LS-DYNA在动力电池机械滥用上的多物理场仿真

随着电动车的保有量不断增加，当电动车事故的数量与传统燃油车的事故数量相当时，电动车电池的碰撞安全问题将会更为凸显。在汽车碰撞事故中，电池包有可能受到挤压而严重变形，也有可能在无明显变形的情况下发生冲击过载，从而有一定的热失控风险。这方面比较著名的一个案例就是2014年发生的Tesla在高速行驶中发生地面物体撞击而导致的事故，其电池包严重变形并发生热失控着火。在可预计的将来，电动车所搭载的电池容量将继续增加，潜在风险更大，动力电池的碰撞安全性问题已成为急需解决的问题。

 

相比于针对电池在热和电滥用工况下的安全问题的研究，机械滥用工况下针对电池安全问题的多物理场仿真分析的研究相对较少。本文对目前有关电池单体、电池模块以及电池包在机械载荷下多物理场分析进行了梳理。从研究尺度上看，电池碰撞安全研究包括了电池组份材料、电池单体、电池模组与防护结构以及电池包等各个层次。电池碰撞安全研究的的主要目标有：（1）理解机械载荷下电池单体的变形与失效特征以及与内短路触发的关联性，最终建立单体、模块或电池包的损伤判据和损伤容限；（2）建立兼顾计算精度与计算效率的有限元仿真模型，指导电池包防护结构设计。从研究方法上看，需要对电池进行常规结构仿真分析和多物理场仿真分析。

△动力电池研究尺度

△常规结构仿真分析

△多物理场仿真分析

作为ANSYS中国高级服务商，优飞迪对动力电池仿真分析工具及其整体解决方案有着丰富的经验和独特的见解。动力电池的疲劳分析可以采用ANSYS nCode，强度与刚度及振动分析可以采用ANSYS Mechanical和LS-DYNA，跌落、冲击、挤压、针刺、多物理场分析可以采用LS-dyna。作为优飞迪科技的高级仿真工程师，下面小优将针对动力电池的多物理场仿真分析进行分享。

采用LS-dyna进行多物理场仿真分析需要使用LS-DYNA电阻加热求解器和EM电磁求解器以及Randles等效电路模型。

△EM/热/机械多物理场耦合

使用电阻加热求解器的前提假设是未考虑涡流效应、无磁效应或任何其他静电效应、没有接触的导体不会发生相互作用，其主要目的是研究电流通过导体产生的热量，并观察其对温度的影响。特殊应用包括电阻点焊（RSW）和电池建模（在正常充电条件下和放炮期间）。当两个导体相互接触时，会产生短路，电流应在两部分之间流动。这时，需要使用EM求解器检测导体之间发生的潜在接触。EM导体接触搜索独立于机械和热的接触。

△EM导体接触搜索

使用等效分布电路（Randles电路）模拟电极中的电化学。

△LS-PREPOST中的Randle电路

△电池内部短路分析

△不同电流大小（不同SOC）下的HPPC测试

通过更长时间尺度上的测试发现，温度效应更为重要。

△多速率容量测试验证

△模型预测电流与实验

热预测表明数值和实验数据之间的一致性为5-10℃（不包括内部电池>550s）。 

外部短路电流云图.wmv

外部短路温度云图.wmv

电池单体挤压与内部短路示意图（电压与时间）.wmv

一旦超过故障标准，Randles电路被直接短路取代。

△电池单体挤压与内部短路示意图（边界条件）

△电池表面温度随时间的变化

A：centerof crush  B：10 mmfrom center

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

使用厚壳单元模拟randles等效电路.wmv

钉子穿透30个电池组，产生孔洞（腐蚀）、短路和温度升高。 

针刺与温度变化.wmv

直接液体冷却可能不是最好的热管理。

浸没在水中的模块外部短路（Current density+SOC）.wmv

预计Ansys LS-DYNA R12中EM求解器电池模块在今年下半年发布后，将对等效电路模型（ECM）进行扩展：

1、支持指甲穿透问题的侵蚀，并添加用户定义的模型。

2、在热求解器中添加热失控模型（NREL的四方程模型）。

3、新增*BATTERY系列关键字，可用于建立电池单元详细的一维电化学模型。可以与力学和热求解器相耦合，更加真实的模拟锂离子电池在受到外部热载荷或者撞击力时的热失控现象。

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优飞迪依托世界知名仿真软件大厂资源，凭借卓越的仿真技术团队与“全心U 端到端服务”模式，在多物理场仿真领域赢得了中国众多知名企业和机构的战略合作，全程陪伴其仿真技术团队的成长。

致谢：感谢ANSYS LS-DYNA资深仿真工程师王强提供相关资料。