电动汽车电池包在结构动态载荷下集成式设计与分布式设计的关键判据

《Proceedings of the Design Society》：A key indicator for integral vs differential design of battery packs in battery electric vehicles under structural dynamic loads

　　

电池电动汽车（Battery Electric Vehicles, BEVs）的电池包是一项多学科设计挑战，需要在成本、重量、体积、续航里程和充电时间之间取得平衡。作为最重且最昂贵的部件，电池包在振动和冲击下的可靠性与安全性至关重要。本研究提出了一种基于与车身耦合程度的指标，用于对BEV电池包的实测振动数据进行聚类分析，从而识别具有代表性的设计方案，并为未来更为集成化的架构推广振动行为规律。

电动汽车作为提升交通运输系统能效和减少温室气体排放的关键技术路径（Simaitis等，2025；Xia & Li，2022），其电池包是决定性能与经济可行性的核心，不仅影响储能容量，还决定了动态载荷下的可靠性与安全性，进而显著影响整车性能与生命周期成本（Haghbin等，2025；Rosewater & Williams，2015）。电池包是BEV中最昂贵的部件之一，其可靠性对于BEV的整体可用性、市场接受度及二手车残值具有关键意义（Hooper，2017；Hooper & Marco，2016）。据统计，约40%的电池包故障由内部短路引起，20%由外部短路引起，其中许多故障与振动相关或直接由振动诱发（Xiong等，2020）。振动可能导致各集成层级上连接松动、承载结构疲劳、偏转引起的接触状态非预期变化、异响、边界条件改变以及密封性能劣化，进而引发腐蚀问题（Ahlbrecht等，2025）。

电池包设计是一个涉及电气工程、机械工程、热力学和数据科学的多层级多学科优化问题（Kutka等，2018；J. Wang等，2024），存在多项相互冲突的目标：高功率与高能量、隔热与导热、机械固定与机械屈服变形、以及分布式与集成式设计等（Beibl等，2024）。其中，分布式与集成式设计权衡是本研究的核心焦点。在分布式设计中，电芯集成于模块，模块再构成电池包；模块结构可在一定程度上使电芯与路面激励产生的机械载荷解耦，但额外结构增加了总重并减少了"活性"电芯材料的有效体积。集成式设计（如电芯直接集成至电池包整体结构甚至直接粘接于车身）具有更轻的重量和体积，从而带来更低能耗，但严重故障时往往需整体报废，而分布式设计可通过更换单个模块实现维修（参见原文图1）。

汉堡应用科学大学（HAW Hamburg）的研究团队致力于开发大型电池包结构动力学的实际测试方法与装置。研究人员已对多辆BEV进行了加速度计和测量技术的布置，以获取路面载荷诱导电池包机械应力与变形的全面数据。该数据集涵盖九款不同车型在多种路面上进行的数百次测量（Heinzen等，2023；Hooper，2017；Hooper & Marco，2016；Plaumann，2022）。由于OEM通常仅共享非常有限的 design phase 信息，外部分析面临显著的信息缺失。因此，需要基于相关影响因素对 gathered data 进行聚类，以深入理解各参数的影响机制，并为未来测量活动的设计提供指导。鉴于BEV车型、电池类型和尺寸的巨大多样性，实验设计（Design of Experiments, DoE）需要清晰定义且相互独立的关键指标（Barad，2014；Jankovic等，2021），而现有的定量指标缺失对基于DoE的参数研究和测试方法开发构成重大挑战。

本研究旨在解决电动汽车电池包在结构动态载荷下集成式设计与分布式设计量化区分不足的问题，提出一种基于动态后生产测量来评估电池包结构集成度的关键判据。研究背景源于BEV电池包设计的多学科复杂性与日俱增的集成化趋势，目前缺乏能够独立于设计阶段信息、仅通过实测振动数据量化评估电池包与车身集成程度的有效指标，这制约了振动测试方法的优化和未来高集成度设计的验证能力。

研究人员开展了系统性的理论分析与实验验证工作。首先，研究团队构建了一个包含九款车型、数百次路面测量的大型BEV电池包振动数据库，覆盖了不同车辆设计、悬架参数、电池包-车身接口形式及路面条件。核心方法基于共振频率对质量的敏感性：当振动系统质量增加时，其共振频率将按公式 f_resonance = √(k/m) 发生变化。研究人员通过在乘员舱地板添加沙袋等质量块，测量电池包主弯曲模态共振频率在有/无附加质量条件下的偏移程度，进而计算附加质量与电池包振动系统的耦合因子 c。该耦合因子即作为量化电池包与车身结构集成程度的关键指标。模态质量参与系数 p 通过有限元分析或理论估算确定为约80%（基于边缘固定平移但允许旋转的简化边界条件）。具体计算公式为：c = [(m_vibrating/f_{change,factor}² - m_vibrating)/m_added]，其中 m_vibrating = m_pack × p。研究中采用模态置信准则（Modal Assurance Criterion, MAC）对加质量前后的模态进行映射匹配，当频率偏移较小时也可直接采用最近频率匹配。

研究结果显示，所提出的耦合因子指标成功实现了对不同车型电池包集成度的区分。较大且较重的电池包设计（如Tesla Model 3 Performance和Volkswagen ID.Buzz的大容量版本）表现出相对较高的耦合因子，这与初始预期相反——研究人员原以为更大的振动区域应有更多质量自由振动而非更小。分析表明，这些大型设计通过多个刚性固定螺钉将机械电池模块与地板部分紧密连接，从而形成了更强的结构耦合。相比之下，较小电池包（如Corsa E）主要依赖外框架固定，其振动中心的耦合较弱。该指标的有效性得到了验证，能够将车辆按集成度聚类，为振动测试规范的制定提供了数据支撑。

在讨论部分，研究人员坦承该指标存在一定局限性：积分式设计不仅仅是刚性连接、直接耦合和较少接口，产品架构及其子系统分解同样重要；某一子系统层级的高集成度可能在另一层级呈现低集成度。因此，该指标作为后生产分析工具，只能提供整体行为的粗粒度指示，无法替代设计阶段的详细架构信息。尽管如此，该指标对于缺乏OEM设计信息的第三方分析具有重要实用价值。

研究结论指出，所提出的耦合因子方法可用于聚类现有BEV电池包的路载振动测量数据，依据电池包与车身的耦合程度进行分类。该关键设计指标有助于识别哪些测量车辆能够代表何种集成度水平，从而推广电池包的振动行为预测至未来更高集成度的设计。基于现有结果，Tesla Model 3 Performance和Volkswagen ID.Buzz（均搭载最大电池版本）可作为高集成度设计的代表性车型，其振动特性在统计分析和测试规范制定中应获得更高权重或用于外推不同集成度水平下的振动特性变化趋势。最终测试方法与规范的设计仍是持续研究课题，未来工作将扩展测量车辆规模，并尝试通过拆解分析（tear down analysis）获取的产品架构信息验证所提指标的有效性。该研究发表于《Proceedings of the Design Society》。