新研发的电动汽车电池舱,具有极强的耐撞性!

   电子分析员        

本文讨论了利用受自然启发的轻质蜂窝结构设计作为能量吸收器在电动汽车耐撞性应用中的潜力。随着电动汽车电池容量的增加而越来越受欢迎,这些轻量的蜂窝结构重新引起了人们的研究兴趣,因为它们不仅可以在碰撞时保护电池,还可以通过降低汽车质量来增加行驶里程。研究人员设计并仿真了一种用于电动汽车电池保护和耐碰撞的新型轻型蜂窝结构。在蜂窝结构的设计中,考虑了四种不同的壳厚施加方式对其倒塌性能和耐撞性的影响。对45个不同长度、不同壳体厚度和不同厚度应用方法的试样进行了数值研究。研究了四种壁厚应用方法:均匀壁厚、柱壁厚度、梯度壁厚和交替壁厚。力-位移曲线、能量吸收、比能量吸收和倒塌性能是评价结构抗撞性的重要指标。研究发现,壳体厚度对其倒塌行为和能量吸收能力均有影响。


相关论文以题为“Nature-Inspired Cellular Structure Design for Electric Vehicle Battery Compartment: Application to Crashworthiness”发表在《Applied Sciences》上。




研究背景


到2035年,预计全球将有大约20亿辆汽车定期使用。这些车辆大部分将以汽油为动力。出于对气候变化和温室气体(GHG)排放的关注,许多政府都鼓励使用电动汽车(ev)。例如,挪威政府通过不同形式的减税来鼓励使用电动汽车。这些政策已经产生了积极的影响,挪威目前是人均电动汽车销量最高的国家,2018年电动汽车销量占到总销量的三分之一。从原材料采购到制造和维护,现代电动汽车在其使用寿命中产生的温室气体排放量仅为传统电动汽车的一半。电动车不仅温室气体排放更低,而且性能优良,这使它们成为有利可图的购买。2019年推出的一些高端电动汽车每次充电可行驶300至600公里。高容量可充电电池和轻质材料是现代电动汽车成功背后的两个最重要的因素。与主要用于启动引擎的传统汽车中的铅酸电池不同,电动汽车中的电池功能更多,并且需要额外的保护以防止钢化和事故。普及电动汽车意味着电动汽车发生撞车事故的几率也会增加,而这些新型电池也会带来不同类型的风险。有报道称,锂离子电池有的会自燃,有的会在事故中起火,造成人员伤亡。因此,电动汽车面临着新的、独特的挑战,需要更多的研究和开发来改进电池保护系统。


电动汽车有不同的类型,如插电式混合动力汽车(PHEV)、增程电动汽车(REEV)、纯电动汽车(BEV)和燃料电池电动汽车(FCEV)。插电式混合动力(phev)和卷叶式混合动力(reev)配备了内燃机和电动马达,而BEVs和fcev则无需内燃机即可运行。根据承载能力、所需速度和驾驶条件等因素,这些车辆可以有不同的电池容量和其他设计参数。在很长一段时间里,汽车依靠的是铅酸电池。然而,这些电池太重,不能用于远程消费汽车。今天,一些电动汽车使用镍金属氢化物(Ni-MH)为基础的电池,而大多数其他电动汽车使用锂离子电池作为事实上的电源。通常,电池被打包成模块。典型的消费电动汽车的功率消耗可以在11到15 kWh/100公里之间变化。如图1所示,电动汽车的电池被放置在汽车的中心或后方。电池组件采用多层外壳保护(图2)。一般采用铝底盘保护、铝吸震挤压环、带法兰和内墙的电池组件钢桶、钢外壳覆盖。电池外壳的设计考虑了与安全、热跑道、放电和机械振动相关的不同挑战。本研究的重点仅限于如图2所示的铝碰撞结构。目的是用细胞结构取代这种碰撞结构。大多数汽车采用管状结构以耐撞性。随着电动汽车的普及,轻质金属蜂窝结构作为电池外壳耐撞性的材料再次受到人们的关注。




图1.图示一辆电动车,电池安装在后面。




图2.图示用于电池外壳的多层外壳


作为电池外壳耐撞性的有前途的材料,这种材料重新获得了人们的兴趣。金属多孔结构材料基本上是具有孔隙的材料,其密度小于材料的容重,取决于孔隙度。这种材料的例子是金属泡沫或金属蜂窝状结构。当这些多孔结构材料在轴向载荷作用下崩溃时,允许结构压缩而不产生显著的横向变形。细胞微观结构对行为的影响是由于在细胞水平上材料的变形机制是由细胞壁的弯曲和拉伸以及屈服后阶段的屈曲所控制的。这与平台应力行为(近乎恒定的变形抗力)使得金属蜂窝结构具有耐撞性应用的吸引力,如图3所示。



图3.泡沫和蜂窝等细胞结构的典型应力-应变特性。


金属泡沫蜂窝结构长期以来被用于能量吸收。然而,由于传统制造方法的机械性能不一致,它们不能可靠地使用。这是因为金属泡沫的稳定机理尚不完全了解,主要是由于金属熔解和发泡剂的热分解机理。这里采用的方法是设计受自然启发的新颖细胞结构,同时可通过增材制造来生产,以保持材料性能的一致性,而不像之前讨论的生产金属泡沫的传统方法。大自然为低密度、高强度和高能量吸收能力的结构提供了许多优秀的例子。其中一种就是蜂窝。本研究的蜂窝结构几何灵感来自蜂窝结构。此外,随着加法制造的广泛应用,制造复杂的细胞结构不再是一个具有挑战性的壮举。设计灵感如图4所示。根据这一趋势,本文提出了一种新型蜂窝轻量化的电动汽车电池壳结构设计方案。利用有限元软件设计和建模了这些单元结构。本文的重点将是金属蜂窝结构为减轻重量的目的,特别是铝基蜂窝结构为其轻量化。




图4.(a)自然界中的蜂窝状设计;(b)本研究的蜂窝状结构设计。它的新奇之处在于在蜂巢的设计上增加了墙壁和支柱。


细胞结构几何


图4显示了单元结构的几何形状。单元格是一个六角形,从它的六个角连接到一个10×10mm的正方形。正方形的边被认为是墙,而六边形和从它的角延伸的线被认为是支柱。细胞结构是由成堆的单位细胞组成的。蜂窝结构的体积为50×50×L mm,长度(L)由50增加到150 mm(增加50 mm),以研究长度缩放的影响。struts、墙和堆栈以四种不同的方式分配厚度,如下所述。


等壳厚度(UT)如图5所示,其中支板和壁面具有相同的壳厚度。在UT中,在不同的栈层或其他地方,壳体厚度没有变化。在板柱-壁壳厚度(SWT)类型中,板柱和壁具有不同的壁厚分配。如图6所示,壁厚为T2,而支板与壁厚不同,壁厚为T1。图7显示了交替壳体厚度(AT)类型,其中支柱和墙在两个厚度T1和T2之间交替。从栈底最左边的单元单元开始,支板的厚度被分配为T1。它右边的下一组struts赋T2,以此类推。对于壁厚,考虑整体细胞结构而不是单位细胞。底层栈底壁赋值为T1,底层栈顶壁赋值为T2。这种模式在所有水平墙壁上都是重复的。将第一列堆栈的第一竖墙赋值T1,将第一列堆栈的第二竖墙赋值T2,以此类推。梯度壳体厚度(GT)型壳体厚度随堆垛层数的增加而增加。如图8所示,最低的堆栈的厚度为T1,随着研究人员沿着堆栈向上移动,它会不断增加,直到到达最上面的堆栈,最上面的堆栈的厚度为T2。



图5.厚度均匀,具有等距视图(左)和前视图(右)。壁(T2)和支板(T1)的厚度分配是相等的。




图6.带等距视图(左)和前视图(右)的柱壁厚度。壁(T2)和支板(T1)的厚度分配是不同的。




图7.交替厚度与等距视图(左)和前视图(右)。厚度分配表明最大(T2)和最小(T1)值。



图8.梯度厚度与等距视图(左)和前视图(右)。堆叠的厚度指示该层的最大值(T2)和最小值(T1)。


结论


在本研究中,研究人员设计了一种新型的轻型蜂窝结构用于电动汽车电池保护。在单元格结构的设计中,研究人员考虑了四种不同的方法来应用影响单元格倒塌行为的壳厚和不同的性能指标。壳体厚度的四种类型包括均匀厚度、支柱壁厚、梯度厚度和交替厚度。其中均匀厚度的效果最好,ESEA最高为35 kJ/kg。研究人员还考虑了支柱、墙体、长度和梯度厚度对性能指标的影响。然而,这些设计配置不能与UT设计的性能指标竞争。这种UT设计有潜力被纳入电动汽车,以保护电池隔间。由于本质上是细胞结构,它有望在不影响耐撞特性的情况下减轻电池舱的重量。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/13/4532/htm



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