更能承受較大的碰撞傷害。

在更進(jìn)一步的研究中，一個非常有意義的方向是將完整的電池系統(tǒng)進(jìn)行同樣的動態(tài)沖擊，與電池單體與模組得到的結(jié)果進(jìn)行比較分析；同時針對單體與模組的不同位置進(jìn)行動態(tài)碰撞的比較研究從而得出在可能發(fā)生的實際事故中何種方式的防護(hù)更加安全有效也是非常值得進(jìn)一步研究的。