描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787568097796丛书名: 节能与新能源汽车关键技术研究丛书
深入剖析车用锂离子动力电池碰撞安全技术与方法，让你成为电池安全专家！
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；*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。
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
5.2.2DeshpandeFleck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
以道路车辆为代表的交通运载工具发展过程中，碰撞安全始终是贯穿其中的重要问题，随着技术革新，碰撞安全也不断被赋予新的内容。在车辆电动化与智能化转型的今天，作为新型动力源的动力电池，其安全性评价与设计已成为业界务必解决的关键难题。实际道路交通事故中屡屡出现的新能源车辆碰撞起火案例，则不断把动力电池碰撞安全问题推到台前。提升动力电池碰撞安全设计水平已刻不容缓。可以看到，近十多年来国际上动力电池安全研究领域不断推出突破性的技术成果和崭新理念，例如，清华大学欧阳明高院士领衔的电池安全研究团队在动力电池安全性和耐久性研究方面所做的卓越贡献，美国阿岗国家实验室等为代表的研究单位在先进电池材料等方面的重要研究突破，为新能源车辆的持续性发展提供了充足的技术支撑。聚焦碰撞安全，国际上较早的动力电池碰撞挤压安全研究起始于麻省理工学院Wierzbicki教授团队，国内则由著者所在的清华大学车辆安全与轻量化团队率先开展电池碰撞安全课题研究。十多年来两个团队在这一领域保持着紧密合作，针对动力电池的多层级、多尺度特点，在测试分析方法和模型开发技术等方面开展了系统研究，为电池碰撞安全技术发展奠定了较为坚实的基础。随着时间的推移，越来越多的国内外团队关注并致力于动力电池碰撞安全研究，在新模型、新技术不断涌现的同时，业界的新能源车辆安全设计技术水平取得有效提升、跃上新台阶，也推动了电池安全相关法规标准的不断补充和完善。在与相关企业合作开发和沟通交流中，我们感到有必要对过往的动力电池碰撞安全研究成果进行适当的梳理和总结，以帮助工程技术人员和研究人员系统掌握电池碰撞安全相关分析设计的基础知识，明确和把握研究思路和技术主线，快速了解具有代表性的研究进展。在指导研究生进行动力电池碰撞安全相关课题研究的时候，我们也时常琢磨，如果有一本关联性较强的参考书，或许可以更为有效地帮助他们吃透前人的研究成果，掌握重要的分析方法和关键的建模技术，针对新的研究目标制定更为合理的技术方案。这大概是我们三年前着手撰写本书的初衷。本书的完成幸得课题组的研究生、博士后相助，从整理素材、搭建框架、撰写文字、润色图表到调整修改，无不体现团队合作与努力；书中的原始素材和成果也离不开课题组若干博士和硕士毕业生的学术贡献。从*先分析小型电动车辆碰撞安全的硕士毕业生张颂安（后获得密西根大学博士学位）开始，到深入探究电池挤压失效特征和模型开发的罗海灵博士、李威博士、潘哲鑫博士、祝凌霄博士，还有其间在不同层级开展测试、表征和模拟工作的硕士毕业生蒋旭乾、陈冠华、石子彤、肖飞宇、赵天琪等，这些同学的学位论文构成了课题组在电池碰撞安全研究领域的丰富积累，系统性的研究成果为本书提供了宝贵素材。同时，对目前在美国东北大学任教的朱俊儿博士致以谢意，本书部分章节的素材来自双方多年的紧密合作。本书的撰写要特别感谢李威博士，他在本书的前期整理汇集阶段花费了大量时间和精力，也要特别感谢邢伯斌和敖文宏两位博士后，两位在本书各章节的修改完善阶段付出了辛勤的劳动。本书主体结构如下。第1章归纳总结典型的电动汽车碰撞事故特征，指出碰撞挤压条件和动力电池系统构型差异共同造成电池碰撞工况的复杂性，轻量化需求则给动力电池安全设计带来新挑战。第2章介绍电池组分材料、电池单体和电池模组三个层级的机械加载测试方法，这些方法服务于后续各章节的具体分析研究，为不同对象的力学行为分析和表征建模提供可靠的方法和数据支撑。第3章分析了电池单体关键组分材料的力学特性，介绍了具有代表性的组分材料模型和参数识别方法。第4章介绍了电池单体和电池模组的挤压力学响应和失效特征，为建立电池碰撞挤压安全性评估判据提供了重要参考依据。第5章重点介绍电池单体机械挤压工况的建模方法和仿真应用案例，涵盖精细化建模和均质化建模方法，同时介绍了基于高精度仿真数据和机器学习算法建立电池机械加载失效快速预测模型的方法。第6章重点分析不同挤压模式下电池单体的力电热响应，考察电池结构变形、损伤和失效模式，分析对应的内短路行为和产热效应，也概述了电池机械挤压工况的力电热多物理场仿真方法。第7章和第8章报告了两个专题研究，分别关注荷电状态对电池机械加载响应的影响，以及电池动态挤压的力学响应特征及内在机理分析。前者分析了荷电状态、电池结构与卷芯膨胀内应力间的联系，强调了内应力机制对电池宏观挤压响应的影响；后者总结了电池动态挤压响应的显著变化，揭示了动态效应与电解液的黏性耗散密不可分。*后，在第9章中给出电池包层级碰撞安全性能分析的技术框架，描述了若干针对典型整车碰撞工况的防护设计思路，结合结构优化和材料匹配，开展电池包结构抗撞性与轻量化多目标优化，以降低动力电池变形失效风险。本书内容的整理基本涵盖了我们团队2021年之前的研究积累。近一两年的新进展，包括刘原杰博士在电池老化影响方面的分析发现、陈柏彣博士在电池排布构型影响方面的深入分析及设计理念，还有在读研究生的一些重要研究结果，尚未包含在内。根据相关研究的推进和完善情况，在后续版本的内容组织上我们将加以考虑并更新。希望本书能为新能源车辆安全领域和动力电池研发领域的工程师、相关专业的高年级本科生与研究生的学习工作提供参考。限于著者水平，本书可能存在错误和不当之处，恳请读者不吝指正。周青夏勇2023年5月于清华园
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