基于负泊松比材料的电动汽车电池碰撞安全防护结构设计优化研究

动力电池系统的安全性是电动汽车产业化发展需要解决的关键问题之一。电动汽车在发生急刹、碰撞、滚翻等意外事故时，外力作用导致的电池窜动、挤压、冲击、开裂等机械破坏是引起电池电、热失效的直接原因，可能对乘员造成严重伤害。无论是改善电池内部材质的化学属性，还是改变电池布置位置或与车体结构的连接方式都无法从根本上解决其碰撞安全性问题。给电池加装轻质安全防护结构是防止其发生机械失效，避免安全事故的最直接和有效的方法。本项目以提高电动汽车动力电池碰撞安全防护性能为目标，采用试验研究结合数值仿真的方法，将功能材料与结构设计相融合，开展以具有特殊机械性能的负泊松比材料为核心，具备优良的缓冲吸能特性及抗穿刺能力的功能材料与夹层结构设计优化研究。此项研究工作，有望改善电动汽车的碰撞安全性，同时推动以负泊松比材料为代表的新材料在汽车被动安全领域的应用。

无论是改善电池内部材质的化学属性，还是改变电池布置位置或与车体结构的连接方式都无法从根本上解决电动汽车在发生碰撞时电池的安全性问题。给电池加装轻质安全防护结构是防止其发生机械失效，避免安全事故的最直接和有效的方法。本项目以提高电动汽车动力电池碰撞安全防护性能为目标，采用试验研究结合数值仿真的方法，将功能材料与结构设计相融合，开展以具有特殊机械性能的负泊松比材料为核心，具备优良的缓冲吸能特性及抗穿刺能力的功能材料与夹层结构设计优化研究。首先进行动力电池的跌落碰撞实验，研究对象为6-Q-W80型风帆铅蓄电池，采用定制的碰撞实验仪进行实验。在实验中记录整个碰撞过程和实验结束后电池的破坏情况；同时，通过有限元方法对电池跌落过程进行三维有限元建模仿真分析。通过实验与仿真模型的对比，模型各实验组的对比，得到不同情况下电池碰撞的破坏情况，为电池碰撞防护结构设计提供依据。根据电池的防护要求，采用显式动力学有限元方法对蜂窝芯体夹层板的面内侵彻问题做了研究，首先对比了几种不同蜂窝结构的夹层板的抗弹性能，并重点对具有负泊松比性质的内凹蜂窝结构作为芯体的夹层板做了详细的参数化研究，系统地讨论了夹层板的面板厚度、芯体相对密度、芯体厚度、胞元内角、胞元尺寸以及弹头形状对夹层板抗侵彻性能的影响；其次，应用正交试验设计方法和径向基函数模型近似理论，针对夹层板的两类参数（宏观参数和细观参数）分别进行了夹层板抗侵彻性能的多目标优化和单目标优化设计。通过研究得到结论如下：蜂窝夹层板面内侵彻和面外侵彻的能量耗散分布情况有很大区别，面内侵彻主要由夹层板的芯体结构吸收能量；内凹蜂窝芯体夹层板的抗侵彻能力最强；结构参数对夹层板的抗侵彻性能影响很大；通过优化设计得到了满足要求的最优设计方案。上述研究工作共发表论文21篇，其中国际期刊论文12篇，SCI检索9篇，EI检索10篇。共获得省市级学术成果奖励6项。已毕业硕士生7人，在读硕士生9人。