车用锂离子动力电池碰撞安全

本书为“节能与新能源汽车关键技术研究丛书”建设的重要组成部分，集中体现了在科技部中美清洁汽车联盟合作专项（2016YFE0102200）、国家自然科学基金项目“循环老化锂离子动力电池的碰撞安全性研究”（52172405）、“锂离子动力电池碰撞失效机理和表征模拟研究”（51675294）和“动力电池热失控的诱发与扩展机制、模型及抑制方法”（U1564205）支持下取得的研究成果。在车用动力电池系统能量密度提升和结构轻量化的发展趋势下，作为储能与供能的主体，动力电池组和车身结构的集成程度越来越高。在电动汽车碰撞这类极端工况的安全评估与结构设计问题中，动力电池既被视为保护对象，也需要在适当的变形容限范围内考虑其分摊外来冲击能量的可能性，充分优化碰撞能量吸收的路径。鉴于此，本书从动力电池碰撞安全设计的视角出发，从电池结构大变形力学分析入手，系统介绍了电池组分材料、电池单体、电池模组多个层级的测试和表征方法，详细阐述了机械载荷作用下的动力电池结构力学响应和失效行为特征，深入剖析了大变形破坏情况下的动力电池力、电、热响应的关联性；对应于不同应用层级，全面介绍了动力电池的结构力学仿真建模方法，并围绕动力电池多物理场建模的关键技术进行了细化讨论；结合试验和建模分析，从机理上揭示了若干内外因素对锂离子电池变形响应和失效行为的影响规律；最后，结合新能源车辆的典型碰撞工况和结构轻量化需求，介绍了几种具有代表性的动力电池碰撞防护结构改进设计思路。本书可作为车辆专业研究生和本科生开展电动汽车碰撞安全研究和动力电池系统安全分析的参考资料，也可为新能源汽车设计、安全性能评估和制造以及动力电池研制等相关企业研发工程师的工作提供参考。

夏勇，清华大学车辆与运载学院副研究员，博士生导师。兼任International Journal of Impact Engineering编委、国际自动机工程师学会（SAE International）车辆安全与网络安全技术分会共同主席、SAE International Journal of Materials and Manufacturing副主编、中国汽车工程学会汽车安全技术分会副秘书长、汽车轻量化技术创新战略联盟专家委员会委员。主要从事材料与结构大变形失效、动力电池碰撞安全和行人碰撞安全等研究。1998年获中国科学技术大学高分子物理学士学位；2004年获中国科学技术大学固体力学博士学位；2013—2014年在美国麻省理工学院访学期间开始动力电池碰撞安全方面的研究工作。主持和参与多项国家重点研发计划课题和国家自然科学基金课题，与通用、福特、大众、丰田等企业长期开展合作研究。发表学术论文100余篇，获国内外发明专利10余项。 周青，清华大学车辆与运载学院教授，博士生导师。兼任中国汽车工程学会汽车安全技术分会主任委员，International Journal of Impact Engineering副主编，International Research Council on Biomechanics of Injury (IRCOBI) 理事。研究领域为汽车安全、人体碰撞保护、材料和结构大变形失效、电池碰撞安全等。主持过多项国家纵向课题及国际合作项目，发表学术论文100余篇，并获得数十项中国和美国发明专利，主讲“汽车碰撞安全基础”课程，该课程获得“清华大学精品课程”称号及教育部首批国家级一流本科课程和“国家精品慕课”认定。1985年本科毕业于北京大学力学专业，1994年获得麻省理工学院（MIT）博士学位，1994年至1999年就职于美国通用汽车公司研发中心，1999年至2003年就职于美国联邦政府交通部Volpe研究中心，2003年开始在清华大学任教。

第1章电动汽车碰撞事故和碰撞安全设计需求1 1.1电动汽车典型碰撞工况分析1 1.2轻量化电池包的碰撞安全设计需求7 本章参考文献9 第2章电池多层级机械加载试验方法12 2.1锂离子电池机械加载试验概述12 2.2电池组分材料机械性能试验方法14 2.2.1组分材料的压缩性能测试16 2.2.2组分材料的拉伸性能测试17 2.2.3组分材料的穿孔测试20 2.2.4电极的箔材涂层界面强度测试20 2.3电池单体机械性能试验方法25 2.3.1电池单体准静态机械加载测试27 2.3.2电池单体动态机械加载测试29 2.4电池模组机械性能试验方法31 2.5本章小节32 本章参考文献33 第3章电池单体组分材料的力学性能分析和表征35 3.1组分材料基本力学特性概述35 3.2金属集流体的力学行为表征36 3.2.1金属集流体箔材的本构描述36 3.2.2金属集流体箔材力学测试结果与力学行为表征42 3.3活性涂层的力学行为表征49 3.3.1活性涂层孔隙材料的本构描述49 3.3.2活性涂层材料力学测试结果与力学行为表征54 3.4电极集流体箔材活性涂层界面强度表征63 3.5隔膜材料的力学行为表征65 3.5.1隔膜材料的本构描述65 3.5.2隔膜材料力学测试结果与力学行为表征69 3.6电池单体的封装材料79 3.7本章小结81 本章参考文献82 第4章受挤压电池的力学响应和变形失效特征86 4.1单体变形与失效特征86 4.1.1圆柱电池单体的变形与失效特征87 4.1.2软包电池单体的变形与失效特征90 4.1.3方壳电池单体的变形与失效特征97 4.2模组变形与失效特征100 4.2.1软包电池模组100 4.2.2方壳电池模组109 4.3本章小结112 本章参考文献113 第5章面向机械载荷工况的电池仿真建模方法115 5.1电池单体建模方法概述115 5.2电池单体的均质化模型116 5.2.1蜂窝材料模型的改进117 5.2.2DeshpandeFleck模型的改进127 5.2.3电芯均质化模型的电池模组仿真应用133 5.3非均质简化模型136 5.4精细化模型138 5.4.1精细化模型构建138 5.4.2模型计算结果139 5.5基于仿真大数据的碰撞失效预测模型142 5.5.1多工况参数化电池精细模型143 5.5.2电池单体碰撞挤压工况的多参数组合仿真矩阵145 5.5.3电池单体多工况碰撞失效仿真结果分析147 5.5.4基于仿真大数据的电池碰撞失效预测分类模型149 5.5.5基于仿真大数据的电池单体碰撞挤压失效回归模型155 5.6本章小结158 本章参考文献158 第6章挤压工况电池单体的力电热响应161 6.1不同压头挤压工况的电池单体力电热响应161 6.1.1电池单体机械响应与电热响应的关联性161 6.1.2内短路后电池单体的电热响应163 6.1.3变形和断裂模式165 6.1.4断裂模式对电池电压和温度变化的影响168 6.2不同挤压方向下的电池单体力电热响应169 6.2.1不同挤压方向下的电池单体机械响应特征169 6.2.2不同方向挤压下电池单体内短路和产热特性172 6.2.3不同挤压方向下的电池单体内部失效特征175 6.2.4断裂模式对开路电压和温度场的影响176 6.3机械载荷下电池单体的力电热多场仿真框架178 6.4本章小结186 本章参考文献187 第7章电池挤压力学响应的荷电状态敏感性192 7.1电池单体力学响应的荷电状态敏感性测试192 7.2组分材料力学性能的荷电状态相关性195 7.2.1高荷电状态的组分材料样品制备和拉伸测试方法195 7.2.2不同SOC电池的组分材料拉伸性能变化和空气暴露效应197 7.2.3高荷电状态的组分材料微观结构特征201 7.3荷电状态相关性的机理分析203 7.3.1两种电池的卷芯挤压试验204 7.3.2外部约束下软包电池的挤压试验204 7.4软包电池自由膨胀和约束反力207 7.4.1无约束软包电池单体的体积膨胀207 7.4.2约束单体反作用力的测量209 7.4.3电池膨胀内应力的解析模型210 7.5电池大变形力学行为的荷电状态影响机理214 7.5.1用于估算组分材料影响的解析模型214 7.5.2用于活性涂层压缩性能分析的离散元模型216 7.5.3考虑膨胀内应力的代表体元模型220 7.5.4考虑膨胀内应力的连续介质涂层模型222 7.5.5荷电状态相关的DPC模型224 7.6本章小结226 本章参考文献226 第8章电池碰撞挤压响应的动态效应228 8.1电池单体的动态挤压试验228 8.2电池结构刚度的动态增强效应229 8.2.1样品制备与层叠压缩试验230 8.2.2干、湿状态电池样品层叠压缩试验结果230 8.3电池刚度动态增强的解析模型232 8.4电池结构刚度动态增强效应的仿真研究236 8.4.1基于光滑粒子流体动力学（SPH）的模型236 8.4.2基于孔隙力学的有限元模型239 8.5电池挤压断裂的动态特征分析243 8.5.1基于等效模型的结构失效仿真分析244 8.5.2动态失效机理的试验验证245 8.5.3电池多层结构的断裂次序246 8.6本章小结249 本章参考文献250 第9章动力电池碰撞防护结构252 9.1动力电池的轻量化防护设计现状252 9.2电池模组结构优化设计254 9.2.1三明治夹层结构高度的影响255 9.2.2三明治结构截面构型设计256 9.3电池包结构的碰撞安全设计260 9.3.1电池包底部护板的结构形式261 9.3.2底部护板的聚合物涂覆设计265 9.4本章小结274 本章参考文献274