LS-DYNA电池行业应用介绍（二）

   

     

LS-DYNA等效电路模型

等效电路模型可用于电池的正常充放电、挤压、针 刺、跌落等滥用工况。

上图展示了常规的电化学模型，锂离子从隔膜的一极流向另一极，从而产生电流。想要模拟该微观电化学过程非常耗时，在工程上想要求解模组级别或pack级别的工况极为复杂。而我们可以将它简化为等效电路。LS-DYNA最高可支持三阶等效电路，目前使用较多的是一阶等效电路，将每一个正极和负极节点之间简化成等效电路。用户只需输入参数（或曲线） R0，R10，C10等，LS-DYNA可自动建立等效电路进行求解。

随后利用电路的发热r₀乘以i²，考虑可逆放热以及不可逆的焦耳热，同时考虑将热量反馈给电路，以及结构进行求解。

如何获得电路的参数？用户需进行不同SOC、温度与电流方向下的HPPC实验，拟合成相应的参数进行求解。

上图展示了某个短路工况，在结构变形最剧烈的区域，自动调用短路判距*EM_RANDLES_SHORT，发生局部短路时，使用阻值比较小的r₀替换原先的等效电路，并开始发生急剧的放电。

用户可以自行在K文件中编写C语言函数定义内短路判据。

LS-DYNA提供四种电路搭建模型，如实体单元模型（包含电芯所有层数的模型），可以使用*EM_RANDLES_SOLID关键字定义，进行正常的充放电。

同时，如果事先已定义了局部短路判定准则，还可以进行挤压仿真，挤压到一定程度，电流从另一侧流出，后处理软件中可以查看电流矢量图。

Ford进行的电池实验和仿真对比，实验包括了两种类型的电池A和B，材料与尺寸略有差别。分别进行HPPC放电实验后与LS-DYNA仿真结果对比。

上图可以看到实验与仿真的电压数据基本吻合。

后续可进行正常的充放电实验。上图展示了在不同倍率下进行放电实验（黑色曲线）与仿真（其他颜色曲线）对比，温度变化、电压变化、整体趋势，以及峰值等关键数据与实验数据吻合较好。

外短路模型设置。

假设该电池模型发生外短路现象，使用*EM_ISOPOTENTIAL_CONNECT关键字短路连接bus bar，发生短路和放电，热量从温度较高的bus bar逐渐传向内部。

在电池包里设置多个监测点，不同位置的电芯的电流、变化、SOC变化均可以在后处理软件中画出。右侧图表为实验（实线）中不同位置的温度与仿真（虚线）结果对比。

上图案例展示了单电芯的圆柱挤压工况下造成短路放电的实验及数据分析。

建立LS-DYNA实体单元模型，为每一层的电芯进行建模。

上图展示了仿真与实验的电压及温度对比。

若要使用*EM_RANDLE_SOLID进行Pack模组模型（包含上百层电芯）的挤压仿真，巨大的网格数需要消耗大量的计算资源。此时模型中可使用厚壳单元加速计算，每个厚壳单元仅包含1~2层电芯即可满足，且可考虑厚度方向的积分点上电的信息。

通过*PART_COMPOSITE_TSHELL在积分点上定义电材料，以及结构材料，包括比热容和电导率。

小球撞击厚壳单元建立的电芯模型，由于结构单元数量较少，计算速度也相对较快。

圆柱撞击厚壳单元建立的电芯模型仿真案例，动画模型中可以观测到电压变化，电流密度变化，SOC变化，以及相关云图。

除了方型和软包电池外，LS-DYNA电池模拟同样适用于圆柱型电池。上图为厚壳单元建立的圆柱电池模型挤压模拟。