从单电芯的挤压、针刺测试到整车碰撞仿真的热失控分析

本文将介绍一种对电池碰撞安全进行仿真分析的工作流程。该流程基于LS-DYNA求解器，通过对力、热、电、电化学等多物理场耦合，搭建起了一套电池安全仿真框架，可对电动汽车发生碰撞时的电池情况进行模拟分析。

背景介绍

对于电动汽车而言，了解车辆在碰撞过程中的电池状况至关重要，这种情况虽少见，但确能够引发火灾甚至爆炸。为此，LS-DYNA开发了一种多物理场耦合模块，能将电动汽车碰撞时电池受撞击的情况考虑在内。

此前LS-DYNA已利用Randles等效电路开发出了一种能求解力-热-电磁-电化学的多物理场求解器。

这种Randles等效电路是分布式Randles电路，目的是用内部短路局部替换Randles电路，并使电流流过，这些短路足以引发放热反应或热失控。

仿真模型的选择取决于要仿真的物理尺度。

由于碰撞发生的时间通常在毫秒之间，热失控可能发生在碰撞后的几分钟甚至几小时后。为解决电池内存在的不同时间尺度问题，首先使用毫秒级时间步长进行结构仿真，当机械变形完成后，利用刚柔转换功能将结构转为刚体，并使用较大的时间步长进行电和热的计算，该过程可根据需要计算数分钟或数小时。

计算本身需要依靠大量试验来表征某些参数，如电芯的机械属性和热属性等，这些属性很大程度上取决于所用电芯的类型、化学原理、形状、尺寸、内部短路的起始时间、短路阻抗值等。此外，与温度相关的气体排放函数也很大程度上和电芯有关，因此这里采用Ansys实施一套工作流程，通过单电芯试验获取以上机械与热参数，这需要将机械变形与电芯内部短路的短路电阻值以及热建立关联。通过电芯试验获得输入参数，在整车碰撞的电池包内放入大量此类电芯，建立起含多物理场电池模型的电动汽车碰撞模型。

具体工作流程

选取单个电芯开展热滥用或机械滥用仿真来描述内部短路的发生，短路导致电芯温度增加，随后气体释放导致膨胀或漏气，接着引发装置着火，甚至在电芯之间传播蔓延，这是仿真的工作原理。

上图展示了一款近期仍在研究中的典型的车用级软包电池，它们在100%电荷状态下进行测试。

首先需要获得Randles电路参数，通过容量放电测试和HPPC测试得到。通过测试电芯可以收集Randles电路参数，以了解电芯在常规用途下的工作方式。接下来研究热滥用或机械滥用下会发生什么？如何引起内部短路？以及之后会带来什么样的后果？

上图展示了机械滥用测试，选取一个电芯，并使用压痕器以较慢的速度压凹电芯，由此测量得到力与位移曲线。与此同时测量电芯不同位置的电压以及温度的升高，随后发生热失控。

根据测试结果开展仿真，设置仿真参数以再现实验结果。首先可以采用*MAT_063可压碎泡沫材料构建力学模型，上图展示了使用四种不同的压头所产生的结果，对力-位移进行仿真与实验的对比。

由实验可知，使用该本构模型得到的结果与试验结果高度吻合，该电芯材料本构模型在这种情况下可以信赖。

通过实验可知，短路时电压有明显的变化，找出要重现实验中的电压下降所需的短路阻抗和判断短路发生的参数。如通过某些依赖于应变或温度的条件去触发电路短路，产生内部短路后，温度会明显上升。上图右下案例中前2.5s左右的黑色曲线表示的是由焦耳热引起的温度升高，它只与进入内部短路的环路电流有关，然后必须添加热失控或放热反应模型，以匹配后续的温度，也就是图中的红色短横线（实验值）。

热滥用的测试实验过程，由于不会产生任何机械变形，也不需要解决任何机械问题。同样还是使用和上述用于机械滥用实验相同的电芯，将电芯的一侧加热到大约700度，测量电芯与加热同一侧偏中间区域的温度，同样还有电芯另一侧不同位置的温度。通过这些测量数据发现，电芯有一段较长的加热阶段，不久这里就发生了热失控，随后将该电芯放入装置中来测量气压随时间的变化。由此既可以了解释放气体的压力随时间的关系，也可以测量实验结束时的气体成分，这样就可以了解气体的种类以及如何被电芯排放。

接着再次输入参数与实验结果进行对比，通过加热的第一个步骤（热失控之前），可以验证所输入的电芯比热容和热导率，然后得到代表内部短路的电压。

值得一提的是，LS-DYNA可以再现实验中的短路电压变化，这是一个先下降后上升的过程，长期以来我们认为，这是实验测量方法的问题。美国NREL实验室的研究人员同样观察到这个现象，同时他们也是LS-DYNA的使用人员，LS-DYNA开发团队与他们一起讨论了如何以数值的方式再现这些现象。

随后，在LS-DYNA仿真模型中添加热失控模型与放热反应模型，这里有两个模型可以使用，一个是一方程，另一个是NREL四方程。这两个模型可以相对准确地获得电芯的热失控温度分布和变化。

LS-DYNA在单电芯研究方面的新功能，LS-DYNA开发团队正在研究一种可以再现电芯气体排放的方法，它取决于温度和气流。上图展示了实验温度和压力与仿真模型的数值结果对比。

正常情况下得到电芯的上述参数后就可以进行整车碰撞测试，将许多电芯放在一起并连接，LS-PrePost可以实现电路连接，该功能也将进一步改进。

将电芯放入不同的电池模组，然后将电池组组合成一个电池包（图中红色部分），可以在后处理中观察在车辆碰撞中该区域电池的变形以及温度及电方面的变化情况。

那么电芯是否会发生局部内部短路？是否发生热失控？热失控是否会从一个电芯蔓延到其他的电芯？这些也是LS-DYNA持续的研究方向之一。

小结

LS-DYNA作为一款多物理场求解器，在搭建电池安全仿真框架上有了很大发展，可以进行力-热-电-电化学耦合。2015年LS-DYNA开发团队与Ford公司开始联合开展部分研究工作，基于能否对电池滥用进行建模合作开发模型，目前LS-DYNA可以为其他广大客户提供类似的功能，也是首个可以提供这类多物理场耦合功能的商业软件，尤其是在力学与其他物理场之间的耦合。仿真本身需要依靠实验测试来描述方程，欢迎广大业界和学术界同仁一起研究合作，以更好的帮助用户深入理解电池的工作方式，并组合成完整的电池功能，从而更好地开展电动汽车整车碰撞仿真。

---

更多内容分享，欢迎关注我们！

文章来源：2022 第五届LS-DYNA技术论坛，作者：Pierre L’Eplattenier，ANSYS, Inc. Principle R&D Engineer

视频链接：从单电芯的挤压、针刺测试到整车碰撞仿真的热失控分析

技术校对：王强， Ansys高级应用工程师；整理编辑：俞琴