电动汽车电池箱底部来自路面的碰撞

2013年10月到11月短短的5周内，特斯拉Model S电动汽车先后在美国华盛顿州，田纳西州和墨西哥三地发生三起碰撞起火事故，引起人们对电动汽车电池碰撞安全性的担心，造成特斯拉股价明显下跌[1] 。在发生第一起电池起火事故的时候，Wierzbicki教授找到正在他实验室访问的夏勇老师说，这是一个结构设计的问题，我们应该做些研究降低这方面的事故。在接下来的两月内，就有了由于电池箱来自路面碰撞的详细的分析。

一直以来，人们对电池箱和电池单体在碰撞和挤压变形下的性能还没有足够的了解。大部分电动汽车生产商在设计电池箱布局的时候，都把电池箱放在乘员室的下方或者偏后方，以使电动汽车在正面，侧面，追尾碰撞时，电池箱和电池单体都不变形，如图1所示。这样的布置使得电池箱最薄弱部分变成电池箱的底部。这也能解释为什么特斯拉电池箱着火事故由于路面金属块刮伤电池箱引起。

有人可能就会有疑问：什么样的情况下会发生电池箱底部碰撞事故？我们给出以下三种比较可能的碰撞机理：1，路面的石头或者碎片被路面卡住进而旋转刺入电池箱；2，路面石头或者碎片因为摩擦而旋转刺入电池箱；3，路面石头或者碎片碰撞保险杠后旋转刺入电池箱。具体如图2所示。

那么作为汽车和电池箱设计者来说，怎样才能提高电池箱底的安全性呢？

首先要说的是，这是一个结构设计问题！一般来说，电动汽车电池箱，包括若干个电池模块，而每一个模块又包含若干的电池单体。以特斯拉Model S为例，电池箱共有16个模块（图3）。每个模块包含444个电池单体（18650 柱状电池，直径18 mm，高度65 mm）。电池模块被夹在汽车车底铝板（Bottom armor plat）和乘员室座椅下方的铝板（Upper floor panel）之间。在碰撞时，我们希望电池单体（18650电池）在高度方向被压缩量尽可能小（压缩大了就会短路着火）。而通过合理的匹配两块铝板间的相对强度（strength）和延展性（ductility）就可以提高电池箱在底部冲击时的安全性。

为了获得较优的上述两块铝板的匹配特性，我们把复杂的电池箱体和不同形状的碰撞块，简化为图4中的模型，并在有限元软件中模拟和优化。通过有限元计算，我们发现：当车底铝板的强度增加，延展性降低时，电池被被压缩量增大；当地面碰撞物体由尖变钝时，电池被压缩量减少；当乘员座椅下方的铝板强度增大时，电池被压缩量增大。因此，我们需要在设计时应选择强度和延展性接近的铝板放在电池箱底和座椅下方。

想知道上面有限元模型中电池模型是怎么建立的？想知道如果把铝板改成三明治夹心结构能不能提高电池箱底的安全性？请继续关注我们公众号后续的文章。

最后的最后，想知道特斯拉的解决方案吗？特斯拉在Model S底部增加钛合金卷筒，用来挡住和压碎路面障碍物。感兴趣的读者可以查看参考文献2。

参考文献

[1] http://www.bloomberg.com/news/articles/2013-11-19/u-s-regulator-opens-probe-of-fire-in-tesla-electric-cars

[2] https://www.teslamotors.com/blog/tesla-adds-titanium-underbody-shield-and-aluminum-deflector-plates-model-s

[3] Xia, Yong, Tomasz Wierzbicki, Elham Sahraei,and Xiaowei Zhang. "Damage of cells and bttery packs due to groundimpact." Journal of PowerSources267 (2014): 78-97.

（部分图片、视频来源于网络）

文 | 张晓伟，清华大学学士、硕士，现在美国麻省理工学院机械工程系攻读博士学位。