世界新動態(tài)：從單電芯的擠壓、針刺測試到整車碰撞仿真的熱失控分析

本文將介紹一種對電池碰撞安全進行仿真分析的工作流程。該流程基于LS-DYNA求解器，通過對力、熱、電、電化學等多物理場耦合，搭建起了一套電池安全仿真框架，可對電動汽車發(fā)生碰撞時的電池情況進行模擬分析。

背景介紹

(資料圖片僅供參考)

對于電動汽車而言，了解車輛在碰撞過程中的電池狀況至關重要，這種情況雖少見，但確能夠引發(fā)火災甚至爆炸。為此，LS-DYNA開發(fā)了一種多物理場耦合模塊，能將電動汽車碰撞時電池受撞擊的情況考慮在內(nèi)。

此前LS-DYNA已利用Randles等效電路開發(fā)出了一種能求解力-熱-電磁-電化學的多物理場求解器。

這種Randles等效電路是分布式Randles電路，目的是用內(nèi)部短路局部替換Randles電路，并使電流流過，這些短路足以引發(fā)放熱反應或熱失控。

仿真模型的選擇取決于要仿真的物理尺度。

由于碰撞發(fā)生的時間通常在毫秒之間，熱失控可能發(fā)生在碰撞后的幾分鐘甚至幾小時后。為解決電池內(nèi)存在的不同時間尺度問題，首先使用毫秒級時間步長進行結(jié)構(gòu)仿真，當機械變形完成后，利用剛?cè)徂D(zhuǎn)換功能將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)為剛體，并使用較大的時間步長進行電和熱的計算，該過程可根據(jù)需要計算數(shù)分鐘或數(shù)小時。

計算本身需要依靠大量試驗來表征某些參數(shù)，如電芯的機械屬性和熱屬性等，這些屬性很大程度上取決于所用電芯的類型、化學原理、形狀、尺寸、內(nèi)部短路的起始時間、短路阻抗值等。此外，與溫度相關的氣體排放函數(shù)也很大程度上和電芯有關，因此這里采用Ansys實施一套工作流程，通過單電芯試驗獲取以上機械與熱參數(shù)，這需要將機械變形與電芯內(nèi)部短路的短路電阻值以及熱建立關聯(lián)。通過電芯試驗獲得輸入?yún)?shù)，在整車碰撞的電池包內(nèi)放入大量此類電芯，建立起含多物理場電池模型的電動汽車碰撞模型。

具體工作流程

選取單個電芯開展熱濫用或機械濫用仿真來描述內(nèi)部短路的發(fā)生，短路導致電芯溫度增加，隨后氣體釋放導致膨脹或漏氣，接著引發(fā)裝置著火，甚至在電芯之間傳播蔓延，這是仿真的工作原理。

上圖展示了一款近期仍在研究中的典型的車用級軟包電池，它們在100%電荷狀態(tài)下進行測試。

首先需要獲得Randles電路參數(shù)，通過容量放電測試和HPPC測試得到。通過測試電芯可以收集Randles電路參數(shù)，以了解電芯在常規(guī)用途下的工作方式。接下來研究熱濫用或機械濫用下會發(fā)生什么？如何引起內(nèi)部短路？以及之后會帶來什么樣的后果？

上圖展示了機械濫用測試，選取一個電芯，并使用壓痕器以較慢的速度壓凹電芯，由此測量得到力與位移曲線。與此同時測量電芯不同位置的電壓以及溫度的升高，隨后發(fā)生熱失控。

根據(jù)測試結(jié)果開展仿真，設置仿真參數(shù)以再現(xiàn)實驗結(jié)果。首先可以采用*MAT_063可壓碎泡沫材料構(gòu)建力學模型，上圖展示了使用四種不同的壓頭所產(chǎn)生的結(jié)果，對力-位移進行仿真與實驗的對比。

由實驗可知，使用該本構(gòu)模型得到的結(jié)果與試驗結(jié)果高度吻合，該電芯材料本構(gòu)模型在這種情況下可以信賴。

通過實驗可知，短路時電壓有明顯的變化，找出要重現(xiàn)實驗中的電壓下降所需的短路阻抗和判斷短路發(fā)生的參數(shù)。如通過某些依賴于應變或溫度的條件去觸發(fā)電路短路，產(chǎn)生內(nèi)部短路后，溫度會明顯上升。上圖右下案例中前2.5s左右的黑色曲線表示的是由焦耳熱引起的溫度升高，它只與進入內(nèi)部短路的環(huán)路電流有關，然后必須添加熱失控或放熱反應模型，以匹配后續(xù)的溫度，也就是圖中的紅色短橫線（實驗值）。

熱濫用的測試實驗過程，由于不會產(chǎn)生任何機械變形，也不需要解決任何機械問題。同樣還是使用和上述用于機械濫用實驗相同的電芯，將電芯的一側(cè)加熱到大約700度，測量電芯與加熱同一側(cè)偏中間區(qū)域的溫度，同樣還有電芯另一側(cè)不同位置的溫度。通過這些測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，電芯有一段較長的加熱階段，不久這里就發(fā)生了熱失控，隨后將該電芯放入裝置中來測量氣壓隨時間的變化。由此既可以了解釋放氣體的壓力隨時間的關系，也可以測量實驗結(jié)束時的氣體成分，這樣就可以了解氣體的種類以及如何被電芯排放。

接著再次輸入?yún)?shù)與實驗結(jié)果進行對比，通過加熱的第一個步驟（熱失控之前），可以驗證所輸入的電芯比熱容和熱導率，然后得到代表內(nèi)部短路的電壓。

值得一提的是，LS-DYNA可以再現(xiàn)實驗中的短路電壓變化，這是一個先下降后上升的過程，長期以來我們認為，這是實驗測量方法的問題。美國NREL實驗室的研究人員同樣觀察到這個現(xiàn)象，同時他們也是LS-DYNA的使用人員，LS-DYNA開發(fā)團隊與他們一起討論了如何以數(shù)值的方式再現(xiàn)這些現(xiàn)象。

隨后，在LS-DYNA仿真模型中添加熱失控模型與放熱反應模型，這里有兩個模型可以使用，一個是一方程，另一個是NREL四方程。這兩個模型可以相對準確地獲得電芯的熱失控溫度分布和變化。

LS-DYNA在單電芯研究方面的新功能，LS-DYNA開發(fā)團隊正在研究一種可以再現(xiàn)電芯氣體排放的方法，它取決于溫度和氣流。上圖展示了實驗溫度和壓力與仿真模型的數(shù)值結(jié)果對比。

正常情況下得到電芯的上述參數(shù)后就可以進行整車碰撞測試，將許多電芯放在一起并連接，LS-PrePost可以實現(xiàn)電路連接，該功能也將進一步改進。

將電芯放入不同的電池模組，然后將電池組組合成一個電池包（圖中紅色部分），可以在后處理中觀察在車輛碰撞中該區(qū)域電池的變形以及溫度及電方面的變化情況。

那么電芯是否會發(fā)生局部內(nèi)部短路？是否發(fā)生熱失控？熱失控是否會從一個電芯蔓延到其他的電芯？這些也是LS-DYNA持續(xù)的研究方向之一。

小結(jié)

LS-DYNA作為一款多物理場求解器，在搭建電池安全仿真框架上有了很大發(fā)展，可以進行力-熱-電-電化學耦合。2015年LS-DYNA開發(fā)團隊與Ford公司開始聯(lián)合開展部分研究工作，基于能否對電池濫用進行建模合作開發(fā)模型，目前LS-DYNA可以為其他廣大客戶提供類似的功能，也是首個可以提供這類多物理場耦合功能的商業(yè)軟件，尤其是在力學與其他物理場之間的耦合。仿真本身需要依靠實驗測試來描述方程，歡迎廣大業(yè)界和學術界同仁一起研究合作，以更好的幫助用戶深入理解電池的工作方式，并組合成完整的電池功能，從而更好地開展電動汽車整車碰撞仿真。