圆柱形电池在低成本塑料支架与镍片集成下的冲击载荷响应：并列与交错排列结构性能对比

【编辑推荐】本研究通过实验与有限元分析，揭示了圆柱形电池（18650型）在并列(inline)与交错(staggered)排列下受冲击载荷的失效机制。结果表明：塑料支架优先屈服吸能，镍片次之，最终电池变形；并列结构在15 m/s冲击下仍保持结构完整，而交错结构更早达到短路阈值（5.60-7.56 mm径向穿透）。该成果为轻型电动车（EVs）低成本电池包设计提供关键力学依据，尤其适用于改装内燃机车辆（ICE）的电动化需求。

　　

Highlight

本研究通过实验与数值模拟，系统分析了配备低成本塑料支架和镍片的圆柱形电池在并列与交错排列下的冲击响应。关键发现包括：

1. 1.

   失效序列：塑料支架首先屈服吸能，其次镍片失效，最终电池变形；

2. 2.

   结构优势：并列排列在所有冲击速度下均展现更高刚性，电池变形量较交错结构降低30%；

3. 3.

   短路阈值：模拟显示交错结构在15 m/s冲击时达到短路穿透阈值（径向5.60-7.56 mm），而并列结构全程保持电芯保护。

Finite Element Analysis

有限元分析揭示了传统实验难以捕捉的细节：

• •

  能量分配：并列结构吸能效率比交错结构高22%，应力分布更均匀；

• •

  变形控制：镍片在并列排列中通过面内变形分散冲击力，而交错结构因对角线载荷路径导致局部应力集中。

Results and Discussion

高速摄像记录显示：

• •

  塑料支架：其泡沫状力学特性（弹性模量1.2 GPa）有效缓冲初始冲击；

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  镍片：厚度0.1 mm的镍带在5 m/s冲击下发生脆性断裂，引发串联电池组断路风险；

• •

  温度关联：变形区域与Zhang等报道的放电热点（>60°C）位置高度重合，提示机械-热耦合失效机制。

Conclusion

研究证实：

1. 1.

   低成本塑料支架可作为牺牲结构，延迟电池短路发生；

2. 2.

   并列排列尤其适合空间受限的轻型电动车（如摩托/三轮车），其结构简单性可降低15%制造成本；

3. 3.

   该成果为电池包被动安全设计（无需AHSS或PCM等昂贵方案）提供新思路。