Abaqus-18650电芯力学性能仿真
锂离子电池动态机械完整性的压缩研究摘要
Dynamic Mechanical Integrity of Cylindrical Lithium-ion Battery Cell uponCrushingJun Xu, Binghe Liu, Lubing Wang, Shi Shang
http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2015.03.025
随着锂离子电池（LIB）在汽车工业等多种行业中的广泛应用，研究其在动态载荷下的机械完整性对于车辆安全至关重要。本文首先基于锂离子电池准静态机械实验的前期工作，提出了一个新的基于力学强度理论的电池机械完整性准则。接着，考虑了电池结构和材料的应变率及惯性效应，研究了锂离子电池的动态力学行为。通过数值模拟和提出的电池机械完整性准则的结合，得到了不同的机械失效行为。最后，进行了参数研究，以更全面地揭示电池的动态机械完整性行为。研究结果可能为锂离子电池的动态力学行为和安全研究提供见解。
关键词：锂离子电池；动态行为；机械完整性；有限元模拟；电池安全
1. 引言
锂离子电池（LIB）对从混合电动车（HEV）和纯电动车（EV）到便携式设备如手机和微芯片等各种机械系统至关重要。特别是，LIB被认为是当今汽车中可用的最佳能量密度之一。然而，由于机械完整性问题，LIB可能会发生容量或性能衰减、短路引起的热问题、火灾或严重爆炸等不良后果，这些都威胁到电动车的安全。因此，对LIB机械完整性的研究受到了越来越多的关注。
2. 锂离子电池建模与校准
选择了圆柱形镍钴氧化物（NCA）锂离子电池作为研究对象。通过有限元模型描述了电池的几何形状及其网格。为了确保有限元模型的有效性，将数值模拟结果与先前的实验结果和其他文献进行了全面比较。典型的机械加载情况，如径向压缩、压痕、弯曲和穿孔，通过数值模拟来观察LIB的机械响应。
3. 锂离子电池的机械完整性准则
提出了基于统一强度理论（UST）的机械完整性准则，该准则是von Mises、Tresca和Mohr-Coulomb准则的广义形式，考虑了三个主应力。通过将先前LIB短路实验案例中的三维应力转换为主应力，并通过公式拟合所有情况的α值，来参数化α和eq σ Unified。
4. 结果
设置了从0.1 m/s到30 m/s不等的动态压缩速度作为边界条件，这些速度范围广泛覆盖了车辆事故中的冲击速度域。在不同的压缩速度下，LIB的载荷-位移曲线显示，在动态载荷下，整个LIB的等效刚度K'变得更大。在变形进入第二阶段后，力几乎保持恒定，形成了一个力的平台。在变形持续一段时间后，当整个结构进入密集阶段时，力突然上升。
5. 讨论
5.1 高速区域的动态机械完整性行为
在20 m/s至30 m/s的速度范围内，失效位移突然变化，因此有必要重新检查这一特定高速速度压缩区域内的行为。进行了更系统的参数研究，将较小的V值间隔设置为22.5 m/s、25 m/s和27.5 m/s。
5.2 不同压缩角度和位置的参数研究
加载位置和角度的基本配置在图中展示。这里，压头放置在LIB样品表面的某一点上，距离中心的距离为l，l从0mm变化到75mm。θ定义为压缩速度和垂直线之间的角度，θ从0变化到π/12，以弯曲的形式包括圆柱形电池的底部表面（张力）和顶部表面（压缩）。
5.3 不同电池容量的参数研究
电池容量可能会影响动态加载下的应力状态，因此通过考虑圆柱半径与长度比（r/L）来改变电池容量。在本节中，选择20 m/s作为冲击速度，因为动态效应很明显。
6. 结论
锂离子电池现在成为许多行业中广泛使用的电源，包括汽车工业。因此，LIB在动态加载条件下的机械完整性对电池安全至关重要，因为这是车辆工作条件的一部分。本文基于UST屈服准则建立了电池机械完整性准则模型，并使用经过实验数据验证的有限元模型的仿真结果。进一步地，考虑了动态效应，并将其包含在有限元分析中，以预测LIB的动态行为。仿真结果证明了应力波和惯性效应主导了LIB的失效模式。在较低冲击速度的情况下，失效区域和变形（应变）相似，但随着冲击速度的增加，失效区域逐渐向远离冲击点的地方移动。此外，参数研究还表明，冲击位置和角度可能会影响失效模式，冲击点越远和冲击角度越大，可能会导致LIB更容易失效。此外，在弯曲条件下电池容量有很大的影响，而在压缩和压痕条件下影响很小。
未来的研究应该关注LIB的动态行为实验，其中安全措施是充分的。同时，也迫切需要开发一个更成熟、通用和精细的数值仿真模型，以研究LIB在各种环境危险机械条件下的行为。这项研究可以作为未来研究中增强LIB机械完整性和安全的动态实验指导和工程设计的第一步。
基于本文材料数据，采用JC模型模拟18650电芯，评估电芯的结构力学性能，考虑以下几种工况：
结果展示：
