隨著電動車的保有量不斷增加，當電動車事故的數量與傳統燃油車的事故數量相當時，電動車電池的碰撞安全問題將會更為凸顯。在汽車碰撞事故中，電池包有可能受到擠壓而嚴重變形，也有可能在無明顯變形的情況下發生沖擊過載，從而有一定的熱失控風險。這方面比較著名的一個案例就是2014年發生的Tesla在高速行駛中發生地面物體撞擊而導致的事故，其電池包嚴重變形并發生熱失控著火。在可預計的將來，電動車所搭載的電池容量將繼續增加，潛在風險更大，動力電池的碰撞安全性問題已成為急需解決的問題。

 

相比于針對電池在熱和電濫用工況下的安全問題的研究，機械濫用工況下針對電池安全問題的多物理場仿真分析的研究相對較少。本文對目前有關電池單體、電池模塊以及電池包在機械載荷下多物理場分析進行了梳理。從研究尺度上看，電池碰撞安全研究包括了電池組份材料、電池單體、電池模組與防護結構以及電池包等各個層次。電池碰撞安全研究的的主要目標有：（1）理解機械載荷下電池單體的變形與失效特征以及與內短路觸發的關聯性，最終建立單體、模塊或電池包的損傷判據和損傷容限；（2）建立兼顧計算精度與計算效率的有限元仿真模型，指導電池包防護結構設計。從研究方法上看，需要對電池進行常規結構仿真分析和多物理場仿真分析。

△動力電池研究尺度

△常規結構仿真分析

△多物理場仿真分析

作為ANSYS中國高級服務商，優飛迪對動力電池仿真分析工具及其整體解決方案有著豐富的經驗和獨特的見解。動力電池的疲勞分析可以采用ANSYS nCode，強度與剛度及振動分析可以采用ANSYS Mechanical和LS-DYNA，跌落、沖擊、擠壓、針刺、多物理場分析可以采用LS-dyna。作為優飛迪科技的高級仿真工程師，下面小優將針對動力電池的多物理場仿真分析進行分享。

采用LS-dyna進行多物理場仿真分析需要使用LS-DYNA電阻加熱求解器和EM電磁求解器以及Randles等效電路模型。

△EM/熱/機械多物理場耦合

使用電阻加熱求解器的前提假設是未考慮渦流效應、無磁效應或任何其他靜電效應、沒有接觸的導體不會發生相互作用，其主要目的是研究電流通過導體產生的熱量，并觀察其對溫度的影響。特殊應用包括電阻點焊（RSW）和電池建模（在正常充電條件下和放炮期間）。當兩個導體相互接觸時，會產生短路，電流應在兩部分之間流動。這時，需要使用EM求解器檢測導體之間發生的潛在接觸。EM導體接觸搜索獨立于機械和熱的接觸。

△EM導體接觸搜索

使用等效分布電路（Randles電路）模擬電極中的電化學。

△LS-PREPOST中的Randle電路

△電池內部短路分析

△不同電流大小（不同SOC）下的HPPC測試

通過更長時間尺度上的測試發現，溫度效應更為重要。

△多速率容量測試驗證

△模型預測電流與實驗

熱預測表明數值和實驗數據之間的一致性為5-10℃（不包括內部電池>550s）。 

外部短路電流云圖.wmv

外部短路溫度云圖.wmv

電池單體擠壓與內部短路示意圖（電壓與時間）.wmv

一旦超過故障標準，Randles電路被直接短路取代。

△電池單體擠壓與內部短路示意圖（邊界條件）

△電池表面溫度隨時間的變化

A：centerof crush  B：10 mmfrom center

C：20mm from center  D：30 mm from center

使用厚殼單元模擬randles等效電路.wmv

釘子穿透30個電池組，產生孔洞（腐蝕）、短路和溫度升高。 

針刺與溫度變化.wmv

直接液體冷卻可能不是最好的熱管理。

浸沒在水中的模塊外部短路（Current density+SOC）.wmv

預計Ansys LS-DYNA R12中EM求解器電池模塊在今年下半年發布后，將對等效電路模型（ECM）進行擴展：

1、支持指甲穿透問題的侵蝕，并添加用戶定義的模型。

2、在熱求解器中添加熱失控模型（NREL的四方程模型）。

3、新增*BATTERY系列關鍵字，可用于建立電池單元詳細的一維電化學模型。可以與力學和熱求解器相耦合，更加真實的模擬鋰離子電池在受到外部熱載荷或者撞擊力時的熱失控現象。

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優飛迪依托世界知名仿真軟件大廠資源，憑借卓越的仿真技術團隊與“全心U 端到端服務”模式，在多物理場仿真領域贏得了中國眾多知名企業和機構的戰略合作，全程陪伴其仿真技術團隊的成長。

致謝：感謝ANSYS LS-DYNA資深仿真工程師王強提供相關資料。