LS-DYNA使用同一模型可以同時求解結(jié)構(gòu)-熱-電等多方面的多物理場問題,可以應用在電池的擠壓和針刺方面,可一次性得到結(jié)構(gòu)變形信息、熱信息、電流電壓及SOC剩余載荷等信息。多物理場電池擠壓和針刺采用分布式等效電路模型,可以模擬電池的局部短路,模型中電池電的相關(guān)輸入?yún)?shù)和熱的輸入?yún)?shù)可以與Fluent共用。
本系列將介紹LS-DYNA中電池結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的推薦材料模型,以及多物理場擠壓、跌落和針刺案例。
上篇:LS-DYNA電池行業(yè)應用介紹(一)
等效電路模型可用于電池的正常充放電、擠壓、針刺、跌落等濫用工況。
上圖展示了常規(guī)的電化學模型,鋰離子從隔膜的一極流向另一極,從而產(chǎn)生電流。想要模擬該微觀電化學過程非常耗時,在工程上想要求解模組級別或pack級別的工況極為復雜。而我們可以將它簡化為等效電路。LS-DYNA最高可支持三階等效電路,目前使用較多的是一階等效電路,將每一個正極和負極節(jié)點之間簡化成等效電路。用戶只需輸入?yún)?shù)(或曲線) R0,R10,C10等,LS-DYNA可自動建立等效電路進行求解。
隨后利用電路的發(fā)熱r0乘以i2,考慮可逆放熱以及不可逆的焦耳熱,同時考慮將熱量反饋給電路,以及結(jié)構(gòu)進行求解。
如何獲得電路的參數(shù)?用戶需進行不同SOC、溫度與電流方向下的HPPC實驗,擬合成相應的參數(shù)進行求解。
上圖展示了某個短路工況,在結(jié)構(gòu)變形最劇烈的區(qū)域,自動調(diào)用短路判距*EM_RANDLES_SHORT,發(fā)生局部短路時,使用阻值比較小的r0替換原先的等效電路,并開始發(fā)生急劇的放電。
用戶可以自行在K文件中編寫C語言函數(shù)定義內(nèi)短路判據(jù)。
LS-DYNA提供四種電路搭建模型,如實體單元模型(包含電芯所有層數(shù)的模型),可以使用*EM_RANDLES_SOLID關(guān)鍵字定義,進行正常的充放電。
同時,如果事先已定義了局部短路判定準則,還可以進行擠壓仿真,擠壓到一定程度,電流從另一側(cè)流出,后處理軟件中可以查看電流矢量圖。
Ford進行的電池實驗和仿真對比,實驗包括了兩種類型的電池A和B,材料與尺寸略有差別。分別進行HPPC放電實驗后與LS-DYNA仿真結(jié)果對比。
上圖可以看到實驗與仿真的電壓數(shù)據(jù)基本吻合。
后續(xù)可進行正常的充放電實驗。上圖展示了在不同倍率下進行放電實驗(黑色曲線)與仿真(其他顏色曲線)對比,溫度變化、電壓變化、整體趨勢,以及峰值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。
外短路模型設置。
假設該電池模型發(fā)生外短路現(xiàn)象,使用*EM_ISOPOTENTIAL_CONNECT關(guān)鍵字短路連接bus bar,發(fā)生短路和放電,熱量從溫度較高的bus bar逐漸傳向內(nèi)部。
在電池包里設置多個監(jiān)測點,不同位置的電芯的電流、變化、SOC變化均可以在后處理軟件中畫出。右側(cè)圖表為實驗(實線)中不同位置的溫度與仿真(虛線)結(jié)果對比。
上圖案例展示了單電芯的圓柱擠壓工況下造成短路放電的實驗及數(shù)據(jù)分析。
建立LS-DYNA實體單元模型,為每一層的電芯進行建模。
上圖展示了仿真與實驗的電壓及溫度對比。
若要使用*EM_RANDLE_SOLID進行Pack模組模型(包含上百層電芯)的擠壓仿真,巨大的網(wǎng)格數(shù)需要消耗大量的計算資源。此時模型中可使用厚殼單元加速計算,每個厚殼單元僅包含1~2層電芯即可滿足,且可考慮厚度方向的積分點上電的信息。
通過*PART_COMPOSITE_TSHELL在積分點上定義電材料,以及結(jié)構(gòu)材料,包括比熱容和電導率。
小球撞擊厚殼單元建立的電芯模型,由于結(jié)構(gòu)單元數(shù)量較少,計算速度也相對較快。
圓柱撞擊厚殼單元建立的電芯模型仿真案例,動畫模型中可以觀測到電壓變化,電流密度變化,SOC變化,以及相關(guān)云圖。
除了方型和軟包電池外,LS-DYNA電池模擬同樣適用于圓柱型電池。上圖為厚殼單元建立的圓柱電池模型擠壓模擬。
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