Livermore Software Technology Corporation

2018年10月26日 上海

第三届LS-DYNA中国论坛

上海仿坤软件科技有限公司（LS-DYNA 中国）

动力电池挤压失效机理分析和仿

真预测

夏勇，潘哲鑫，罗海灵，陈冠华，周青

清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室

汽车安全与轻量化团队

2018年10月26日

2018 LS-DYNA 中国论坛

电动汽车碰撞着火事故2

背景 —— 动力电池系统层级与碰撞安全研究3

…

整车

电池系统

模组

电池单体

组分材料

主要内容4

I. 电池单体挤压工况损伤过程

受挤压电池的内损伤演化6

结构失效与内短路时刻一致

载荷-位移曲线出现“拐点”

直径13.0 mm球头挤压 直径13.0 mm圆柱挤压

载荷-位移曲线 刚度-位移曲线Luo H, Xia Y, Zhou Q. Journal of Power Sources, 2017, 357: 61-70.

软包电池挤压的中断试验（interrupted tests）7

“拐点”现象与电极-隔膜界面变化高度相关

加载到不同载荷水平，观察电极-隔膜界面变化 呈现明显损伤特征的电极数量变化情况

软包电池挤压过程的内损伤8

电极活性物质涂层断裂/脱层

隔膜陶瓷涂层与电极活性物质涂层粘附

不同组分材料平面压缩试验负极+隔膜样品出现“拐点”现象

隔膜与负极界面横截面SEM图像陶瓷颗粒嵌入石墨颗粒间隙

电极活性物质涂层开裂 隔膜陶瓷涂层剥离

完整的隔膜陶瓷涂层

电极活性物质涂层断裂强度9

建立评估活性涂层强度的方法，分析断裂/脱层失效强度的差异

为仿真模型提供界面失效参数

试件准备 试验设置

0 1 2 3 4 5 6 7

0

1

2

3

4

5

6

7

σ s (M

Pa)

σn (MPa)

Failure criterion calibrated

from test results

Failure criterion calibrated

from inverse method

0o

15o

30o

45o

60o

75o

90o

仿真逆向确定剪切强度

（等效应力云图）

断裂强度测试结果

Luo H, Zhu J, Sahraei E, et al. RSC Advances, 2018, 8(8): 3996-4005.

0°试件 90°试件

内短路发生时的断裂模式10

3 球头挤压 13mm

4 球头挤压 6mm

1 圆柱平头挤压 24mm 5 900 锥头挤压

2 球头挤压 24mm

局部面内失效

层间剪切失效

局部变形

两种断裂模式

– 双向拉伸导致的层内失效

– 剪切导致的层间失效

Comparative study of mechanical-electrical-thermal responses of pouch,

cylindrical,and prismatic lithium-ion cells under mechanical abuse

Wei, Li et al, SCIENCE CHINA Technological Sciences

21 3 4 5

断裂模式对内短路后电压与温度响应的影响11

0 100 200 300 400 500 600

0

10

20

30

40

50

Forc

e (kN)

Time (s)

F.

F.

F.

F.

F.

0

2

4

6 Disp. Cylinder φ24mm

Disp. Sphere φ24mm

Disp. Sphere φ13mm

Disp. Sphere φ6mm

Disp. Cone 90ο

Intrusio

n (m

m)

0

1

2

3

4 V.

V.

V.

V.

V.

Voltage (V)

Position along width direction (mm)

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

0

5

10

15

20

Position along width direction (mm)

Positio

n a

long length

directio

n (m

m)

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

0

5

10

15

20

Position along width direction (mm)

Positio

n a

long length

direction (m

m)

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

0

5

10

15

20

Position along width direction (mm)

Positio

n a

long length

direction (m

m)

0 20 40 60 80 1000

20

40

60

80

0

5

10

15

20

层间剪切失效 正负极层间错动 内短路概率高 电压下降快

内短路后电压变化 内短路后电池表面温度场分布

I. 小结

1. 电池挤压过程，伴随活性涂层的断裂与分层活性颗粒与隔膜的相互嵌入会显著影响电池结构刚度

2. 可以通过实验的方法标定，活性涂层失效强度

3. 电池内部结构失效模式包括层间断裂与层内断裂不同的失效模式会导致不同的内短路严重程度

12

II. 软包电池挤压力学特性与建模

锂离子软包电池材料信息14

项目 参数

标称容量 20 Ah

标称电压 4.2 V

厚度 7.2 mm

宽度 150 mm

长度 242 mm 0 25 50 75 100

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

充充充充充充充: 0.5C

充充

Cell 1

Cell 2

Cell 3

Cell 4

Voltage (V)

SOC (%)

充充

正极：NMC颗粒 负极：石墨颗粒

隔膜（正极）：聚合物 负极（负极）：陶瓷颗粒

电池充放电曲线

挤压载荷下的变形与失效15

结构失效与内短路时刻一致

载荷-位移曲线与SOC无关

直径13.0 mm球头挤压

直径20.0 mm球头挤压 直径31.0 mm球头挤压 直径13.0 mm圆柱挤压

不同SOC下电池挤压响应曲线

电池单体力学行为特征

– 拉伸性能与压缩性能差异明显

– 压缩过程中电池结构密实化，硬化率增大

– 显著的各向异性

MAT_126_Modified_Honeycomb

– 孔隙材料反映密实化过程

– 三个材料方向上允许输入不同应力-应变曲线

– 输入曲线上通过符号区分拉伸与压缩行为

软包电池均质化模型16

nAσ ε=

2

0

n

n

A RP w

H

π=

i i

a v e ra g e

i

t

t

σσ =

电池单体压缩行为标定

电池单体面内拉伸行为标定MD TD

正极 负极

隔膜 铝塑膜

软包电池均质化模型17

采用完全均质化等效，提高计算效率

能够准确预测不同工况下的载荷-变形响应

Φ13 球头挤压 εf=0.19 Φ20 球头挤压 εf=0.27 Φ31 球头挤压 εf=0.33

Φ13 圆柱挤压 εf=0.13 Φ26 柱面挤压 εf=0.16 Φ13 球头穿孔 εf=0.08

电池冲击加载的动态效应18

电池结构刚度随加载速度增加而增加 峰值载荷与变形极限（对应内短路发生）随加载速度增加而减小

限力机构示意图

中低速加载设备 高速加载设备

不同加载速度下载荷-位移曲线

电池结构刚度动态增强机理19

干燥后的组分材料压缩行为没有明显的应变率效应 电解液的存在对电池动态响应有显著影响

试验前后样品重量变化

压缩样品准备

平面压缩试验

不同压缩速度下载荷-位移曲线

电池结构刚度动态增强效应的解析模型20

由电解液在多孔结构中的渗流过程导致的额外压缩载荷：

压缩过程中电解液流动假设 解析模型预测结果

2

0 40

e le c tro ly te p42 2

p s p 4

0

0

1 (1 )7 5

41

HE RF v

v D H

H

δφφµ π

δδφφ

− −

= =Φ −

−

&

�Dp

vp

：动力粘性系数

：颗粒平均尺寸

：挤压速度

e le c tro ly teF

II. 小结

1. 进行了大量软包电池在不同挤压工况下的实验探究了软包电池的力学响应规律

2. 建立了能有效预测电池单体变形与断裂的等效有限元模型标定了挤压工况下的力学响应及失效准则

将模型与实际工况进行了验证

3. 探究了软包电池在不同加载速度下变形与失效机理的差异解析了软包电池在动态挤压下的力学响应受电解液影响的机理与规律

21

III.电池模组碰撞响应研究和结构优化

电池模组冲击测试 —— 试验设计和装置23

冲击头

电池模组

夹具

81.6 kg

10 m/s

40.0 kg

10 m/s

81.6 kg

7 m/sZ方向R40 圆柱形40.0 kg

10 m/s

Y方向60°楔形40.0 kg

10 m/s

Z方向R40 半球形40.0 kg

10 m/s

Y方向R40 圆柱形40.0 kg

10 m/sX方向，R40 圆柱形

①

②

③

落锤试验机

④ ⑤ ⑥ ⑦

冲击头

夹持和限位装置

消防器

材

高速摄像机电压

载荷

超动态应变仪

排气系统光源

100% SOC

电池模组冲击测试 —— 试验结果24

④

⑤

⑥

⑦

①

②

③ 0 8 16 24 320

5

10

15

20

0

50

100

150

200

0

3

6

9

12

0 4 8 1 2 1 60

5

1 0

1 5

2 0

0

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

0

3

6

9

1 2

0 2 4 6 80

50

100

150

200

0

15

30

45

60

0

3

6

9

12

载荷

(kN

)载

荷(k

N)

载荷

(kN

)

侵入

量(m

m)

电压

(V)

侵入

量(m

m)

电压

(V)

侵入

量(m

m)

电压

(V)

时间 (ms)

时间 (ms)

时间 (ms)

载荷 侵入量 电压

电池单体测试与表征 —— 单体模型的建立和验证25

0 1 2 3 40

30

60

90

120

试验 1

试验 2

仿真

载荷

(kN)

冲击头侵入量 (mm)

0 1 2 3 40

30

60

90

120

试验 1

试验 2

仿真

吸收的机械能

(J)

冲击头侵入量 (mm)

主要误差来源 均质化的卷芯和铝塑膜 被忽略掉的材料属性 接触算法和参数的选用

模型精度的主要评判指标 峰值载荷：冲击严重程度 吸能特性：耐撞性评价关键 变形模式：响应是否合理

单体模型 铝塑膜

卷芯

封口

单体两端上翘、卷芯被切断

与试验结果平均值相差 0.8%

峰值载荷处与试验偏差 6.6%

卷芯的变形和失效

模型验证试验R40 圆柱形冲击头，46 kg，3 m/s

单体的变形（侧视）

电池模组模型建立与验证 —— 详细结构模型26

0 10 20 300

50

100

150

200

载荷

(kN)

冲击头侵入量 (mm)

试验 1

试验 2

仿真

仿真结果与试验对比 峰值载荷：6.7%

最大侵入量：2.3%

吸收机械能：11.8%

0 10 20 300.0

0.5

1.0

1.5

2.0

吸收的机械能

(kJ)

冲击头侵入量 (mm)

试验 1

试验 2

仿真

其他组件 网格尺寸 网格数量

电池卷芯 0.92 ~ 3.07 140,288×8

电池铝塑膜 0.92 ~ 3.08 42,189×8

紧固螺栓 1.25 ~ 2.07 861×4

仿真结果

模组有限元模型

冲击头

载荷传感器 支撑板

电池模组

内部单体

模组整体

电池模组模型建立与验证 —— 内部损伤分析27

0 2 4 60.0

0.5

1.0

1.5

吸收的机械能

(kJ)

时间 (ms)

冲击头侵入量最大时刻

电池单体 散热片 塑料结构

0 2 4 60

120

240

360

单位质量吸收的机械能

(J/k

g)

时间 (ms)

冲击头侵入量最大时刻

电池单体 散热片 塑料结构

0 2 4 60.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

吸收的机械能

(kJ)

时间 (ms)

单体 1

单体 2

单体 3

单体 4

单体 5

单体 6

单体 7

单体 8

冲击头侵入量最大时刻

5.97%5.37%

5.49%

6.98%

16.65%

10.2%

29.96%

19.38%

123

45

67

8

单体7，损伤最轻

单体2，损伤最重

模组的内部损伤特点 单体是模组中承载的主体 顶部单体受损远甚于其他的 散热片具备吸能潜质

电池模组仿真

9.1%

3.1%

87.8%

23.4%

35.3%

41.3%

局部结构优化设计 —— 不同构型的对比28

0 3 6 9 120

50

100

150 H = 1 mm

H = 2 mm

H = 3 mm

H = 4 mm

H = 5 mm

载荷

(kN)

冲击头侵入量 (mm)

0 3 6 9 120.0

0.2

0.4

0.6

H = 1 mm

H = 2 mm

H = 3 mm

H = 4 mm

H = 5 mm

吸能占比

(-)

冲击头侵入量 (mm)

0

30

60

90

120

载荷

(kN)

载荷 吸能占比

0.00

0.15

0.30

0.45

0.60

吸能占比

(-)

0 2 4 6 8 100

50

100

150

单层铝板 USDH结构 圆管芯层结构

载荷

(kN)

冲击头侵入量 (mm)

0 2 4 6 8 100.0

0.2

0.4

0.6

单层铝板 USDH结构 圆管芯层结构

吸能占比

(-)

冲击头侵入量 (mm)

三明治板

USDH [3]

Navtruss[3]

Y-web [3] 圆管

BRAS [3] 半圆管

[3] Lee Y. Massachusetts Institute of Technology, 2005.

17.1% �

28.9% �

9.0 倍 �

6.9 倍 �

III. 小结

1. 对电池模组在冲击载荷的响应进行测试分析了模组的破坏失效模式和热失控风险

2. 开发了电池模组的冲击仿真模型用于分析模组变形和进行损伤预测

3. 提出了电池模组结构改进的优化思路分析了电池模组主要部分的承载和吸能贡献通过改变散热片结构提高电池模组的耐撞性

29

研究团队简介30

Lightweight Materials & Structures

轻量化材料与结构Impact testing of materials/joints

Prediction of material/joint deformation and failure

Impact failure and protection of traction batteries

Analysis and design of energy absorbing structures

Injury Biomechanics and Prevention

生物损伤力学与防护Injury biomechanics and injury mechanism of human

bodies under impact

Occupant safety and adaptive restraint system

Protection of vulnerable road users

Development of crash dummy models

Branch of State Key Laboratory of Automotive Safety

and Energy (ASE), Tsinghua University

周青 夏勇 聂冰冰

31

清华大学

汽车安全与节能国家重点实验室

汽车安全与轻量化团队