基于多工況載荷譜耦合下的電動汽車電池包耐久性研究與優化

摘 要：隨著CTC底盤、電池一體化集成技術全面應用，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，本項目以某一廠家的新能源汽車電池包為研究對象，從電池包宏觀、微觀失效機理研究出發，探索載荷特性、靜態特性以及疲勞壽命分析方法，提出適應電動汽車可靠的電池包疲勞耐久性設計方法，解決電動汽車在顛簸路面上行駛電池包因負載復雜而無法準確進行耐久性設計的難題，為電動汽車的安全設計提供了參考。本文根據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，在電動汽車多工況下的載荷組合對現有的結構進行分析并優化，經過靜強度和疲勞強度分析，在三種存活概率下優化后電池包薄弱區域A處的疲勞壽命均有了較大提升，達30%-50%，同時探索了電池包的拓撲優化方法，完成了多工況組合下的多目標協同優化，得到耐久性最高、質量最輕的電池包結構，供同類汽車車型借鑒參考。

關鍵詞：電動汽車 電池包 載荷譜 疲勞強度

1 緒論

隨著國家能源戰略的大力推進，近五年新能源汽車展現出了強勁的增長勢頭，于2023年產銷達到空前950萬輛最大規模。盡管新能源汽車市場呈現出蓬勃發展的態勢，但仍面臨一些挑戰，如電池包作為新能源汽車的能量存儲單元，隨著比亞迪、特斯拉新能源汽車主力廠家發展CTC底盤、電池一體化集成技術[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，因此運用創新技術手段，尋求電池包耐久性設計解決方案成為供給側當下的緊迫任務。

新能源電動汽車在顛簸路面上行駛，電池包易受隨機振動激勵而開裂失效，雖然關于其耐久性設計，國內外取得了關鍵性成果[2-3]，但是由于其載荷的復雜性，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論。針對以上問題，本項目以某一廠家的新能源汽車電池包為研究對象，從電池包微觀失效機理研究出發，研究載荷特性、動力學以及疲勞壽命分析和優化方法，提出適應電動汽車可靠的電池包疲勞耐久性設計方法，為新能源汽車電池包設計提供理論指導。

2 電池包失效件微觀分析

對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]，發現斷口處有明顯的疲勞條帶，見圖2（a）框內。同時，采用掃描電鏡對斷口繼續分析，發現有大量的細小的酒杯狀微孔韌窩存在，見圖2（b）。斷口的這兩項特征均表明了電池包由于強度不夠發生了疲勞斷裂。通過結合電池包的載荷工況，可推理出電池包疲勞壽命的形成過程，主要包括：首先，電池包外殼經過一段時間的應用之后，因為受到拉壓循環載荷導致其萌生初始裂紋；其次，在拉壓循環載荷下，斷口表面隨著壓力的不斷增加，裂紋逐漸張開，裂紋持續擴展，越來越大；最后，疲勞裂紋瞬間斷裂，電池包的裂紋會瞬間出現斷裂，此裂紋即為肉眼可見的裂紋，如圖2。

3 載荷譜分析

由于電動汽車實際行駛的工況比較復雜，不可能精確地模擬實際行駛工況下的電池包載荷，根據我國的《汽車產品定型可靠性行駛試驗規程》規定，試驗車輛必須在預設速度下，依次在各類道路環境中行駛預定里程，并且行駛時需出現彎曲、急速轉向、緊急制動等三種典型工況，故選取汽車在城市路況中這三種典型工況進行分析。彎曲工況是指電動汽車在較平整路面上勻速直線行駛或水平靜 止狀態工況的模擬，主要載荷來源為車載重力。急速轉向工況主要是車輛轉向時在離心力的作用，車載部件會給車架施加一個側向載荷。緊急制動工況主要指車輛緊急制動時受到車輛前進方向的慣性力，這個慣性力成為其主要的制動載荷。根據三種工況特點，確定的加速度載荷的加載如表1。X軸：汽車前進的方向，Y軸：汽車急轉彎方向，Z軸：垂直車身方向。根據電池包是在多種工況下失效的真實情況，因此，按照不同工況汽車的工作時間占比，對多工況的載荷譜重構，確定多工況的合成載荷譜，用于后續的疲勞分析。

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汽車電池包，其總體結構如圖3所示，其組成主要包括上下蓋、安裝支座以及內部的電池模組。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域，因此通過疲勞分析重點關注焊接接頭處的疲勞強度。

為了減少白噪音對結果的影響，對電池包模型簡化處理，去除幾何小特征和其他部件，最終構建的有限元加載模型如圖4所示。電池包通過支架的螺栓連接在車架上，故約束螺栓中心點的平動和轉動自由度，模擬電池包與車架的固定連接。在電池包質量點上施加集中力載荷，模擬將正常行駛時重力、緊急制動慣性力以及急速轉彎側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面網格，形成離散單元為191890個單元。由于常用的電池包均為鋁合金材質，因此按其材質性能進行分析，具體性能參數如表2所示。

4.2 組合工況的電池包強度分析

采用以上模型以及邊界條件對現有的電池包結構進行強度分析，分析的結果如圖4，根據應力云圖可以看出在正常行駛、制動、轉彎疊加工況下電池包上蓋板截面過渡處的應力較大，如A、B、C處，數值達 190-240MPa，其中A、B處的應力已經與鋁合金的材料屈服極限相當，說明這兩處部位結構薄弱，從靜態強度和疲勞強度方面均存在失效的風險。由于電池包位于電動汽車的底盤位置，承載了汽車的80%重量（車身、駕駛員以及路況載荷）在上蓋板截面過渡處容易發生失效，說明上蓋板的強度不夠，需要增加其承載強度。

借助OptiStruct優化軟件，對電池包上蓋板進行了拓撲優化，得到其多目標協同優化下的結構，相比現有結構上蓋板的厚度由1.5mm增加到2.0，同時增加了上蓋板的拔模高度18mm增加到20mm（見示意圖5），目的就是根據載荷的傳遞路徑優化材料的流向，提高上蓋板的整體強度，防止在凹坑、土堆顛簸路面以及轉彎等偏載路況的失效。

依據和現有方案相同的載荷以及約束條件對上蓋板的優化方案進行強度分析，與現有的結構進行對比，確定優化是否有效。分析的結果如圖6，根據應力云圖可以看出在正常行駛、制動、轉彎疊加工況下優化后的電池包上蓋板截面過渡處的應力仍然較大，如A、B、C處，數值達130-190MPa，但是其數值均在已經鋁合金的材料屈服強度極限內，說明靜態強度滿足要求，安全系數達到1.3-1.6。將優化結構應力和現有的比較，A處的應力下降20%，B處的應力下降30%，C處的應力下降31%。

4.3 組合工況的電池包疲勞強度分析

電池包是電池的保護殼，它不僅要承載汽車正常行駛中的隨機載荷激勵，而且要承載汽車碰撞沖擊大載荷激勵，因此它的工況載荷復雜性決定了不能只進行靜態強度的分析。如果想準確的模擬電池包的實際載荷，預判其失效的風險，還需進行疲勞強度設計與疲勞壽命評估。根據推斷的載荷機理以及現有的組合工況載荷，按照不同工況汽車的工作時間占比，確定多工況的載荷合成，進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的虛擬載荷譜，用于疲勞壽命的評估。采用基于“From-To”型雨流矩陣外推法[5]，將電池包優化前后風險最高的A處應力進行外推，得到的應力譜如圖7，推斷數據總體的變化特性，外推后的幅值-均值頻次比外推前的增加2-3倍，說明該載荷譜在電池包的壽命周期內數據更完整，可以更準確的進行疲勞壽命預測。

由于疲勞壽命有一定的離散性，使得疲勞應力-壽命間的曲線，并不是一一對應的單值關系，而是與概率P相關，因此在可靠性設計中，需要根據不同存活率的S-N曲線評估疲勞強度，鋁合金不同存活率下的SN 曲線如下圖8所示。

根據PSN曲線，應用Miner 線性疲勞損傷法和名義應力法C=N*σm評估A處的優化前后疲勞強度[6]，結果如圖9。由結果可知，在三種存活概率下優化后電池包薄弱區域A處的疲勞壽命均有了較大提升，達30%-50%，按照保守的99%存活率設計，提升率能達到50%以上，說明優化后的電池包結構疲勞強度相對可靠，失效率較低。

5 結論

本項目以某一廠家的新能源汽車電池包為研究對象，從電池包宏觀、微觀失效機理研究出發，探索載荷特性、靜態特性以及疲勞壽命分析方法，提出適應電動汽車可靠的電池包疲勞耐久性設計方法，解決電動汽車在顛簸路面上行駛電池包因負載復雜而無法準確進行耐久性設計的難題，為汽車行業的結構耐久性設計提供了技術參考。

根據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。根據電動汽車多工況下的載荷組合，對現有的結構進行分析并優化，經過靜強度和疲勞強度分析，在三種存活概率下優化后電池包薄弱區域A處的疲勞壽命均有了較大提升，達30%-50%。

探索了電池包的拓撲優化方法，完成了多工況組合下的多目標協同優化，得到耐久性最高、質量最輕的電池包結構，供同類汽車車型借鑒參考。

基金項目：廣西生態工程職業技術學院 2023年院中青年項目（XJ2022000701）。

參考文獻：

[1]孫磊.特斯拉、零跑加碼CTC電池技術：布置空間增14.5%綜合續航提10%[N].每日經濟新聞，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與計算方法[J].華南理工大學學報（自然科學版），2024，52（03）：50-56.

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

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

[5]劉昱甫.高速動車組車體結構強度分析與焊縫疲勞評估[D].大連：大連交通大學，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.