锂离子电池多尺度仿真方法及其在电池包碰撞安全中的应用

摘要

传统汽车不仅会造成严重的空气污染而且传统发动机的能量转化效率较低，人们对环保的要求使新能源汽车技术快速发展。在新能源汽车中，最实用，效率最高的能源就是电力。锂离子电池具有能量密度高和无污染的特点，这使得它被广泛应用于各种新能源交通工具。锂离子电池是电化学、热学、机械等多物理场耦合的复杂系统，它在材料、结构、形式和功能上的复杂性使得它在不同载荷下的力学性能与失效机理非常复杂。尤其是在车载的复杂环境中，电池容易受到挤压、冲击等机械载荷作用，可能对电池的内部结构造成破坏。电池机械完整性的破坏可能导致其内部短路、温度与压强过高、甚至起火和爆炸等现象，因此对锂离子电池力学性能和因机械滥用而引起的内部短路机理的研究非常迫切。本文从电池内芯材料入手，提出了建立多尺度锂离子电池力学模型的方法并应用到电动汽车的动力电池包的碰撞安全中，开展了以下的研究工作：　　(1)首先对电池内部结构进行了分析，参考了相关研究中对组成电池内芯的正极、负极和隔膜的压缩、拉伸实验以及对电池代表结构的压痕实验，为有限元模型的建立提供了数据。采用基于非线性有限元方法建立了电池内芯结构的精细化模型、电极均质化模型、完全均质化模型和不完全均质化模型四种不同尺度的模型，研究和建立了各个模型中材料的本构模型与失效准则，模拟了电池代表结构试样在压痕实验中的渐进破坏过程，其中完全均质化模型、电极均质化模型与不完全均质化模型可以通过表现隔膜的破坏来反映电池的短路行为。这几种数值仿真结果可以帮助我们理解电池内部的失效行为和机械滥用引起短路的机理。　　(2)将建立出的电池内芯有限元模型应用于电动汽车动力电池包的碰撞安全性中，分析了某种电池包在侧面刚性柱碰撞工况下的变形和内部电池的失效短路情况。通过混合利用不同尺度的模型，在准确表现电池内部短路的前提下大大提高计算效率，为大规模电池包的碰撞安全仿真提供了切实可行的方法。　　(3)研究了道路异物的几何模型和汽车底部碰撞的运动学形式，之后建立出了电池包底部碰撞工况的有限元模型，并混合利用了不同尺度的电池模型来分析电池的短路行为，评估了电池包在底部碰撞工况中的安全性。　　论文的研究工作对于理解和认识电池包在电动汽车碰撞过程中内部电池的机械响应与短路行为有重要的价值。通过建立和利用不同尺度的电池模型来分析电池包内部短路行为的方法具有一定的工程价值。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1课题研究的背景和意义

1.1.1电动汽车的碰撞安全性

1.1.2动力电池的种类及锂离子电池的优点

1.2国内外研究现状

1.2.1锂离子电池机械性能与失效短路的研究

1.2.2电动汽车和动力电池包的碰撞安全性研究

1.2.3目前研究存在的主要问题

1.3课题主要的研究内容及重难点

第 2 章 力学实验与多尺度模型建立

2.1引言

2.2材料及实验

2.2.1锂离子电池的材料及结构

2.2.2实验介绍

2.2.3实验结果与分析

2.3多尺度模型的提出

2.4精细化模型

2.4.1精细化模型中的本构模型与失效模型

2.4.2精细化有限元模型的建立

2.5电极均质化模型

2.5.1 电极均质化模型中的本构模型与失效准则

2.5.2 电极均质化有限元模型的建立

2.6完全均质化模型

2.6.1 完全均质化模型中的本构模型与失效模型

2.6.2完全均质化有限元模型的建立

2.7不完全均质化模型

2.8有限元模型的仿真计算结果与验证分析

2.8.1电池内部短路的失效判定准则

2.8.2模型的有效性验证

2.8.3精细化模型的仿真结果分析

2.8.4电极均质化模型的仿真结果分析

2.8.5完全均质化模型的仿真结果分析

2.8.6不完全均质化模型的仿真结果分析

2.8.7四种模型的对比与适用性

2.9本章小结

第 3 章 动力电池包在侧面刚性柱碰撞工况下的安全性

3.1引言

3.2电池包的结构与几何建模

3.2.1电池包结构

3.2.2电池包几何建模

3.3电池包的有限元建模

3.3.1单元的选择、网格划分及连接的建立

3.3.2材料属性定义

3.3.3多尺度模型的混用

3.4侧面刚性柱碰撞工况有限元模型的建立与验证

3.4.1侧面刚性柱碰撞工况有限元模型的建立

3.4.2模型的有效性验证

3.5侧面刚性柱碰撞工况下电池包的安全性分析

3.5.1电池包碰撞过程分析

3.5.2电池包结构的安全性分析

3.5.3电池单体的安全性分析

3.6本章小结

第 4 章 动力电池包在底部碰撞工况下的安全性

4.1引言

4.2 道路异物几何模型与底部碰撞运动学分析

4.2.1 道路异物的几何模型

4.2.2 底部碰撞运动学分析

4.3底部碰撞工况有限元模型的建立与验证

4.3.1底部碰撞工况有限元模型的建立

4.3.2多尺度模型的混用

4.3.3 模型的有效性验证

4.4底部碰撞工况下电池包的安全性分析

4.4.1 电池包碰撞过程分析

4.4.2 电池箱体与模组底座的安全性分析

4.4.3 电池单体的安全性分析

4.5本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文

致谢