在電動(dòng)車(chē)的機(jī)械濫用安全研究中，由于車(chē)內(nèi)電池包的布置現(xiàn)狀，整車(chē)的托底加載是威脅電池機(jī)械安全的重要工況之一。在托底載荷的作用下，電池主要受到的載荷形式為面內(nèi)加載，即加載方向與電池的鋪層方向平行（另一種典型的加載模式為面外加載，此時(shí)加載方向與電池鋪層方向垂直）。

由于電池多層結(jié)構(gòu)在面內(nèi)載荷下所表現(xiàn)的復(fù)雜層間相互作用，迄今為止，人們對(duì)這種加載模式下引發(fā)的電池變形行為理解尚淺，很難針對(duì)這一工況開(kāi)展電池安全設(shè)計(jì)。

受啟發(fā)于電池的卷芯結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文將簡(jiǎn)要介紹離散多層結(jié)構(gòu)在面內(nèi)載荷下的塑性行為和斷裂行為，進(jìn)而引出對(duì)電池包設(shè)計(jì)的部分建議。下圖展示了電池卷芯在面內(nèi)壓縮下的變形模式，并展示了本文研究離散多層結(jié)構(gòu)的基本幾何。

Ali et al. JPS. 2013

    通過(guò)離散多層結(jié)構(gòu)的有限元仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，筆者注意到上述結(jié)構(gòu)可以在面內(nèi)載荷下表現(xiàn)出一種穩(wěn)定的壓縮變形模式。而隨著這種變形的不斷發(fā)展，最終會(huì)出現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的局部失效行為。這種力學(xué)表現(xiàn)和人們?cè)陔姵孛鎯?nèi)加載中關(guān)注到的行為是高度相似的，如下圖所示。筆者希望通過(guò)研究上述離散多層結(jié)構(gòu)的面內(nèi)行為，對(duì)解釋真實(shí)電池的面內(nèi)行為提供一些有價(jià)值的結(jié)論。

 我們注意到，在多層結(jié)構(gòu)面內(nèi)壓縮下的整體變形過(guò)程中，有兩種典型的變形模式廣泛存在。出于描述的方便，筆者將其稱(chēng)為‘?dāng)D壓元’。分析指出，由于一型擠壓元不能穩(wěn)定存在，二型擠壓元被認(rèn)為對(duì)離散多層結(jié)構(gòu)的整體行為起主導(dǎo)性作用。通過(guò)解析建模，筆者發(fā)現(xiàn)二型擠壓元在演化過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)出‘力井’現(xiàn)象。該現(xiàn)象應(yīng)該是導(dǎo)致離散多層結(jié)構(gòu)發(fā)生穩(wěn)定壓縮演化的主要原因。

  此外，筆者通過(guò)解析計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著壓縮過(guò)程的發(fā)展，二型擠壓元中單層結(jié)構(gòu)的軸向載荷變化是非單調(diào)的。這種行為特性會(huì)導(dǎo)致當(dāng)結(jié)構(gòu)壓縮到一定深度時(shí)，軸向載荷達(dá)到材料屈服極限，進(jìn)而引發(fā)單層結(jié)構(gòu)壓縮剪切帶的形成并最終導(dǎo)致失效。以下給出了上述關(guān)于‘力井’和失效風(fēng)險(xiǎn)的非線(xiàn)性變化示意圖。

這里應(yīng)該說(shuō)明，這種失效以前較少被力學(xué)研究人員們注意到，這主要是因?yàn)椋诩s束壓縮下，材料的局部破壞并不會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)整體承載能力的喪失。然而在電池安全問(wèn)題中，局部的失效與電池的內(nèi)短路、熱失控等問(wèn)題高度相關(guān)。因此，研究離散多層結(jié)構(gòu)在約束壓縮下的局部行為被賦予了全新的工程意義。

隨后，筆者結(jié)合擠壓元的解析模型和有限元仿真討論了系統(tǒng)參數(shù)對(duì)離散多層結(jié)構(gòu)整體力學(xué)表現(xiàn)的影響，詳情可以參考文末文獻(xiàn)。其中，筆者注意到某些結(jié)論或許對(duì)實(shí)際工程問(wèn)題有潛在應(yīng)用價(jià)值，因此筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)嘗試將部分分析結(jié)論在工程實(shí)際中進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

如下圖所示，筆者設(shè)計(jì)了一種開(kāi)展電池面內(nèi)約束壓縮測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)一方面可以開(kāi)展不同壓縮寬度下的測(cè)試，并可以檢測(cè)電池的實(shí)時(shí)外部電壓，以輔助確定電池的內(nèi)短路發(fā)生時(shí)刻并決定實(shí)驗(yàn)的終止點(diǎn)。詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理流程可以參考文末文獻(xiàn)。

  結(jié)果顯示，隨著壓縮寬度的變化，電池在發(fā)生內(nèi)短路前的最大吸能呈現(xiàn)出一種非單調(diào)的變化趨勢(shì)。單體吸能全局最大值超過(guò)全局最小值的兩倍以上。從工程的角度出發(fā)，這強(qiáng)調(diào)了電池裝配時(shí)側(cè)向約束對(duì)提升電池安全容限的重要性。特別是在實(shí)際電池包服役過(guò)程中，由于充放電或電池老化引發(fā)的電池厚度變化會(huì)不斷改變電池單體的側(cè)向邊界條件，進(jìn)而可能導(dǎo)致電池包的實(shí)際安全容限出現(xiàn)變化。這體現(xiàn)了對(duì)電池包面內(nèi)受載下安全容限開(kāi)展SOC相關(guān)性評(píng)價(jià)或老化程度相關(guān)性評(píng)價(jià)的必要性。

最后，這里給上述現(xiàn)象一個(gè)解釋。

在壓縮寬度較小的情況下，電池在此時(shí)可以形成顯著的長(zhǎng)程周期性變形模式。此時(shí)，卷芯多層結(jié)構(gòu)的各個(gè)長(zhǎng)度部分協(xié)同變形，因此對(duì)整體結(jié)構(gòu)的吸能分析可以視做對(duì)某一段周期性結(jié)構(gòu)的吸能分析。而根據(jù)我們對(duì)二型擠壓元的分析，當(dāng)壓縮寬度極?。唇咏姵睾穸龋r(shí)，二型擠壓元壓縮斷裂的發(fā)生位移也極小。因此不難想象，在壓縮寬度較小的情況下，隨著壓縮寬度的增加，離散多層結(jié)構(gòu)的吸能可以出現(xiàn)一定的增加。

另一方面，當(dāng)壓縮寬度較大時(shí)，長(zhǎng)程周期性結(jié)構(gòu)的形成則相對(duì)困難，系統(tǒng)的隨機(jī)性大幅增強(qiáng)。此時(shí)，由于周期性變形模式?jīng)]有形成，局部變形集中，將大幅縮減卷芯結(jié)構(gòu)的總體承載容限，進(jìn)而導(dǎo)致了電池吸能出現(xiàn)局部極大值。

不難看出，為了提升電池裝配體在面內(nèi)載荷（例如托底沖擊）下的安全容限，側(cè)向約束的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量使得卷芯結(jié)構(gòu)可以形成長(zhǎng)程周期性變形模式，這對(duì)抑制集中變形的出現(xiàn)是有利的。考慮到真實(shí)工況的復(fù)雜性，此時(shí)并不應(yīng)該拘泥于均勻的電池單體側(cè)向約束設(shè)計(jì)，而可以根據(jù)情況開(kāi)展非均勻側(cè)向約束設(shè)計(jì)。比如在電池迎沖擊側(cè)強(qiáng)化局部的側(cè)向約束強(qiáng)度，而在遠(yuǎn)離沖擊側(cè)弱化側(cè)向約束強(qiáng)度等。當(dāng)然，應(yīng)該注意這種力學(xué)設(shè)計(jì)可能會(huì)對(duì)電池的長(zhǎng)期服役產(chǎn)生一定影響。

參考文獻(xiàn)

Ying, Pengfei, et al. "In-plane compression of bi-laterally confined layered structure: Plastic model and parametric study." International Journal of Solids and Structures (2024): 112693.