李正波

1 引言

隨著新能源行業(yè)的發(fā)展，鋰電池的應(yīng)用比例正在迅猛增加。國家定向政策已經(jīng)成為推動新能源汽車發(fā)展的重要動力。因此鋰電池在汽車行業(yè)慢慢占據(jù)主導(dǎo)地位。鋰電池的安全性也引起越來越多的關(guān)注，如針對單體電芯的標(biāo)準(zhǔn)GB/T31485和電池包的安全標(biāo)準(zhǔn)GB 31467.3是新能源汽車行業(yè)必做檢驗項目。在動力電池的測試中吳凱結(jié)合多年工程經(jīng)驗總結(jié)出鋰電池實效機(jī)理，其中過沖、熱箱、針刺、擠壓和內(nèi)短路是最為關(guān)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(jī)理，Mohammed Yusuf Ali結(jié)合ElhamSahraei的實驗結(jié)果再加上ABAQUS中的hyperfoam，模擬了鋰電池在側(cè)壓過程中產(chǎn)生的彎曲效應(yīng)。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(lián)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(chǔ)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(jī)，由于設(shè)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(jī)。一共4個電芯被擠壓，擠壓過程中監(jiān)控電壓。分別用4個不同的壓縮速度進(jìn)行試驗，每個速率間隔一個數(shù)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(chǎn)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(yīng)力應(yīng)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(dá)到244KN。當(dāng)力撤銷時，電池包外包裝已經(jīng)裂開，電解液被擠壓到臺面上。擠壓力撤銷后，電池每層出現(xiàn)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(xiàn)象見圖。該現(xiàn)象可能由于電解液與粘結(jié)劑PVDF被擠出，導(dǎo)致層與層之間液體張力和微弱粘結(jié)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(nèi)彎曲。

3 仿真分析

本測試?yán)酶淖償D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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。MohammedYusuf一文從鋰電池側(cè)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(jù)文獻(xiàn)，此foam的曲線特性，在如圖第一區(qū)間壓縮時有一個屈服平面。在此區(qū)間中，foam因其自身的材料結(jié)構(gòu)特征，表現(xiàn)為先有一定的線性拉升。隨后由于foam內(nèi)部部分中空部分被壓縮，區(qū)間2主要表現(xiàn)為foam釋放空氣的力學(xué)特征。區(qū)間3表現(xiàn)為材料的本質(zhì)特征，foam中的空氣已經(jīng)釋放完畢，整個材料被壓縮，密度增加，此區(qū)間更表現(xiàn)為線性壓縮特征。每個區(qū)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?yún)?shù)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(shè)置為剛體，厚度方向電池劃分0.48mm高的網(wǎng)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(shù)據(jù)由圖輸入，擠壓速度為Imm/min。

根據(jù)LSDYNA求解器得出平面壓縮LCO電池如圖3藍(lán)色線為仿真結(jié)果，與綠色實驗結(jié)果相符。仿真分析顯示，壓縮過程中容易從底部產(chǎn)生破壞，如圖4應(yīng)力最大位于底部單元。與實驗結(jié)果相符。

在不同速度下仿真分析結(jié)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(jié)果。圖中顯示仿真結(jié)果與實驗結(jié)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?？梢娾g壓速度越快，電池包能給到的響應(yīng)力就越快。

4 結(jié)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(jié)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(xué)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(cè)邊開裂的現(xiàn)象，是因為該模型設(shè)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(nèi)部各個極片以及電解液的詳細(xì)構(gòu)造。