【2020电动汽车百人会】大众汽车顾功尧：保障碰撞安全同时做到轻量化

1月10-12日，2020中国电动汽车百人会论坛在钓鱼台国宾馆隆重召开。本次论坛围绕“把握形势 聚焦转型 引领创新”主题，邀请政府有关部门和汽车、能源、交通、城市、通讯等领域的行业机构和领先企业代表，就行业、企业、政策的转型与创新展开深度研讨。以下是大众汽车（中国）投资有限公司亚洲创新中心技术负责人，顾功尧在本次论坛上的发言：

大众汽车（中国）投资有限公司亚洲创新中心技术负责人 顾功尧

各位专家，各位领导，大家早上好，我叫顾功尧，来自大众中国，今天跟各位在座的老师专家比起来可能我只是一个小学生，所以我在这里只是给大家汇报一下我们在过去两三年里，和清华大学汽车工程系现在叫车辆学院合作的一个研究项目，希望能起到抛砖引玉的作用，也希望大家能够多多的指正。

首先，需要介绍一下我们的这个部门。我们这个部门叫亚洲创新中心，它是属于大众集团创新部在亚洲的一个分支，我们这个部门在2019年6月份才正式改名，以前叫大众集团研究部，在大众里面研和发是分开的，我们经常说研发、研发，实际上我们就是大众的研究部，所以我们是不负责具体某一款车型的量产项目，我们负责的是相当于国内主机厂的前瞻部，我们这个部门服务于大众集团的所有12个品牌，我们的研究经费和研究成果都是来自于也服务于我们大众集团的12个品牌，包括保时捷、我们的商用车，MAN都是我们的内部客户。

集团研究部2019年6月份被集团领导改名叫创新部，也是为了在今天电动化、网联化的时代下要强调创新，强调和外部的合作伙伴、供应商和创业企业、创新企业一起来合作。大家在这张地图上可以看到我们的主体包括欧洲的创新中心、亚洲的创新中心和硅谷的北美创新中心。同时我们还在很多地方设立了一些更小的分支机构，以色列、西班牙、东京都有我们的办公室。从大的中心来讲，亚洲中心是全球的三大中心之一。我本人就是负责这个创新中心的所有和技术相关的，包括锂电池、燃料电池、自动驾驶、新型材料等等，我们这个中心还有用户体验设计和造型设计等等其他部门。

言归正传，感谢黄总的分享，已经提到了全面的电动车的安全和电池的安全方面，我今天的汇报只是局限在电芯，而且是在机械加载或碰撞安全下的安全分析和研究，所以我们的目的也很简单，就是因为我们现在在强调电动车安全的时候，碰撞导致的热失控最终的热扩散起火爆炸是安全的一个原因，尽管我们说充电或者在充放电过程中导致的是它最主要的原因，但是碰撞机械加载引起的仍然是它的安全之一，我们怎么样既能保证它的碰撞安全同时还保证一个车的轻量化，因为轻量化会影响续航里程，怎么在基本矛盾中取得平衡实现优化的设计，我们就需要有一个模型能够比较准确预测在什么样的挤压碰撞下会导致它的起火和爆炸，而且我们这里指的是在电芯这个层面上，电芯的模型能够服务于模组和整包、整车的设计。

我们以某款电芯为例做了一系列不同加载形式下的机械实验，用不同形状的挤压头去挤压它，这不是针刺实验，我们用的尺寸更大一些的挤压头各种挤压它，沿着不同的方向以不同的速度，这个项目是从2016年底2017年初和清华大学汽车碰撞实验室合作，我自己本人也毕业于那里，从我的本科一直到博士一直在清华碰撞实验室。虽然我们是做力学的做结构的，电池的安全和我们整车的碰撞安全包括车里面成员的碰撞安全背后的逻辑都是一样的，你无法完全避免一个碰撞，当无法避免的时候车一定会发生某种程度的变形，什么样的变形是可控的，对人是这样，对电池也是这样。你要找到一个我们可以接受的容线让它不要到致人死亡或者致人重度伤残，对于电池来说也许它也能发生一定程度的形变但是不会导致它起火爆炸，我们就是要找到这么一个点，有一个这样的模型去预测它，所以我们首先要做一系列这样的实验。实验过程中我们监控它的电压，监控它的变形，监控它的温度，来看机械变形什么时候会导致电池发生热失控发生温升等等。

所以这是一个很典型的电池，不管它是软包还是方块电池，典型的力学加载过程中的变形电压和温度变化的过程，首先我们看到的这条实线就是力和位移的变化过程，左边横向的是挤压头不断挤压进电芯的过程，纵轴就是我们的力，力随着挤压的进行不断的上升，上升到某一点，因为里面的电芯内部的结构发生了破坏，可能隔膜破了或者正极负极铜箔铝箔破了会导致力下降，第二条曲线比较宽的虚线是它的电压，正好在力开始下降的时候也就是结构破坏，可能它发生了内短路它的电压开始下降了。最下面这条从下向上升的点线就是它的温度，几乎可以看到结构上的破坏、温度的上升几乎是同时发生的，这就告诉我们只要我们能够准确的预测到它的机械结构力学结构上的破坏也可以预测到它的温升。所以力下降之前对电芯来说都是安全的。今天我们做电池设计，国标都是针对电池包有一些挤压的实验，我们当然可以从电池包的结构设计去做一些安全的设计，但是我们的想法是如果我们的电芯也能承受一定的变形，那么就会对电池包的结构设计要求会有一个适当的降低，这样对于整车电池包的轻量化的设计都会有所贡献。

刚才的经典实验只是我们做的几百个实验之一，刚才那个实验也只是在准静态下很慢的速度下去挤压它，我们知道影响电池失效的过程会有很多边界条件的因素，比如你的加载速度，你加载的形式，是拿一个比较小的头甚至极端情况是一个针刺去刺穿它，还是相对比较大的尺寸去挤压它，可能都会不一样，所以左边这个图是我们以不同的速度去挤压它，红色的线是五毫米每分钟很慢的速度，最快的这条黄色的线或棕色的线是两米每秒，这就接近于一个比较低速的汽车碰撞的过程。

在不同的速度下，大家会发现发生力学上的失效的时间也是不一样，在这个电池的情况下是你挤压的速度越快或冲击的速度越快失效的越早，我们知道电芯里面本身也是一个复杂的结构，有正极负极隔膜电解液等等都有影响，电池的封装形式，是圆柱、软包还是方格都会影响。我们测试的这款电池至少速度有很明显的影响，所以我们如果要有一个模型去预测它，那肯定是要把速度的影响因素考虑进去。与此类似，我们加载的形式，右边这个图也能看到，我们有一个球头球形的表面去挤压它还是平头一个平面去挤压它还是一个圆柱面去挤压它，发生失效的形变的位置都不一样，所以我们需要比较精确的模型去影响，如果是软包、方格或者沿着哪个面去挤压它，是实质从车上面打下来还是车典型的侧面碰撞或者正面碰撞，对于电芯来说从不同的表面去挤压它，可能情况都不一样。

所以基于我们过去这两年三年做的大量的不同类型的实验，我们尝试力学上叫有限源的方法尝试建立一个模型去模拟它，左边的六个图就是针对大量的实验中选了六种情况，用不同的商业化的有限源的软件去建立电芯的模型，然后去预测它，黑色的虚线是实验结果，红色和蓝色曲线是我们用不同的有限源软件去仿真它，背后的模型会略有差异。可以看到在有些情况下，比如左上角的这个实验，我们的蓝线这条仿真的曲线和实验的结果还比较接近，我们能捕捉到它失效的那个点，但是对于有些实验我们的模型做得还不够好，所以我们后续和清华大学继续签了两年到三年的研究协议，还要进行深入的研究。

可以跟大家简单分享一下，目前大家看到这个仿真符合程度在有些情况下不好的主要原因就是因为我刚才讲的电芯里本质也是一个结构，它并不是一个单一的材料，但是我们在这步的模拟或仿真研究中做了一个简化的假设，假设电芯里是均质的单一的材料，看能不能用比较简化的假设去模拟它，结果我们的研究结果发现并不好，所以我们下一步要建立更精细化的模型，把正极负极铜箔铝箔隔膜等等全部分层的建立出一个分层的精细化的模型，然后来看这样一种精细化的模型能不能更加准确的捕捉这一点。

我们简单的结论，首先力学上或者机械结构上导致的破坏几乎在同一时间会导致我们的压降和热失控，所以这点是我们整个研究的起点，有这样的实验结果作为验证，后续就要去研究怎么样能够准确预测和模拟力学上的破坏。速度越高可能发生失效的时间越早，所以我们的模型需要考虑各种边界条件，包括速度、挤压方向等等，最终我们还要做更细致的工作做更深入的研究，和清华，也欢迎其他的高校和其他供应商企业和我们一起合作，把模型做得更加准确，让我们的电动车更加安全，续航里程更高，能源效率更高。

我的汇报就到这里，谢谢大家。

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