离散多层结构的面内力学行为

在电动车的机械滥用安全研究中，由于车内电池包的布置现状，整车的托底加载是威胁电池机械安全的重要工况之一。在托底载荷的作用下，电池主要受到的载荷形式为面内加载，即加载方向与电池的铺层方向平行（另一种典型的加载模式为面外加载，此时加载方向与电池铺层方向垂直）。

由于电池多层结构在面内载荷下所表现的复杂层间相互作用，迄今为止，人们对这种加载模式下引发的电池变形行为理解尚浅，很难针对这一工况开展电池安全设计。

受启发于电池的卷芯结构特点，本文将简要介绍离散多层结构在面内载荷下的塑性行为和断裂行为，进而引出对电池包设计的部分建议。下图展示了电池卷芯在面内压缩下的变形模式，并展示了本文研究离散多层结构的基本几何。

Ali et al. JPS. 2013

    通过离散多层结构的有限元仿真和运动学分析，笔者注意到上述结构可以在面内载荷下表现出一种稳定的压缩变形模式。而随着这种变形的不断发展，最终会出现多层结构的局部失效行为。这种力学表现和人们在电池面内加载中关注到的行为是高度相似的，如下图所示。笔者希望通过研究上述离散多层结构的面内行为，对解释真实电池的面内行为提供一些有价值的结论。

 我们注意到，在多层结构面内压缩下的整体变形过程中，有两种典型的变形模式广泛存在。出于描述的方便，笔者将其称为‘挤压元’。分析指出，由于一型挤压元不能稳定存在，二型挤压元被认为对离散多层结构的整体行为起主导性作用。通过解析建模，笔者发现二型挤压元在演化过程中会表现出‘力井’现象。该现象应该是导致离散多层结构发生稳定压缩演化的主要原因。

  此外，笔者通过解析计算发现，随着压缩过程的发展，二型挤压元中单层结构的轴向载荷变化是非单调的。这种行为特性会导致当结构压缩到一定深度时，轴向载荷达到材料屈服极限，进而引发单层结构压缩剪切带的形成并最终导致失效。以下给出了上述关于‘力井’和失效风险的非线性变化示意图。

这里应该说明，这种失效以前较少被力学研究人员们注意到，这主要是因为，在约束压缩下，材料的局部破坏并不会引发结构整体承载能力的丧失。然而在电池安全问题中，局部的失效与电池的内短路、热失控等问题高度相关。因此，研究离散多层结构在约束压缩下的局部行为被赋予了全新的工程意义。

随后，笔者结合挤压元的解析模型和有限元仿真讨论了系统参数对离散多层结构整体力学表现的影响，详情可以参考文末文献。其中，笔者注意到某些结论或许对实际工程问题有潜在应用价值，因此笔者通过实验尝试将部分分析结论在工程实际中进行了进一步的研究。

如下图所示，笔者设计了一种开展电池面内约束压缩测试的实验平台。该平台一方面可以开展不同压缩宽度下的测试，并可以检测电池的实时外部电压，以辅助确定电池的内短路发生时刻并决定实验的终止点。详细的数据处理流程可以参考文末文献。

  结果显示，随着压缩宽度的变化，电池在发生内短路前的最大吸能呈现出一种非单调的变化趋势。单体吸能全局最大值超过全局最小值的两倍以上。从工程的角度出发，这强调了电池装配时侧向约束对提升电池安全容限的重要性。特别是在实际电池包服役过程中，由于充放电或电池老化引发的电池厚度变化会不断改变电池单体的侧向边界条件，进而可能导致电池包的实际安全容限出现变化。这体现了对电池包面内受载下安全容限开展SOC相关性评价或老化程度相关性评价的必要性。

最后，这里给上述现象一个解释。

在压缩宽度较小的情况下，电池在此时可以形成显著的长程周期性变形模式。此时，卷芯多层结构的各个长度部分协同变形，因此对整体结构的吸能分析可以视做对某一段周期性结构的吸能分析。而根据我们对二型挤压元的分析，当压缩宽度极小（即接近电池厚度）时，二型挤压元压缩断裂的发生位移也极小。因此不难想象，在压缩宽度较小的情况下，随着压缩宽度的增加，离散多层结构的吸能可以出现一定的增加。

另一方面，当压缩宽度较大时，长程周期性结构的形成则相对困难，系统的随机性大幅增强。此时，由于周期性变形模式没有形成，局部变形集中，将大幅缩减卷芯结构的总体承载容限，进而导致了电池吸能出现局部极大值。

不难看出，为了提升电池装配体在面内载荷（例如托底冲击）下的安全容限，侧向约束的设计应该尽量使得卷芯结构可以形成长程周期性变形模式，这对抑制集中变形的出现是有利的。考虑到真实工况的复杂性，此时并不应该拘泥于均匀的电池单体侧向约束设计，而可以根据情况开展非均匀侧向约束设计。比如在电池迎冲击侧强化局部的侧向约束强度，而在远离冲击侧弱化侧向约束强度等。当然，应该注意这种力学设计可能会对电池的长期服役产生一定影响。

参考文献

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.