【實戰經驗】動力電池行業振動/沖擊/擠壓等工況安全閾值(判斷標準)的進階理解

       電池包仿真行業內,如隨機振動仿真常用材料抗拉強度的1/5或屈服強度的1/3做為安全閾值,李某人參加過多次行業峰會,曾與從電池包行業十幾年的仿真專家和高校教授交流過,這個判斷標準的依據是什么?出自何處?答案都是判斷標準是行業經驗,通過大量的實驗驗證和修正得到,已經找不到出處源頭。對此李某人保持懷疑態度,直到開始研究疲勞仿真后,李某人才豁然開朗,從理論上找到了各個工況判斷標準的依據。

隨機振動

行業內常用標準:材料抗拉強度的1/5、屈服強度的1/3

工況解讀:隨機振動仿真模擬的是電池包長期服役工況,需滿足整車生命周期(10~20年)范圍內正常使用

【實戰經驗】動力電池行業振動/沖擊/擠壓等工況安全閾值(判斷標準)的進階理解的圖1

       如上圖,假設某一材料抗拉強度為200MPa,屈服強度為120MPa,則材料抗拉強度的1/5和屈服強度的1/3都為40MPa,該應力狀態下,材料可承受10^7次拉伸,此時材料具有無限壽命。以此特例說明,其實電池包中使用的大部分材料的抗拉強度的1/5≈屈服強度的1/3,且其應力值都≤10^7對應的應力值。也就是說當隨機振動的材料抗拉強度的1/5或屈服強度的1/3時,材料具有無限壽命,能夠滿足整車生命周期(10~20年)范圍內正常使用

       因此,材料抗拉強度的1/5或屈服強度的1/3為安全閾值的判斷標準,無論是行業經驗,還是理論推理,其核心思想都是使材料能夠長期服役,具備“無限壽命”。

機械沖擊

行業內常用標準:材料的屈服強度、屈服強度+2%塑性應變、抗拉強度

工況解讀:機械沖擊仿真是模擬整車行駛過程中遇到的溝坎等偶發瞬時載荷,需滿足整車生命周期(10~20年)范圍內正常使用

       相比于隨機振動的持續性,機械沖擊具有偶發性、瞬時性,機械沖擊發生后電池包需要繼續正常工作。如果機械沖擊導致材料發生塑性變形,會改變電池包的機械性能,影響后續使用。因此,嚴格上講,機械沖擊過程材料所受最大應力不能超過屈服強度,其核心思想是材料需要繼續正常工作,必須保持在彈性范圍內。

擠壓

行業內常用標準:材料的抗拉強度、侵入30%或100kN擠壓力時不起火不爆炸

工況解讀:擠壓仿真模擬整車受到碰撞所受載荷,屬于客戶濫用工況,只需滿足一次性安全防護即可

       相比于隨機振動、機械沖擊的長期服役要求,擠壓只需滿足一次性載荷即可。擠壓發生后,電池包發生肉眼可見的變形,即使能夠電池包還能夠正常工作,電池包都會報廢處理,以應對不可預測風險。因此,電器件材料允許發生變形,不允許超過抗拉強度,超過抗拉強度會有斷裂短路風險;箱體橫縱梁等非電器件允許超過抗拉強度,允許發生斷裂失效,但不能造成電器件熱失控。其核心思想是材料可以變形失效,一次性擠壓不發生起火爆炸即可。

       綜上所述,無論是什么工況,制定判斷標準的核心思想都是根據使用場景,使用壽命確定。因此,同學們只需要以不變應萬變,未來有新的標準新的工況,都可以有理有據的制定判斷標準,而不再是人云亦云。

       最后,也請同學們記住,判斷標準適用一般情況,通過判斷標準能規避99%的安全風險就是好標準,就像10^7可以被認為無限壽命一樣,規避99%也可以被認為是完美標準,因為沒有真正的無限壽命,也沒有真正的完美標準。


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