鋰電池平面高速碰撞下建模與仿真

李正波

1 引言

隨著新能源行業的發展，鋰電池的應用比例正在迅猛增加。國家定向政策已經成為推動新能源汽車發展的重要動力。因此鋰電池在汽車行業慢慢占據主導地位。鋰電池的安全性也引起越來越多的關注，如針對單體電芯的標準GB/T31485和電池包的安全標準GB 31467.3是新能源汽車行業必做檢驗項目。在動力電池的測試中吳凱結合多年工程經驗總結出鋰電池實效機理，其中過沖、熱箱、針刺、擠壓和內短路是最為關鍵和最具代表性的安全測試項目。在電池擠壓測試中，Elham Sahraei安全實驗室提出crushablefo am模型，用于研究鋰電池在板壓過程中失效機理，Mohammed Yusuf Ali結合ElhamSahraei的實驗結果再加上ABAQUS中的hyperfoam，模擬了鋰電池在側壓過程中產生的彎曲效應。John Cannarella從隔離膜物理失效模型中，探討隔膜失效對整個鋰電池鈍壓的影響。MIT與清華聯合研究新能源汽車在使用18650情況下，使用簡化模型模擬汽車在運動過程中受地面突出物體穿刺的影響。本文在Elham Sahraei的基礎上討論平面擠壓速度對于鋰電池的影響。

2 某軟包電池平面擠壓實驗

面積較大的電池包在擠壓過程中需要更大的液壓擠壓機，由于設備受限，因此選用一個750mAhLCO的小型電池包被擠壓。使用500KN Instron擠壓試驗機。一共4個電芯被擠壓，擠壓過程中監控電壓。分別用4個不同的壓縮速度進行試驗，每個速率間隔一個數量級。速度分別從1mm/min到lOOOmm/min。該電芯為完全放電，以消除充電不均勻產生厚度方向上的尺寸差異。圖[3]中綠色部分為l mm/min壓縮速度時的應力應變圖。該曲線擬合為公式1-1，一個以泊松比為550MPa的線性方程。

該LCO電池包被擠壓了4mm，達到244KN。當力撤銷時，電池包外包裝已經裂開，電解液被擠壓到臺面上。擠壓力撤銷后，電池每層出現較大程度的彎曲，其余三個電池包在加壓力撤銷后有同樣的現象見圖。該現象可能由于電解液與粘結劑PVDF被擠出，導致層與層之間液體張力和微弱粘結力消失，且在壓縮中短時間的塑形變形而后又撤銷壓力，造成隔膜回彈收縮，使得鋁箔，銅箔，等向內彎曲。

3 仿真分析

本測試利用改變擠壓速率對電池鈍壓濫用實驗的研究。圖[5]中實線為相同尺寸電芯在不同速度下的鈍壓測試得到的反饋曲線。該實測平面壓縮速度為l mm/min，lOmm/min，lOOmm/min，lOOOmm/min。 因此推測，在實際電芯擠壓測試中，若擠壓速度越大，反饋力度越容易達到標準值。MohammedYusuf一文從鋰電池側壓，利用反饋力與Crushable foam模型做對比，建立仿真模型得到較好的重合度。LS DYNA MAT 63根據文獻，此foam的曲線特性，在如圖第一區間壓縮時有一個屈服平面。在此區間中，foam因其自身的材料結構特征，表現為先有一定的線性拉升。隨后由于foam內部部分中空部分被壓縮，區間2主要表現為foam釋放空氣的力學特征。區間3表現為材料的本質特征，foam中的空氣已經釋放完畢，整個材料被壓縮，密度增加，此區間更表現為線性壓縮特征。每個區間的占比主要取決于原材料和中空部分的占比。

LS-DYNA線性輸入參數為：密度2.7g/cm3，楊氏模量500MPa，速度56.33km/h。模型4.8mm厚度，50mm長，30mm寬。擠壓兩個面設置為剛體，厚度方向電池劃分0.48mm高的網格，長度和寬度方向劃分為Imm的單元。長度方向一共50個單元，寬度方向30個單元，厚度方向10個單元。電芯使用Crushable foam的材料模型，其輸入密度為2.7g/cm3，其楊氏模量為550MPa，stress-volumetric strain數據由圖輸入，擠壓速度為Imm/min。

根據LSDYNA求解器得出平面壓縮LCO電池如圖3藍色線為仿真結果，與綠色實驗結果相符。仿真分析顯示，壓縮過程中容易從底部產生破壞，如圖4應力最大位于底部單元。與實驗結果相符。

在不同速度下仿真分析結果如圖5所示，速度分別為1 mm/min，10mm/min，lOOmm/min，lOOOmm/min，其中實線分別為各速度下的實驗值，虛線部分為仿真結果。圖中顯示仿真結果與實驗結果較為符合。因此LSDYNA中以crushable foam為LCO鋰電池的壓縮模型較為適合。可見鈍壓速度越快，電池包能給到的響應力就越快。

4 結語

crushable foam能夠在某些特定速度的鈍壓下仿真鋰電池的破壞性，且與實驗結果較為吻合。模擬汽車碰撞過程中的電池破壞影響，可以借用該模型能夠高效模擬鋰電池包在高速碰撞下的力學特性。該模型不足之處為，無法模擬出擠壓力撤銷之后，LCO軟包電池側邊開裂的現象，是因為該模型設計為壓縮過程中材料各項同性的材料，沒有加入鋁箔包裝，和內部各個極片以及電解液的詳細構造。