在電動車的機械濫用安全研究中，由于車內(nèi)電池包的布置現(xiàn)狀，整車的托底加載是威脅電池機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，很難針對這一工況開展電池安全設(shè)計。

受啟發(fā)于電池的卷芯結(jié)構(gòu)特點，本文將簡要介紹離散多層結(jié)構(gòu)在面內(nèi)載荷下的塑性行為和斷裂行為，進而引出對電池包設(shè)計的部分建議。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

    通過離散多層結(jié)構(gòu)的有限元仿真和運動學(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)和人們在電池面內(nèi)加載中關(guān)注到的行為是高度相似的，如下圖所示。筆者希望通過研究上述離散多層結(jié)構(gòu)的面內(nèi)行為，對解釋真實電池的面內(nèi)行為提供一些有價值的結(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)為對離散多層結(jié)構(gòu)的整體行為起主導(dǎo)性作用。通過解析建模，筆者發(fā)現(xiàn)二型擠壓元在演化過程中會表現(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，筆者通過解析計算發(fā)現(xiàn)，隨著壓縮過程的發(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。這種行為特性會導(dǎo)致當(dāng)結(jié)構(gòu)壓縮到一定深度時，軸向載荷達(dá)到材料屈服極限，進而引發(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)險的非線性變化示意圖。

這里應(yīng)該說明，這種失效以前較少被力學(xué)研究人員們注意到，這主要是因為，在約束壓縮下，材料的局部破壞并不會引發(fā)結(jié)構(gòu)整體承載能力的喪失。然而在電池安全問題中，局部的失效與電池的內(nèi)短路、熱失控等問題高度相關(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。其中，筆者注意到某些結(jié)論或許對實際工程問題有潛在應(yīng)用價值，因此筆者通過實驗嘗試將部分分析結(jié)論在工程實際中進行了進一步的研究。

如下圖所示，筆者設(shè)計了一種開展電池面內(nèi)約束壓縮測試的實驗平臺。該平臺一方面可以開展不同壓縮寬度下的測試，并可以檢測電池的實時外部電壓，以輔助確定電池的內(nèi)短路發(fā)生時刻并決定實驗的終止點。詳細(xì)的數(shù)據(jù)處理流程可以參考文末文獻。

  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。單體吸能全局最大值超過全局最小值的兩倍以上。從工程的角度出發(fā)，這強調(diào)了電池裝配時側(cè)向約束對提升電池安全容限的重要性。特別是在實際電池包服役過程中，由于充放電或電池老化引發(fā)的電池厚度變化會不斷改變電池單體的側(cè)向邊界條件，進而可能導(dǎo)致電池包的實際安全容限出現(xiàn)變化。這體現(xiàn)了對電池包面內(nèi)受載下安全容限開展SOC相關(guān)性評價或老化程度相關(guān)性評價的必要性。

最后，這里給上述現(xiàn)象一個解釋。

在壓縮寬度較小的情況下，電池在此時可以形成顯著的長程周期性變形模式。此時，卷芯多層結(jié)構(gòu)的各個長度部分協(xié)同變形，因此對整體結(jié)構(gòu)的吸能分析可以視做對某一段周期性結(jié)構(gòu)的吸能分析。而根據(jù)我們對二型擠壓元的分析，當(dāng)壓縮寬度極小（即接近電池厚度）時，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，長程周期性結(jié)構(gòu)的形成則相對困難，系統(tǒng)的隨機性大幅增強。此時，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)計應(yīng)該盡量使得卷芯結(jié)構(gòu)可以形成長程周期性變形模式，這對抑制集中變形的出現(xiàn)是有利的。考慮到真實工況的復(fù)雜性，此時并不應(yīng)該拘泥于均勻的電池單體側(cè)向約束設(shè)計，而可以根據(jù)情況開展非均勻側(cè)向約束設(shè)計。比如在電池迎沖擊側(cè)強化局部的側(cè)向約束強度，而在遠(yuǎn)離沖擊側(cè)弱化側(cè)向約束強度等。當(dāng)然，應(yīng)該注意這種力學(xué)設(shè)計可能會對電池的長期服役產(chǎn)生一定影響。

參考文獻

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.