基于多工況載荷譜耦合下的電動(dòng)汽車電池包耐久性研究與優(yōu)化

摘 要：隨著CTC底盤(pán)、電池一體化集成技術(shù)全面應(yīng)用，一定程度上電池包的耐久性決定了整車的耐久性和安全性，本項(xiàng)目以某一廠家的新能源汽車電池包為研究對(duì)象，從電池包宏觀、微觀失效機(jī)理研究出發(fā)，探索載荷特性、靜態(tài)特性以及疲勞壽命分析方法，提出適應(yīng)電動(dòng)汽車可靠的電池包疲勞耐久性設(shè)計(jì)方法，解決電動(dòng)汽車在顛簸路面上行駛電池包因負(fù)載復(fù)雜而無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)的難題，為電動(dòng)汽車的安全設(shè)計(jì)提供了參考。本文根據(jù)電池包失效故障件斷口形貌分析，推斷電池包的失效模式為疲勞失效，在電動(dòng)汽車多工況下的載荷組合對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并優(yōu)化，經(jīng)過(guò)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，在三種存活概率下優(yōu)化后電池包薄弱區(qū)域A處的疲勞壽命均有了較大提升，達(dá)30%-50%，同時(shí)探索了電池包的拓?fù)鋬?yōu)化方法，完成了多工況組合下的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，得到耐久性最高、質(zhì)量最輕的電池包結(jié)構(gòu)，供同類汽車車型借鑒參考。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車 電池包 載荷譜 疲勞強(qiáng)度

1 緒論

隨著國(guó)家能源戰(zhàn)略的大力推進(jìn)，近五年新能源汽車展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭，于2023年產(chǎn)銷達(dá)到空前950萬(wàn)輛最大規(guī)模。盡管新能源汽車市場(chǎng)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)，但仍面臨一些挑戰(zhàn)，如電池包作為新能源汽車的能量存儲(chǔ)單元，隨著比亞迪、特斯拉新能源汽車主力廠家發(fā)展CTC底盤(pán)、電池一體化集成技術(shù)[1]，一定程度上電池包的耐久性決定了整車的耐久性和安全性，因此運(yùn)用創(chuàng)新技術(shù)手段，尋求電池包耐久性設(shè)計(jì)解決方案成為供給側(cè)當(dāng)下的緊迫任務(wù)。

新能源電動(dòng)汽車在顛簸路面上行駛，電池包易受隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)而開(kāi)裂失效，雖然關(guān)于其耐久性設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外取得了關(guān)鍵性成果[2-3]，但是由于其載荷的復(fù)雜性，其大多是定性的、單一工況的，而且理論方法較多，到底哪種方法適合于電池包疲勞分析，并未給出明確的研究結(jié)論。針對(duì)以上問(wèn)題，本項(xiàng)目以某一廠家的新能源汽車電池包為研究對(duì)象，從電池包微觀失效機(jī)理研究出發(fā)，研究載荷特性、動(dòng)力學(xué)以及疲勞壽命分析和優(yōu)化方法，提出適應(yīng)電動(dòng)汽車可靠的電池包疲勞耐久性設(shè)計(jì)方法，為新能源汽車電池包設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

2 電池包失效件微觀分析

對(duì)某汽車廠家的一失效電池包采樣，將電池包裂紋斷口放置在電子顯微鏡下觀察[4]，發(fā)現(xiàn)斷口處有明顯的疲勞條帶，見(jiàn)圖2（a）框內(nèi)。同時(shí)，采用掃描電鏡對(duì)斷口繼續(xù)分析，發(fā)現(xiàn)有大量的細(xì)小的酒杯狀微孔韌窩存在，見(jiàn)圖2（b）。斷口的這兩項(xiàng)特征均表明了電池包由于強(qiáng)度不夠發(fā)生了疲勞斷裂。通過(guò)結(jié)合電池包的載荷工況，可推理出電池包疲勞壽命的形成過(guò)程，主要包括：首先，電池包外殼經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的應(yīng)用之后，因?yàn)槭艿嚼瓑貉h(huán)載荷導(dǎo)致其萌生初始裂紋；其次，在拉壓循環(huán)載荷下，斷口表面隨著壓力的不斷增加，裂紋逐漸張開(kāi)，裂紋持續(xù)擴(kuò)展，越來(lái)越大；最后，疲勞裂紋瞬間斷裂，電池包的裂紋會(huì)瞬間出現(xiàn)斷裂，此裂紋即為肉眼可見(jiàn)的裂紋，如圖2。

3 載荷譜分析

由于電動(dòng)汽車實(shí)際行駛的工況比較復(fù)雜，不可能精確地模擬實(shí)際行駛工況下的電池包載荷，根據(jù)我國(guó)的《汽車產(chǎn)品定型可靠性行駛試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，試驗(yàn)車輛必須在預(yù)設(shè)速度下，依次在各類道路環(huán)境中行駛預(yù)定里程，并且行駛時(shí)需出現(xiàn)彎曲、急速轉(zhuǎn)向、緊急制動(dòng)等三種典型工況，故選取汽車在城市路況中這三種典型工況進(jìn)行分析。彎曲工況是指電動(dòng)汽車在較平整路面上勻速直線行駛或水平靜 止?fàn)顟B(tài)工況的模擬，主要載荷來(lái)源為車載重力。急速轉(zhuǎn)向工況主要是車輛轉(zhuǎn)向時(shí)在離心力的作用，車載部件會(huì)給車架施加一個(gè)側(cè)向載荷。緊急制動(dòng)工況主要指車輛緊急制動(dòng)時(shí)受到車輛前進(jìn)方向的慣性力，這個(gè)慣性力成為其主要的制動(dòng)載荷。根據(jù)三種工況特點(diǎn)，確定的加速度載荷的加載如表1。X軸：汽車前進(jìn)的方向，Y軸：汽車急轉(zhuǎn)彎方向，Z軸：垂直車身方向。根據(jù)電池包是在多種工況下失效的真實(shí)情況，因此，按照不同工況汽車的工作時(shí)間占比，對(duì)多工況的載荷譜重構(gòu)，確定多工況的合成載荷譜，用于后續(xù)的疲勞分析。

4 耐久性分析

4.1 電池包有限元模型

本次分析選取了市面上某款油改電的小型電動(dòng)汽車電池包，其總體結(jié)構(gòu)如圖3所示，其組成主要包括上下蓋、安裝支座以及內(nèi)部的電池模組。其中，上下蓋和安裝支座均采用鋁合金焊接而成，成為疲勞失效的薄弱區(qū)域，因此通過(guò)疲勞分析重點(diǎn)關(guān)注焊接接頭處的疲勞強(qiáng)度。

為了減少白噪音對(duì)結(jié)果的影響，對(duì)電池包模型簡(jiǎn)化處理，去除幾何小特征和其他部件，最終構(gòu)建的有限元加載模型如圖4所示。電池包通過(guò)支架的螺栓連接在車架上，故約束螺栓中心點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，模擬電池包與車架的固定連接。在電池包質(zhì)量點(diǎn)上施加集中力載荷，模擬將正常行駛時(shí)重力、緊急制動(dòng)慣性力以及急速轉(zhuǎn)彎側(cè)向力均勻的施加在電池包上。由于主體板厚為2mm，因此整體采用尺寸大小為3-5mm面網(wǎng)格，形成離散單元為191890個(gè)單元。由于常用的電池包均為鋁合金材質(zhì)，因此按其材質(zhì)性能進(jìn)行分析，具體性能參數(shù)如表2所示。

4.2 組合工況的電池包強(qiáng)度分析

采用以上模型以及邊界條件對(duì)現(xiàn)有的電池包結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析的結(jié)果如圖4，根據(jù)應(yīng)力云圖可以看出在正常行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎疊加工況下電池包上蓋板截面過(guò)渡處的應(yīng)力較大，如A、B、C處，數(shù)值達(dá) 190-240MPa，其中A、B處的應(yīng)力已經(jīng)與鋁合金的材料屈服極限相當(dāng)，說(shuō)明這兩處部位結(jié)構(gòu)薄弱，從靜態(tài)強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度方面均存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。由于電池包位于電動(dòng)汽車的底盤(pán)位置，承載了汽車的80%重量（車身、駕駛員以及路況載荷）在上蓋板截面過(guò)渡處容易發(fā)生失效，說(shuō)明上蓋板的強(qiáng)度不夠，需要增加其承載強(qiáng)度。

借助OptiStruct優(yōu)化軟件，對(duì)電池包上蓋板進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，得到其多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化下的結(jié)構(gòu)，相比現(xiàn)有結(jié)構(gòu)上蓋板的厚度由1.5mm增加到2.0，同時(shí)增加了上蓋板的拔模高度18mm增加到20mm（見(jiàn)示意圖5），目的就是根據(jù)載荷的傳遞路徑優(yōu)化材料的流向，提高上蓋板的整體強(qiáng)度，防止在凹坑、土堆顛簸路面以及轉(zhuǎn)彎等偏載路況的失效。

依據(jù)和現(xiàn)有方案相同的載荷以及約束條件對(duì)上蓋板的優(yōu)化方案進(jìn)行強(qiáng)度分析，與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，確定優(yōu)化是否有效。分析的結(jié)果如圖6，根據(jù)應(yīng)力云圖可以看出在正常行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎疊加工況下優(yōu)化后的電池包上蓋板截面過(guò)渡處的應(yīng)力仍然較大，如A、B、C處，數(shù)值達(dá)130-190MPa，但是其數(shù)值均在已經(jīng)鋁合金的材料屈服強(qiáng)度極限內(nèi)，說(shuō)明靜態(tài)強(qiáng)度滿足要求，安全系數(shù)達(dá)到1.3-1.6。將優(yōu)化結(jié)構(gòu)應(yīng)力和現(xiàn)有的比較，A處的應(yīng)力下降20%，B處的應(yīng)力下降30%，C處的應(yīng)力下降31%。

4.3 組合工況的電池包疲勞強(qiáng)度分析

電池包是電池的保護(hù)殼，它不僅要承載汽車正常行駛中的隨機(jī)載荷激勵(lì)，而且要承載汽車碰撞沖擊大載荷激勵(lì)，因此它的工況載荷復(fù)雜性決定了不能只進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度的分析。如果想準(zhǔn)確的模擬電池包的實(shí)際載荷，預(yù)判其失效的風(fēng)險(xiǎn)，還需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)與疲勞壽命評(píng)估。根據(jù)推斷的載荷機(jī)理以及現(xiàn)有的組合工況載荷，按照不同工況汽車的工作時(shí)間占比，確定多工況的載荷合成，進(jìn)而利用損傷等效原理，將其外推，得到一套反映整車生命周期內(nèi)的虛擬載荷譜，用于疲勞壽命的評(píng)估。采用基于“From-To”型雨流矩陣外推法[5]，將電池包優(yōu)化前后風(fēng)險(xiǎn)最高的A處應(yīng)力進(jìn)行外推，得到的應(yīng)力譜如圖7，推斷數(shù)據(jù)總體的變化特性，外推后的幅值-均值頻次比外推前的增加2-3倍，說(shuō)明該載荷譜在電池包的壽命周期內(nèi)數(shù)據(jù)更完整，可以更準(zhǔn)確的進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。

由于疲勞壽命有一定的離散性，使得疲勞應(yīng)力-壽命間的曲線，并不是一一對(duì)應(yīng)的單值關(guān)系，而是與概率P相關(guān)，因此在可靠性設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)不同存活率的S-N曲線評(píng)估疲勞強(qiáng)度，鋁合金不同存活率下的SN 曲線如下圖8所示。

根據(jù)PSN曲線，應(yīng)用Miner 線性疲勞損傷法和名義應(yīng)力法C=N*σm評(píng)估A處的優(yōu)化前后疲勞強(qiáng)度[6]，結(jié)果如圖9。由結(jié)果可知，在三種存活概率下優(yōu)化后電池包薄弱區(qū)域A處的疲勞壽命均有了較大提升，達(dá)30%-50%，按照保守的99%存活率設(shè)計(jì)，提升率能達(dá)到50%以上，說(shuō)明優(yōu)化后的電池包結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度相對(duì)可靠，失效率較低。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目以某一廠家的新能源汽車電池包為研究對(duì)象，從電池包宏觀、微觀失效機(jī)理研究出發(fā)，探索載荷特性、靜態(tài)特性以及疲勞壽命分析方法，提出適應(yīng)電動(dòng)汽車可靠的電池包疲勞耐久性設(shè)計(jì)方法，解決電動(dòng)汽車在顛簸路面上行駛電池包因負(fù)載復(fù)雜而無(wú)法準(zhǔn)確進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)的難題，為汽車行業(yè)的結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。

根據(jù)電池包失效故障件斷口形貌分析，推斷電池包的失效模式為疲勞失效。根據(jù)電動(dòng)汽車多工況下的載荷組合，對(duì)現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并優(yōu)化，經(jīng)過(guò)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析，在三種存活概率下優(yōu)化后電池包薄弱區(qū)域A處的疲勞壽命均有了較大提升，達(dá)30%-50%。

探索了電池包的拓?fù)鋬?yōu)化方法，完成了多工況組合下的多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化，得到耐久性最高、質(zhì)量最輕的電池包結(jié)構(gòu)，供同類汽車車型借鑒參考。

基金項(xiàng)目：廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2023年院中青年項(xiàng)目（XJ2022000701）。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫磊.特斯拉、零跑加碼CTC電池技術(shù)：布置空間增14.5%綜合續(xù)航提10%[N].每日經(jīng)濟(jì)新聞，2022-04-28（006）.

[2]上官文斌，岳煉，呂輝，等.基于載荷譜的電池包疲勞試驗(yàn)與計(jì)算方法[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，52（03）：50-56.

[3]秦玉英，曹俊杰.電池包聯(lián)合工況振動(dòng)疲勞仿真分析[J].電源技術(shù)，2023，47（12）：1579-1582.

[4]何振波，楊曼，王生朝，等.6061鋁合金儲(chǔ)氫氣瓶疲勞斷口分析[J].輕合金加工技術(shù)，2023，51（09）：54-57.DOI：10.13979/j.1007-7235.2023.09.010.

[5]劉昱甫.高速動(dòng)車組車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析與焊縫疲勞評(píng)估[D].大連：大連交通大學(xué)，2022.

[6]Se-Hyung K ，Dong-Woon H，Ho-Kyung K.Fatigue strength evaluation of self-piercing riveted joints of AZ31 Mg alloy and cold-rolled steel sheets[J].Journal of Magnesium and Alloys，2020，8（1）：241-251.