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机械滥用下的锂离子软包电池结构失效机理与建模研究

【摘要】:随着电动汽车的快速普及,锂离子动力电池碰撞安全问题的重要性日益凸显。为提高动力电池碰撞安全性,需要对电池在机械载荷下的变形响应与失效特征进行深入研究。本研究采用试验研究、解析分析和有限元(FE)模拟等三种方法,揭示了动力电池在机械滥用载荷下的损伤机理,优化了预测电池结构失效的仿真手段,从而完善了对于动力电池碰撞安全性的认知,为电动汽车碰撞安全结构设计提供了基础和参考。针对软包电池单体在挤压载荷下变形容限低、失效风险高的特点,本研究对软包电池在准静态挤压工况下的损伤积累过程进行了细致分析。对不同荷电状态下的软包电池挤压试验结果表明,在没有外部约束的条件下荷电状态对电池单体力学响应没有显著影响。挤压过程中涂层与隔膜的界面变化会显著影响电池结构刚度,导致电池载荷-位移曲线上“拐点”的形成。加载过程伴随有活性物质涂层的断裂与分层现象,为测量活性涂层的断裂强度,建立了在不同剪切/拉伸比例下分离电极涂层的测试方法。本研究揭示了挤压工况下加载速度对电池力学响应的影响规律与机理。通过不同加载速度下的挤压试验揭示了软包电池单体在动态载荷下会出现载荷峰值降低、变形容限减小的趋势。通过对比试验发现,挤压情形下,软包电池力学响应的速度效应主要受电解液影响。进一步利用解析模型与仿真分析揭示了电解液对电池力学响应的影响机理。电解液具有较高的粘性,而电池结构中绝大部分是孔隙材料,挤压过程中,当电解液流过孔隙结构时,将产生较大的粘性耗散,导致额外的压缩载荷,增加了孔隙结构的整体刚度;另一方面,由于孔隙结构刚度增加,导致同等挤压位移下金属集流体的变形加剧,电池结构的断裂失效提前发生。两种机理分别解释了电池刚度的动态增强效应与变形容限的衰减。本研究中建立了软包电池单体均质化与非均质化等效模型,在尽可能降低计算成本的前提下,实现了对各种准静态加载工况下电池单体变形行为的有效预测。为进一步标定电池单体的失效行为,在等效模型中对比了不同失效准则的精度与适用范围。采用MMC失效准则的非均质化等效模型在不同加载工况下都能够获得较好的预测精度。

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