電池濫用
關(guān)注創(chuàng)建者：Ansys中國 創(chuàng)建時(shí)間：2020-07-16
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LS-DYNA在電池濫用上的多物理場仿真介紹
LS-DYNA在電池濫用上的多物理場仿真介紹【已結(jié)束】?直播時(shí)間：2020-07-09 16:00 LS-DYNA使用同一模型可以同時(shí)求解結(jié)構(gòu)-熱-電磁等多方面的多物理場問題，可以應(yīng)用在電池的擠壓方面，一次性得到結(jié)構(gòu)變形信息、熱信息、電流電壓及SOC剩余載荷等信息。
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電池濫用的實(shí)例教程
來源：汽車安全與輕量化 作者：劉原杰
機(jī)械濫用安全性是鋰離子電池安全研究中的一個(gè)重要組成部分，但目前的研究多集中于新鮮電池。近日，清華大學(xué)周青教授課題組以低溫環(huán)境下循環(huán)老化鋰離子電池為研究對象，對不同老化程度的電池進(jìn)行了從電池單體，到電池組分，再到形貌觀測的試驗(yàn)研究，評估了循環(huán)老化對鋰離子電池機(jī)械濫用安全性的影響，相關(guān)成果發(fā)表于近期的Energy Storage Materials期刊。
01、試驗(yàn)流程
電池老化：使用某商用軟包鋰離子電池進(jìn)行老化試驗(yàn)，電池容量為25Ah，正極活性物質(zhì)為NCM，負(fù)極活性物質(zhì)為石墨。采用0.8C的充放電倍率，在0攝氏度下對鋰離子電池進(jìn)行循環(huán)老化，當(dāng)電池容量分別衰減10%，20%和30%時(shí)，停止老化，加上新鮮電池（0% 容量衰減），共有四種不同老化狀態(tài)的電池進(jìn)行對比試驗(yàn)。四種老化狀態(tài)電池，按照老化程度由淺到深，分別代表新鮮電池、欠報(bào)廢電池、正常報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)電池和過報(bào)廢電池；
電池單體擠壓測試：使用1英寸球形擠壓頭，對電池進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)擠壓測試，擠壓過程中檢測電池力-電-熱響應(yīng)。當(dāng)擠壓力下降到峰值力20%時(shí)，擠壓頭自動停止，并保持在最低點(diǎn)，此后繼續(xù)監(jiān)測電-熱響應(yīng)直到2400 s。試驗(yàn)完成后，拆解電池，觀察不同狀態(tài)電池的斷裂形貌；
電池組分材料測試：對電池的正極、負(fù)極和隔膜開展拉伸和壓縮組分材料測試，對比新鮮電池和老化電池的試驗(yàn)結(jié)果，確定老化后電池單體擠壓響應(yīng)發(fā)生變化的主要來源；
電池微觀形貌觀測：在掃描電鏡下，觀察電池正極、負(fù)極和隔膜的微觀形貌變化。
展開 image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/upload/202105/952719f97f1a46cba23310a16b1c29fa.gif">
</div><p> 鋰離子動力電池作為電動汽車的主流動力源，具有高比能量的特點(diǎn)。而目前汽車用動力電池多采用數(shù)量較多的小容量電池進(jìn)行串并聯(lián)成組以滿足高能量的要求。這樣，汽車動力電池系統(tǒng)的安全問題就不再僅僅是電池單體的安全問題，而是電池成組安全問題。近年發(fā)生的汽車動力電池事故，均是由于電池組中的某一個(gè)電池單體發(fā)生熱失控后產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致周圍電池單體受熱產(chǎn)生熱失控。這樣，電池組內(nèi)的熱失控蔓延問題就是電池成組安全問題的主要關(guān)注點(diǎn)。</p><p> </p><p> 熱失控的發(fā)生劃分為三個(gè)階段，自生熱階段（50℃-140℃），熱失控階段（140℃-約850℃），熱失控終止階段（850℃-常溫），文獻(xiàn)提供的隔膜大規(guī)模融化溫度起始于140℃。</p><p> 如果周圍有其他電芯，則在此階段，通過把熱量向周圍傳播，熱失控可能向其他電芯蔓延。熱量可能通過連接的導(dǎo)電件傳導(dǎo)，也可能因?yàn)轶w積膨脹，原來保有間距的電芯，在此時(shí)已經(jīng)彼此貼緊，電芯殼體之間直接傳導(dǎo)熱量。蔓延不能有效阻斷，將產(chǎn)生整個(gè)電池模組爆炸燃燒風(fēng)險(xiǎn)。
展開 基于comsol的18650鋰電池熱濫用失控分析 ￥2500
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</div><p><br></p><p><br></p><p>熱失控是鋰離子電池最嚴(yán)重的安全事故，儲存在鋰離子電池內(nèi)部的電能和化學(xué)能在短時(shí)間內(nèi)大量釋放，使得鋰離子電池內(nèi)部的溫度甚至能夠達(dá)到900℃以上，同時(shí)熱失控中電解液、活性物質(zhì)分解產(chǎn)生的大量氣體會導(dǎo)致電池內(nèi)部的壓力急劇升高，甚至引起鋰離子電池的爆炸。為了保證在鋰離子電池的安全性，通常我們會在電池殼上設(shè)計(jì)一個(gè)防爆閥，在壓力過高時(shí)能夠及時(shí)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止熱失控中電池發(fā)生爆炸。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/upload/201909/7d5c73bb95e8419ea86442e5ee7bd214.gif"></p><p> 對于18650電池而言，防爆閥設(shè)計(jì)在電池的上蓋之中，防爆閥還兼具了斷路器的功能，在電池內(nèi)部壓力升高到一定程度時(shí)，防爆閥動作切斷電流回路，當(dāng)電池內(nèi)部的壓力進(jìn)一步升高時(shí)，防爆閥結(jié)構(gòu)被破壞，釋放電池內(nèi)部的壓力，防止電池發(fā)生爆炸。之前我們主要是從原理上了解防爆閥的設(shè)計(jì)，由于18650電池上蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓我們很難直接看到在熱失控的過程中防爆閥動作過程。</p><p> 倫敦城市學(xué)院的Donal P. Finegan（第一作者）和Paul R.
展開 隨著電動車的保有量不斷增加，當(dāng)電動車事故的數(shù)量與傳統(tǒng)燃油車的事故數(shù)量相當(dāng)時(shí)，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(yán)重變形，也有可能在無明顯變形的情況下發(fā)生沖擊過載，從而有一定的熱失控風(fēng)險(xiǎn)。這方面比較著名的一個(gè)案例就是2014年發(fā)生的Tesla在高速行駛中發(fā)生地面物體撞擊而導(dǎo)致的事故，其電池包嚴(yán)重變形并發(fā)生熱失控著火。在可預(yù)計(jì)的將來，電動車所搭載的電池容量將繼續(xù)增加，潛在風(fēng)險(xiǎn)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(jī)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(guān)電池單體、電池模塊以及電池包在機(jī)械載荷下多物理場分析進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)以及電池包等各個(gè)層次。電池碰撞安全研究的的主要目標(biāo)有：（1）理解機(jī)械載荷下電池單體的變形與失效特征以及與內(nèi)短路觸發(fā)的關(guān)聯(lián)性，最終建立單體、模塊或電池包的損傷判據(jù)和損傷容限；（2）建立兼顧計(jì)算精度與計(jì)算效率的有限元仿真模型，指導(dǎo)電池包防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從研究方法上看，需要對電池進(jìn)行常規(guī)結(jié)構(gòu)仿真分析和多物理場仿真分析。
△動力電池研究尺度
△常規(guī)結(jié)構(gòu)仿真分析
△多物理場仿真分析
作為ANSYS中國高級服務(wù)商，優(yōu)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(jīng)驗(yàn)和獨(dú)特的見解。動力電池的疲勞分析可以采用ANSYS nCode，強(qiáng)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(yōu)飛迪科技的高級仿真工程師，下面小優(yōu)將針對動力電池的多物理場仿真分析進(jìn)行分享。
展開 簡介：
LS-DYNA使用同一模型可以同時(shí)求解結(jié)構(gòu)-熱-電磁等多方面的多物理場問題，可以應(yīng)用在電池的擠壓方面，一次性得到結(jié)構(gòu)變形信息、熱信息、電流電壓及SOC剩余載荷等信息。
時(shí)間：
2020/07/09 16:00
內(nèi)容：
本次網(wǎng)絡(luò)研討會將介紹LS-DYNA中電阻加熱求解器的概念及應(yīng)用、結(jié)構(gòu)與熱耦合、兩個(gè)導(dǎo)體間的接觸等，以及電池模組、Randles 等效電路、實(shí)體單元模型、厚殼單元模型、Macro模型等相關(guān)內(nèi)容。
講師簡介：
王強(qiáng)
上海仿坤軟件科技有限公司仿真工程師。2013年于上海大學(xué)獲得固體力學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，其后一直在CAE相關(guān)咨詢公司從事LS-DYNA軟件的技術(shù)支持及工程咨詢項(xiàng)目服務(wù)，在ALE，S-ALE，ICFD，CESE，DEM，EFG，SPH，CPM，熱分析，隱式分析，用戶自定義材料，用戶自定義載荷和MPP等技術(shù)方面的應(yīng)用具有深刻的理解，已經(jīng)為中國的LS-DYNA客戶提供超過2000多個(gè)技術(shù)支持問題解決，同時(shí)在整車被動安全，航空發(fā)動機(jī)鳥撞，機(jī)匣葉片包容及整機(jī)傳力，飛機(jī)風(fēng)擋玻璃及機(jī)翼鳥撞，飛機(jī)水上迫降，返回艙著陸，直升機(jī)座椅吸能，星箭分離，減速傘折疊及展開全過程，安全氣囊及安全帶對標(biāo)等方面具有相應(yīng)項(xiàng)目分析經(jīng)驗(yàn)。
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電池濫用的最新內(nèi)容
隨機(jī)振動分析案例
(8) 新能源動力電池包PSD隨機(jī)振動及疲勞壽命計(jì)算
(9) 商用車電池包懸掛支架解決方案
(10) 電池包振動疲勞分析及改進(jìn)
(11) 新能源電池包擠壓仿真
(12) 新能源電池包機(jī)械沖擊仿真
(13) 基于Mechanical的新能源動力電池整包沖擊計(jì)算
(14) 基于ANSYS LS DYNA的新能源動力電池整包結(jié)構(gòu)碰撞計(jì)算
(15) 鋰離子動力電池濫用工況多物理場耦合仿真
陳剛
Altair CFD 技術(shù)經(jīng)理
▉ 主講題目：
融合、提效，CFD 模塊新看點(diǎn)
空氣動力學(xué)和氣動噪聲
基于LBM算法和GPU的高精度求解器
CFD+SEA耦合方法分析外流場和乘員艙噪聲
分析報(bào)告自動化
電池包熱電耦合和熱失控仿真
ECM模型模擬電芯充放電
基于化學(xué)反應(yīng)公式和集總參數(shù)方法的電池濫用工況仿真
2 美國標(biāo)準(zhǔn)
UL 2580∶2011《電動汽車用電池》主要評估電池的濫用可靠性以及在濫用產(chǎn)生危害時(shí)對人員的保護(hù)能力，該標(biāo)準(zhǔn)于2013年進(jìn)行修訂。
SAE在汽車領(lǐng)域擁有龐大、完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。
1 儲能電站鋰離子電池?zé)崾Э靥匦约把莼^程
目前國內(nèi)外對鋰離子電池單體的熱失控特性及演化過程研究主要集中在4個(gè)方面，即多種濫用條件下的電池內(nèi)部反應(yīng)時(shí)序規(guī)律、特征溫度規(guī)律、熱失控產(chǎn)氣規(guī)律和內(nèi)短路機(jī)理。
2015年LS-DYNA開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(gè)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(xué)與其他物理場之間的耦合。
整車分析級別的電池多物理場擠壓解決方案
LS-OPT + PACK邊框擠壓鋁厚度優(yōu)化
電池包沖擊損傷+振動疲勞損傷
Fluent電池?zé)峁芾?電池模塊
LS-DYNA新能源鋰電池機(jī)械濫用多物理場仿真
5.8 新能源動力電池包 PSD 隨機(jī)振動及疲勞壽命計(jì)算
5.9 商用車電池包懸掛支架解決方案
5.10 電池包振動疲勞分析及改進(jìn)
5.11 新能源電池包擠壓仿真
5.12 新能源電池包機(jī)械沖擊仿真
5.13 基于 Mechanical 的新能源動力電池整包沖擊計(jì)算
5.14 基于 ANSYS LS DYNA 的新能源動力電池整包結(jié)構(gòu)碰撞計(jì)算
5.15 鋰離子動力電池濫用工況多物理場耦合仿真
LS-DYNA中電化學(xué)模型同時(shí)支持SMP和MPP并行計(jì)算，可用于電池濫用測試，也可用于各種耦合問題。通過仿真，能夠建立電池系統(tǒng)的最小點(diǎn)火能量模型。基于該模型，可以在車輛的儀表板上安裝一個(gè)警告信息系統(tǒng)，當(dāng)電池系統(tǒng)的狀態(tài)達(dá)到失控臨界條件時(shí)發(fā)出警告，從而使車內(nèi)人員可以在電池發(fā)生熱失控之前安全逃離。
關(guān)于未來的發(fā)展方向，我認(rèn)為我們必須結(jié)合基于大數(shù)據(jù)的AI或機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。
電池出現(xiàn)安全問題的誘發(fā)因素很多
1電池本體：制造瑕疵、電池老化
2運(yùn)行環(huán)境：高溫低溫、水分粉塵
3外部誘因：外部短路、熱沖擊、電沖擊，碰撞
4電池濫用：過充、過放、過流、內(nèi)部短路
事故的演化
1電解質(zhì)分解、
2產(chǎn)生有毒氣體，可燃?xì)怏w
3電池鼓脹、殼體破裂
4引發(fā)爆燃，火災(zāi)
四、傳感器介紹
工采傳感代理的多款傳感器非常適合應(yīng)用于新能源電池儲能系統(tǒng)的安全防控檢測模組中
- 電池熱濫用模型
同時(shí)使用Fluent和Twin Builder在耐熱試驗(yàn)條件下仿真畢奧數(shù)小的電池熱濫用，使用TwinBuilder作為模板檢查熱濫用參數(shù)集。
結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
充電樁使用環(huán)境的復(fù)雜，不同部位的外殼材料有相對應(yīng)的選材要求，既要達(dá)到性能要求，也要經(jīng)濟(jì)適用。
