车用动力电池的挤压力学响应特性研究及碰撞安全性分析

发布时间：2021-01-17 23:13

　　电池包对电动汽车的碰撞安全性具有重要的影响。在车载碰撞、冲击等机械载荷作用下,电池包可能会发生变形并对动力电池造成挤压破坏,从而引发着火、爆炸等安全事故。因此,从根本上认识动力电池在挤压载荷作用下的力学响应特性和变形失效规律,对动力电池的车载应用、安全防护以及电动汽车的碰撞安全性评价具有重要意义。本文以方形铝壳磷酸铁锂电池为对象,研究电池在挤压载荷作用下的力学响应特性和内部短路失效规律,建立电池的力学有限元模型,并将其应用到电池挤压安全性和电动汽车碰撞安全性仿真分析中。首先,从宏观角度对单体电池进行整体平面挤压和局部球头挤压试验。根据挤压过程中电池的载荷、变形、电压和温度之间的关系,分析电池的力学响应特性、内部短路机理和失效破坏特点。试验结果为构建电池的有限元模型提供了指导,并以力的突变点作为内部短路发生的标志,将电池的力学失效转变为电性能失效。然后,从微观角度对电池内芯叠层材料进行多轴球头挤压试验,研究叠层材料的挤压失效特点、机械强度大小及其失效的先后顺序,分析电池内部短路的起因和发展过程。此外,通过多工况试验研究外壳、电解液、挤压方向、挤压位置等因素对电池力学性能和内部短路的影响,... 

【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：124 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

电动汽车安全事故案例

如图 1-4 所示。a）圆柱形锂离子电池 b）软包锂离子电池 c）方形锂离子电池图1-4 不同结构的单体锂离子电池圆柱卷绕式是一种很古典的电池构型，在镍氢、三元锂离子电池上得到了长期的应用，业界也积累了大量的生产设计经验。圆柱卷绕式的优点包括生产效率高、一致性好等，缺点包括圆柱外形导致的空间利用率低、径向导热差导致的温度分布问题等。由于圆柱电池的径向导热性能不佳，电池的卷绕圈数不能太多（18650 电池一般在 20 圈左右），因此单体容量较小，应用在电动汽车上时需要大量单体组成电池模组和电池包，连接损耗和管理复杂度都大大增加。与圆柱形电池是由单片的正、负极片卷绕成形的工艺不同，层叠式方形和软包电池是由多层的方形极片相互堆叠而成的。方形层叠式的电池与圆柱形电池相比

可以预测电池在挤压载荷下的力-变形响应以及在局部挤压工况下的短路发生时刻。a）软包电池压痕试验 b）软包电池三点弯曲试验图1-5 软包电池的分层有限元模型随后，Sahraei 和 Wierzbicki[26-27]又对 18650 圆柱形电池做了大量的力学试验，得到圆柱形电池的基础力学特性数据，并建立 18650 圆柱形单体电池内芯本构方程和均质有限元模型。经验证，所建立的模型能够正确表征电池的力学特性。后来，Sahraei[28]将上述建模方法应用到其他不同材料和不同尺寸的电池上。2012 年，Greve 等[29]采用径向压缩、三点弯曲和局部压痕试验方法，研究 18650 圆柱电池的力学响应特性，并提出不同于Sahraei的电池内芯本构模型。然后建立均质电池模型

【参考文献】：
期刊论文
[1]随机振动与冲击条件下电动车电池包结构响应分析[J]. 黄培鑫,兰凤崇,陈吉清.  汽车工程. 2017(09)
[2]锂离子电池机械完整性研究现状和展望[J]. 许骏,王璐冰,刘冰河.  汽车安全与节能学报. 2017(01)
[3]电动汽车电池包箱体及内部结构碰撞变形与响应分析[J]. 兰凤崇,刘金,陈吉清,黄培鑫.  华南理工大学学报(自然科学版). 2017(02)
[4]中国车用动力锂离子电池发展现状[J]. 墨柯.  新材料产业. 2016(09)
[5]铝箔力学性能的实验研究[J]. 郭战胜,王宇晖,朱建宇,冯捷敏.  实验力学. 2016(04)
[6]车用锂离子动力电池系统的安全性[J]. 何向明,冯旭宁,欧阳明高.  科技导报. 2016(06)
[7]18650型锂离子电池热失控影响因素[J]. 罗庆凯,王志荣,刘婧婧,薛云龙.  电源技术. 2016(02)
[8]锂离子电池热失控传播研究进展[J]. 杨明国,金鑫,李文斌.  船电技术. 2015(09)
[9]高温环境下18650型锂离子电池热失控过程的数值分析[J]. 薛云龙,王志荣.  安全与环境学报. 2015(04)
[10]动力电池技术与应用[J]. 祝斌.  船电技术. 2015(04)

博士论文
[1]电动汽车用锂离子动力电池SOC估算和SOF评估的研究[D]. 欧阳剑.华南理工大学 2016
[2]粘接剂与隔膜力学行为对锂离子电池失效及安全影响机理[D]. 陈建超.哈尔滨工业大学 2014

硕士论文
[1]应力及材料塑性变形对锂离子电池性能的影响[D]. 李宗赞.上海大学 2015
[2]车用动力电池多内热源生热模型和电热不一致性研究[D]. 郭巧嫣.华南理工大学 2015
[3]电动客车侧向被动安全仿真与结构优化研究[D]. 崔佳.北京理工大学 2015
[4]基于LS-DYNA的电动汽车正面碰撞仿真研究[D]. 侯永康.合肥工业大学 2012
[5]失效锂离子电池破碎特性研究[D]. 张涛.华东交通大学 2011
[6]汽车侧面碰撞安全性能计算机仿真与研究[D]. 王昆鹏.浙江大学 2008
[7]微型轿车侧面碰撞计算机仿真技术研究[D]. 赵唯.重庆交通大学 2008
[8]电动汽车的安全性分析[D]. 杨剑.湖南大学 2005



本文编号：2983776