论文推荐|基于Abaqus圆柱形锂离子电池卷心可压碎泡沫模型的校准

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Calibration of Crushable Foam Models for the Jellyroll of Cylindrical Lithium-Ion Batteries

<Energies 2024, 17(6), 1360; https://doi.org/10.3390/en17061360>

摘要: 可压碎泡沫塑料模型被用来模拟在基本单调加载下的材料响应。对于行为的塑性部分，Abaqus/Explicit中默认的可压碎泡沫模型是体积硬化模型，其中屈服面通过体积压缩塑性应变演化，另一个可用的模型是各向同性硬化模型，其中屈服曲线位于压力-米塞斯应力平面的中心。本研究通过将这两种模型应用于简单的18650锂离子圆柱电池来检验两种模型的特性。计算电池模型包括外壳和表示电极组件的均质化卷曲。两种可压碎泡沫模型都经过校准，以表示均质化的卷曲的力学特性，并将载荷-位移关系与实验结果进行了比较。然后，我们分析了每种可压碎泡沫模型对卷曲的变形特性。

关键词：可压碎泡沫模型；圆柱形18650电池；各向同性硬化；锂离子电池；体积硬化

1、引言

如今，汽车工业对电动汽车电池的需求不断增长，需要高能量密度。随着锂离子电池（LIBs）的能量密度不断增加，滥用环境可能导致电池因突发内部短路而发生放热现象，并可能导致热失控，如火灾或爆炸。尽管其在实际使用中出现故障的可能性很小，但LIBs面临的一个关键挑战是安全问题。为了解决LIBs可能发生的一系列滥用问题，Underwriters Laboratories（UL）已经制定了许多标准和测试方案。UL法规目前用于评估与设计的短路滥用环境相关的特定安全风险，分类为外部短路、电气、机械和热滥用。

2、LIB在准静态条件下的数值建模

考虑了两个压痕问题以说明可压碎泡沫材料的校准程序。一个案例是由刚性方形板压入的可变形18650圆柱形LIB，另一个是由刚性圆柱形冲头压入的同类型电池。18650圆柱形LIB由外壳和卷心组成。电池将对称变形，因此仅分析一半即可节省计算成本。

外壳采用均质壳单元建模，未考虑端盖以简化。外壳由拉深的钢制成，高65mm，直径18mm，壁厚1.8mm。采用Abaqus/Explicit中的S4R 4节点曲面通用减积分壳单元进行建模。在外壳和卷心内部之间定义了接触条件。卷心假设为可压碎泡沫材料，包含在外壳内部。卷心的高度为58mm，直径为18mm。采用Abaqus/Explicit中的C3D8R 8节点线性八面体和减积分固体单元进行建模。

刚性地板和压头均采用Abaqus/Explicit中的R3D4 4节点3D双线性刚性四边形单元进行建模，而刚性圆柱形压头则被建模为3D解析刚性曲面。尝试了几种不同大小的网格和单元类型，以匹配局部变形量，并在表1中列出了截面属性和网格信息。

外壳表面与刚性压头之间的接触采用接触对建模。方形和圆柱形刚性压头均以解析刚性曲面的形式建模，使用了表面定义与刚体约束相结合。外壳内表面与卷心之间的接触采用接触对建模。两部分之间的摩擦系数为0.3。

材料

外壳的材料参数为：E=207GPa（杨氏模量），nu=0.3（泊松比），rho=7.85 g/cm3（密度），外壳的塑性性质由等效塑性应变由下式决定：

18650 LIB的卷心采用了可压碎泡沫模型。在该模型中，响应的弹性部分只能指定为线性各向同性弹性。对于行为的塑性部分，屈服曲线是一个椭圆，在静水压力（p）和Mises应力（q）平面上，Abaqus/Explicit中提供了两种硬化模型。对于体积硬化模型，其中静水压力加载被固定，屈服面通过体积压缩塑性应变演变，使得椭圆只在正压力方向增长；对于各向同性硬化模型，屈服面相对于椭圆中心对称演变，如图2所示。Deshpande和Fleck [14]为金属泡沫开发了各向同性模型。