摘    要：新能源汽車電池包在使用過程中，會因為一些輕微碰撞、沖擊或者長期振動等原因，對內部電池單體造成一定的影響，但影響程度不易觀察，如何對受損車輛的電池包損傷程度進行合理性的判定，甚至留出一個安全閾值，對于用戶來說至關重要。為了對電池系統的安全狀態進行評估分析，通過對某高比能電池進行試驗并通過LS-DYNA進行仿真分析兩個方面建立評價體系，首先對其進行放電容量檢測，確認樣品信息的一致性，然后對電池單體進行擠壓試驗與仿真分析，擠壓過程中分析其受力變化特性與擠壓推進位移的關系，最后擠壓至單體熱失控，因在試驗過程中無法判斷擠壓后電池變形的真實情況，進而通過仿真分析的方法，判斷電池在擠壓過程中的變形量演變過程。同時根據擠壓試驗得到的受力情況，用有限元的方式進行擠壓仿真分析，提取變形量、應力等變化特征，對擠壓過程中的電池損傷程度演變機理進行了分析。

關鍵詞：高比能電池;熱失控;擠壓;損傷;

0 引言

隨著新能源汽車的快速發展，動力電池裝機量不斷增加，而電池包在使用過程中，會因為一些輕微碰撞、沖擊或者長期振動等原因，對內部電池單體造成一定的影響，但影響程度不易觀察[1,2,3]，比如西安一電動車在碰撞后放置了24 h才發生起火，同時從客戶角度來說，大家對電池系統的安全性能也越來越重視，因此如何對受損車輛的電池包損傷程度進行合理性地判定，甚至留出一個安全閾值，對于用戶來說具有重要意義[4,5]。

那么電池單體在擠壓后，由于殼體和內部卷芯之間是有輕微間隙的，擠壓程度隨著內部間隙逐步縮小的過程中，電池的損傷演變情況如何是用戶和廣大科研人員十分關心的問題。文獻[6,7,8,9,10]的研究中開發了一個簡單但準確的單電池模型，用于在機械濫用條件下對電池進行安全評估，包括半球形沖頭，但沒有充分考慮數值模擬與測試結果在載荷-位移響應的關系。本文通過用最小加載速度逐步擠壓破壞的方法，分析電池輕微損傷后的受力變形的演變情況；同時結合仿真手段，模擬出高比能電池在緩慢擠壓過程中的殼體的受力情況、電池的變形狀態，從而揭示高比能電池在擠壓過程中破壞的演變規律。

1 樣品

1.1 高比能電池

高比能電池是指高體積能量密度及高重量能量密度電池。為緩解里程焦慮，電動汽車裝電量及續航里程呈逐年增長的趨勢，高裝電量的同時，為保持寬敞的車內空間并減少車輛總質量，高比能電池在未來市場上存在很大空間[11,12,13]。目前市場上廣泛應用的是鎳三元和石墨體系，高鎳三元和硅基這兩種材料在電芯安全方面以及在動力電池箱體優化設計上存有很大挑戰。因為高鎳導致結構穩定性較低，容易發生不可逆相轉變，導致循環和安全性能惡化。高鎳占比可以讓811電池有更強的活性，表現在電池總成就是有更高的能量密度和充放電倍率，在提升續航和提升動力性上都有較強的優勢[14,15,16,17]。

通過擠壓方法，觸發電池單體熱失控，分析其擠壓過程中參數變化趨勢，進而研究其受損后的狀態是研究輕微損傷的重要途經[18,19]。本文選擇了一款商用三元/石墨體系鋰離子811電池作為研究對象，其尺寸參數為270 mm×148 mm×94 mm。

1.2 放電容量

根據GB38031中規定對電池進行放電容量測試，在常溫環境（25±5℃）下對4款高比能單體電池進行放電容量測試，實驗步驟為：（1）用1 C電流對單體電池進行恒流充電至充電截止電壓4.2 V，再轉為恒壓充電，直到電流小于0.05 C，靜置1 h;(2）然后用1 C電流進行恒流放電至放電截止電壓2.8 V，靜置1 h;(3）循環4次并計算每一次的放電容量。取4次放電容量的平均值，結果顯示與樣品參數標稱一致性較好，如圖1所示。

圖1 電池單體放電容量測試結果  

2 擠壓

2.1 擠壓實驗

電池在擠壓力的作用下，殼體與內部卷芯之間的間隙會逐步變小，最后殼體變形侵入卷芯，內部結構破壞引發內短路，本文重點研究在殼體輕微損傷的情況下，電池的實際狀態，因此將加載速度調整到設備最低速度。在對隨機選取的4個樣品進行試驗過程中，為避免本次實驗發生意外，在帶有儲水的安全環境臺上進行操作。使用GB38031中推薦的為75 mm的半圓柱擠壓板進行加載，通過加載記錄電池在變形過程中力隨時間的位移曲線，最終加載至觸發電池單體熱失控，試驗過程如圖2所示，進而分析其熱失控過程中與擠壓力、變形位移的關系。

圖2 電池單體擠壓實驗結果 

在電池殼體受到擠壓后，內部結構被破壞，電池內部發生內短路，在加載過程中，加載力隨著時間的推移逐步增大，具體演變如圖3所示。由圖可知，電池在受到擠壓力的作用時，擠壓變形在9 mm以內時，力隨位移逐步增大至100 kN以內，隨后的過程中處于波動狀態，并且隨著位移增大迅速觸發熱失控，并且在日常的電動汽車碰撞事故中這種情形比較常見，因此將重點研究變形量在9 mm以內，變形程度為30%內這一階段，其結構形變程度與受力情況對于電池擠壓安全來說尤為重要，通過仿真分析手段，能夠準確模擬其擠壓過程。

圖3 電池單體擠壓力-時間結果 

2.2 擠壓仿真分析

電池是電動汽車能源系統的重要組成部分，其質量和性能對整車排放、安全性和使用壽命等方面都有著重要影響。在電動汽車的使用過程中，電池單體往往會面臨一些力學和物理變化，如碰撞、振動、溫度變化等。其中，電池單體擠壓損傷是一種普遍存在的情況，需進行分析和研究。擠壓試驗過程中并不能了解電池殼體力信號的情況，本次通過仿真和試驗結合的方法，進而對電池損傷程度進行分析研究。

針對電池在擠壓過程中，由于該過程為非線性分析，常用LS-DYNA進行求解，其擠壓過程建立經典動力學方程如式（1）所示：

式中：為仿真分析模型中建立的各個節點的加速度矩陣方程；為模型中建立的各個節點的速度矩陣方程；X為擠壓過程中的各個節點的位移矩陣方程；M為電池單體的質量矩陣；C為阻尼矩陣；K為電池單體的剛度矩陣方程。X

如果已知不同時刻模型的位移，給定初始速度，則根據對速度求導可得加速度，求解可得（T+ΔT）時刻系統的響應，對速度和加速度的導數采取中心差分方程進行計算可得：

將式（2）和式（3）式中求解得到的T時刻的速度和加速度代入式（1）中合并計算推導后，可以得到式（4):

其中：

通過求解式（6），即可得節點位移向量XT+ΔT矩陣方程，將節點位移向量代入物理方程，進行求解可得系統模型的單元應力和應變大小。

本次仿真分析基于常用LS-DYNA進行顯式動力學分析，通過對電池殼體進行模型建立，加載邊界條件與試驗條件保持一致。對電池單體進行仿真分析建模，如圖4所示。

圖4 電池單體擠壓仿真模型  

圖5 擠壓變形結果

通過仿真分析，發現殼體的應變如圖5所示，由于殼體厚度對殼體強度具有正相關關系，但擠壓初始過程中并未到達殼體的強度極限，因此在擠壓初始階段，電池殼體受力隨著變形量的增大逐步增加。

圖6 擠壓仿真應力結果

當擠壓變形程度剛好使殼體變形量為9 mm時間，仿真分析結果如圖6所示，此時最大應力為170 MPa，殼體強度大于其強度極限要求，并且發生了塑性變形，與試驗結果保持高度一致性。

通過分析其應力分布圖可以看出，電池殼體兩端變形較大，受擠壓后更容易因為殼體變形，導致其內部隔膜破裂，從而引發內短路，發生起火失控現象，其殼體機械損傷程度為兩端高，中間幾乎無損傷，兩端部位的變形量也變化較大，可見電池殼體在擠壓過程中，受到兩端較大變形，導致其內部隔膜破壞，發生內短路，進而失效。

擠壓仿真過程中，同時提取了X、Y、Z方向的擠壓力，如圖7～9所示。

圖7 X擠壓方向仿真結果 

圖8 Y擠壓方向仿真結果  

圖9 Z擠壓方向仿真結果  

圖1 0 仿真結果與試驗結果對比 

結果表明，沿著X擠壓方向受力最大，但同時在Y和Z擠壓方向上，由于擠壓變形后，擠壓力隨著電池單體發生不可逆的塑性應變，也會有擠壓力的波動，符合預計結果。提取得到電池單體在擠壓過程中受到的載荷實時曲線與試驗結果的曲線對比，如圖10所示，由圖可知二者趨勢基本一致。

在電池單體擠壓變形時，內部的正極和負極之間的隔膜可能會被擠壓或磨損，導致電解質泄漏或短路。同時，正極和負極之間的連接材料，如銅箔或鋁箔，也可能會破裂或斷裂，導致電池單體電性能力降低或失效。因此，電池單體的擠壓損傷分析既關注電解質泄漏，也關注連接材料的斷裂。具體來說，電池單體擠壓之后，應力會在單體內部產生分布。在材料的許用應力強度范圍內，應力構成與應變成正比例，這時單體材料具有彈性。但如果應力超過了材料的極限強度，單體開始發生塑性變形，這時應力與應變之間不再成比例，單體不再具有彈性，并可能出現裂紋或斷裂。在電池擠壓變形過程中，當載荷達到最大時電池會由于殼體強度失效、變形量增大導致其內部發生熱失控，因此對于電池單體乃至于電池包的設計，合理布置其內部結構設計，如何保護好電池包內部的電池單體，是提高電池包的防碰撞能力的最重要的考量，對于其安全性能的改善也是十分必要的途徑。

3 結束語

本文采用輕微加載的擠壓方式，對某高比能電池進行擠壓安全性測試分析，揭示了電池殼體變形量9 mm階段內，電池殼體的損傷情況，其受力大小隨著變形量的增大而增大。通過LS-DYNA有限元軟件對試驗過程進行仿真分析，復現了擠壓變現試驗過程，指出電池殼體強度失效、變形量增大對電池單體的影響情況，并且揭示了電池單體在擠壓變形過程中的應力分布情況，并指出對于提高電動汽車電池安全性方面不僅要考慮其結構強度，也要考慮其變形量的影響，從而改善電動汽車的安全性能。

該方法利用了試驗加仿真分析相結合的思路，因為單純的試驗也會存在誤差，只進行仿真分析缺失參照標準，因此采用虛實結合的方法進行有限元模型計算，最終得到了較為全面的結果數據，如仿真分析得到了整個變形過程中，X、Y、Z三個方向上力的波動情況，以及擠壓變形后的應力分布情況，為發生擠壓損傷后電池單體的受力變形情況提供數據參考。

最后，雖然從結構變化層面揭示了電池單體變形損傷機理，但這個變形損傷是在單體靜置狀態，在實車狀態不便于對電池單體進行檢驗，并且今后應繼續在實車使用過程中受到振動、沖擊等復雜環境時，是否會因為殼體發生了一定塑性變形，導致更容易發生內短路的方面進行研究，從而將電池的機械安全分析研究繼續推向前進。

參考文獻

[1] Liu W, Oh P, Liu X, et al. Nickel-Rich Layered Lithium Transition Metal Oxide for High-Energy Lithium-Ion Batteries[J].ChemInform, 2015, 46(26).

[2] 張新春,王俊瑜,汪玉林,等.基于膜力因子法的方形鋰離子電池沖擊動力響應研究[J].應用數學和力學, 2022, 43(11):1203-1213.

[3] Zhu J, Zhang X, Wierzbicki T, et al. Structural Designs for Electric Vehicle Battery Pack against Ground Impact[C]//SAE World Congress Experience,2018.

[4] Zhu J, Li W, Wierzbicki T, et al. Deformation and failure of lithium-ion batteries treated as a discrete layered structure[J]. International Journal of Plasticity, 2019(121):293-311.

[5] 王燦,馬盼,祝國梁,等.鋰離子電池長壽命石墨電極研究現狀與展望[J].儲能科學與技術, 2021,10(1):59-67.

[6] Sahraei E, Campbell J, Wierzbicki T. Modeling and short circuit detection of 18650 Li-ion cells under mechanical abuse conditions[J]. Journal of Power Sources, 2012,220(6):360-372.

[7] 董晴雯,王麗娟,陳宗渝,等.電池包側面碰撞仿真響應特性和安全性分析[J].南昌大學學報(工科版),2020,42(4):386-391.

[8] Bayraktar E, Kaplan D, Schmidt F, et al. State of art of impact tensile test(ITT):Its historical development as a simulated crash test of industrial materials and presentation of new"ductile/brittle"transition diagrams[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2008, 204(1/2/3):313-326.

[9] SandriniGiuliag.Department of Mechanical and Industrial Engineering, University of Brescia, I-25123Brescia, Italy. The Environmental Performance of Traction Batteries for Electric Vehicles from a Life Cycle Perspective[J]. Environmental and Climate Technologies, 2021,25(1):700-716.

[10] 蘭鳳崇,鄭文杰,李志杰,等.車用動力電池的擠壓載荷變形響應及內部短路失效分析[J].華南理工大學學報(自然科學版), 2018, 46(6):65-72.

[11] 李志杰,陳吉清,蘭鳳崇,等.機械外力下動力電池包的系統安全性分析與評價[J].機械工程學報,2019,55(12):137-148.

[12] Li H, Zhou D, Du C, et al. Parametric Study on the Safety Behavior of Mechanically Induced Short Circuit for Lithium-Ion Pouch Batteries[J]. Journal of Electrochemical Energy Conversion and Storage, 2020,18(2).

[13] Kumar A, Kalnaus S, Simunovic S, et al. Communication—Indentation of Li-Ion Pouch Cell:Effect of Material Homogenization on Prediction of Internal Short Circuit[J]. Journal of the Electrochemical Society, 2016, 163(10):A2494-A2496.

[14] 李永生.新能源汽車動力電池包擠壓性能分析[J].上海汽車, 2021(9):8-14.

[15] Chen H, Zhou G, Boyle D, et al. Electrode Design with Integration of High Tortuosity and Sulfur-Philicity for High-Performance Lithium-Sulfur Battery[J]. Matter, 2020.

[16] Sahraei E, Hill R, Wierzbicki T. Calibration and finite element simulation of pouch lithium-ion batteries for mechanical integrity[J]. Journal of Power Sources, 2012, 201:307-321.

[17] 程昀,李劼,賈明,等.鋰離子電池多尺度數值模型的應用現狀及發展前景[J].物理學報, 2015(21):1-16.

[18] 許輝勇,范亞飛,張志萍,等.針刺和擠壓作用下動力電池熱失控特性與機理綜述[J].儲能科學與技術, 2020,9(4):1113-1126.

[19] Zhang J, Ning L, Hao Y, et al. Topology optimization for crashworthiness and structural design of a battery electric vehicle[J].International Journal of Crashworthiness,2020(8):1-10.

文章來源：機電工程技術