现在国内外电动汽车首要选用锂离子动力电池，但是电动汽车的动力电池包在外部机械载荷效果下，容易发生燃烧事端，因而锂离子动力电池的安全性一直是要点研讨的内容。电动汽车碰撞事端中，动力电池包中的单体电池可能因机械过载而呈现大变形，引起电池内芯资料的失效，如隔阂或正负极决裂，导致电池内部短路并发生很多热量，严峻时会起火，危及车上人员安全。针对机械过载条件下内短路问题的研讨，关于提升电动汽车的安全性十分重要。

针对锂离子电池力学特性，国内外学者已树立多维度剖析办法：Sahraei等^［1-3］开发了多层壳单元模型；Wierzbicki等^［4］提出薄壁结构均质化模型，Greve等^［5］树立了圆柱电池微观力学模型并相关短路判据；Lai等^［6］改进了各向异性资料剖析办法，Xu等^［7-8］则完善了层间触摸算法，并构建了动态载荷下“资料-结构-失效”的多标准耦合模型。构建锂离子电池模型的核心在于树立电池内芯的本构模型并得到电池内芯的失效参数，锂离子电池有限元模型关键在于电池内芯^［9］，现在锂离子电池内芯有限元模型首要有两种，分别为精密化和均质化模型。精密化模型用于代表体积单元层面的研讨，需要隔阂、极板的资料属性参数，并且模型的标准是微米等级的，单体电池模型的单元规模会十分庞大，乃至导致核算机资源难以满意要求^［10］。均质化模型将电池内芯简化成均质的资料，模型比较简单，核算功率高，但只能用于电池内芯全体力学特性的研讨，不能对内芯各叠层进行研讨。

本文作者经过对方形磷酸铁锂锂离子电池和电池内芯的正极板、负极板、隔阂进行球头揉捏实验，研讨单体电池全体和各个叠层在球头揉捏载荷效果下的力学呼应特性以及叠层单元中各层失效的状况。根据电池部分揉捏实验剖析成果，电池内芯接近揉捏球头部分的叠层失效，其他叠层是无缺的，随后树立一种电池内芯均质-层化混合模型，该混合模型将电池内芯分红两部分，上半部分是由多个正、负极板层和隔阂层组成的层化精密模型，下半部分为一个均质化模型。均质模型选用较大的网格单元，使混合模型全体的网格单元数量大幅度削减，可大幅缩减仿真核算量和核算时刻，一起该混合模型具有精密模型和均质化模型各自的长处，能够对电池内芯全体力学特性和内芯叠层进行仿真剖析研讨。

1 电池部分揉捏与内芯组分资料实验

实验选用的电池为方形磷酸铁锂锂离子电池（广东产），额定电压3.2 V，标称容量10 Ah。电池外壳资料为3004铝合金，尺度为18 mm×65 mm×140 mm，整个铝壳分为两个部分，铝壳底部与四周为一个全体，顶盖焊接封装，其四周厚度均为0.5 mm，底部和顶盖厚度分别为1.0 mm和1.5 mm。电池内芯是多层正负极板和隔阂组成的层叠式结构，由46层正极板、45层负极板和94层隔阂堆叠组成，内芯叠层结构如图1所示。正、负极均由集流体和涂层组成，集流体是用于涂覆活性物质并起到集合电荷增强导电能力效果的金属箔片，其间正极板的集流体为铝箔，负极板的集流体为铜箔，正、负极板涂层资料分别为磷酸铁锂和石墨；隔阂是用来阻隔正负极的高分子聚合物，起着阻隔电子和传导离子的效果^［10］。

图1  电池内芯叠层结构示意图

Fig.1  Diagram of structure of battery inner core layer

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1.1 单体电池部分揉捏实验

电池部分揉捏实验设备首要有WAW-500C型万能实验机（山东产）、34972A型数据采集仪（北京产）和控制电脑。实验方案如图2所示。

图2  部分揉捏实验方案

Fig.2  Local extrusion test scheme

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实验电池选用满电量电池，揉捏球头选用直径为15 mm球形压头，球头揉捏方位为电池平面中心部位，设置加载速度为1 mm/min，数据采集仪的电压灵敏度设置为0.01 V，温度精度设置为0.01 ℃，采样频率设置为1 Hz。在电池部分揉捏实验进程中，当监测到电池电压或者实验机的加载力发生突降，则当即停止加载，一起记录并保存好实验数据。为了进步数据的准确性，在同工况下进行3次电池部分揉捏实验，以减小实验数据误差。完结实验后，经过对实验数据的收拾剖析，得到力与位移曲线和电压、温度与位移曲线，如图3所示。

图3  电池部分揉捏呼应特性

Fig.3  Response characteristic of battery to local extrusion

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在动力电池揉捏进程中，若电压下降，温度开端升高，则标明电池内部发生短路。故能够用动力电池的温度和电压变化作为电池失效的判别依据^［11］。

经过对电池部分揉捏实验的力-位移曲线剖析可知，在部分球头揉捏载荷效果下，揉捏载荷在揉捏位移量为7.2 mm方位时发生突降，标明电池内芯资料在此刻被损坏。经过对电压、温度-位移曲线的剖析可知，电池电压同样也是在揉捏位移量为7.2 mm左右的方位发生突降，此刻电池温度开端上升，从27.10 ℃开端缓慢上升到35.02 ℃，标明电池内部发生了短路并开端发热。因为力突降点和电压突降点的方位堆叠，均是在电池揉捏位移量为7.2 mm左右，因而能够将力的突降作为判别电池短路的标志。

电池在部分球头揉捏实验后，电池的全体外观和内芯叠层损害状况如图4所示。电池全体变形状况如图4（a）所示，电池的中心部位构成部分凹坑，但电池外壳并没有破损。将电池拆解后，观察电池内芯的受损状况，内芯破损状况如图4（b）所示，经过部分揉捏实验，电池内芯叠层中，上部有若干层叠层已决裂，其他叠层虽在中心部位发生凹坑变形，但没有破损，根本坚持无缺。

图4  部分揉捏实验后电池的损害状况

Fig.4  Damage of battery after local extrusion test

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电池内芯在部分揉捏进程中，正、负极板的决裂并不会使电池内部发生短路，只要正、负极板之间的隔阂发生决裂才会导致正负极发生触摸，然后引起电池内部发生短路^［12］。但是，正、负极板的决裂可能会引起隔阂的额外损害，然后加速隔阂失效。电池受到机械载荷揉捏下，假如只要一个单层隔阂发生决裂，电池处于一种微短路状况，电池电压并不会迅速下降。继续使用的话，将会使电池内部短路加重，以致引起电池内部大面积短路，并引发电池热失控。

1.2 电池内芯组分资料实验

电池内芯各层资料实验样品的资料成分与厚度等详细参数，如表1所示。

表1  内芯资料实验样品的成分及厚度
Table 1  Composition and thickness of inner core test sample

试样称号	资料成分	厚度/μm
正极板	铝箔+磷酸铁锂涂层	163（即24+69.5×2）
负极板	铜箔+石墨涂层	95（即11+42.0×2）
隔阂	陶瓷+聚丙烯（PP）	20

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电池内芯层实验选用多轴球头揉捏的实验方案，揉捏球头直径为15 mm，分别对单层正、负极板和隔阂进行揉捏实验。经过实验得到电池各组分资料的力-位移曲线图如图5所示。

图5  电池内芯各组分的力-位移曲线

Fig.5  Force-displacement curves of each component in battery inner core

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单层负极板厚度为95 μm，其间铜箔厚度为11 μm，单面石墨涂层厚度为42 μm，涂层资猜中，颗粒状石墨是具有必定孔隙率的多孔状结构，所占体积份额最大，一起，资料的弹性模量和泊松比十分小，资料特性与泡沫相似。

从图5（a）可知，在实验进程中负极板的受力趋势呈近似线性增长，在加载位移3.3 mm左右，负极板载荷到达峰值30 N，此刻载荷发生突降，负极板发生决裂，裂缝呈弧形。在多轴球头揉捏实验中，负极板首要靠集流体铜箔来承载，当铜箔失效时，负极板同样失效。

单层正极板厚度为163 μm，其间铝箔厚度为24 μm，单面磷酸铁锂涂层厚度为69.5 μm。从图5（b）可知，在位移为0.8 mm左右的方位，载荷到达峰值7 N，然后载荷发生突降，正极板发生决裂，裂缝呈现出以揉捏中心为圆心的放射状。相比于负极板，在多轴球头揉捏实验中，正极板的失效位移和最大载荷均显着低很多，是因为正极板的机械强度首要由集流体铝箔供给，而铝箔的机械强度要远低于负极板的铜箔，磷酸铁锂涂层虽比较负极板的石墨涂层厚，但并没有增强正极板的机械强度。

该锂离子电池内芯隔阂选用陶瓷隔阂，其厚度为20 μm。从图5（c）可知，在位移为8 mm左右方位，隔阂载荷峰值，接近40 N，比正、负极板都要高出许多。此外，隔阂揉捏位移到达8 mm的方位才发生决裂，其决裂的形式呈圆形凹坑状，沿隔阂纤维方向撕裂，阐明其延展性十分好。

2 电池均质-层化混合建模

锂离子电池在揉捏进程会发生大变形和大位移，一起其边界条件和资料也具有非线性。现在的有限元剖析软件很多，其间ABAQUS软件中的显式求解器对求解大变形和非线性方面的问题具有共同的优势，并且具有丰厚的资料模型可供选择，因而选用ABAQUS软件对电池进行建模和仿真剖析。

2.1 模型资料

叠层电池内芯中正、负极板，以及隔阂和均质内芯的首要资料参数，从文献［10， 13-15］中取得。选用ABAQUS软件对电池进行有限元剖析，需要取得模型中电池各组件的资料弹塑性应力与应变数据，然后确认其塑性应变硬化行为，实验数据必须转化为的实在应力和实在应变数据。实在应力应变与工程应力应变之间的转化公式见式（1）：

σ=σnom(1+εnom)ε=ln(1+εnom)

（1）

式（1）中：σ为实在应力；ε为实在应变；σ_nom为工程应力；ε_nom为工程应变。

由式（1）可将实验得到的工程应力应变数据转化成实在应力应变数据，然后得到电池各组件的实在应力-应变曲线，如图6所示。

图6  电池均质-层化模型各部件实在应力-应变数据

Fig.6  True stress-train curves of each components in homo-and-layer hybrid battery model

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电池混合模型中电池的外壳和上半部分内芯的正负极板、隔阂均选用弹塑性资料模型，塑性硬化选用各向同性硬化；因为电池模型中内芯的另一半选用均质化内芯模型，从电池内芯的紧缩应力与应变的曲线来看，具有典型的低渠道应力泡沫资料特性，因而均质内芯部分选用ABAQUS中各向同性硬化的可压碎泡沫塑性模型，模型资料的首要参数如表2所示。

表2  模型资料参数
Table 2  Model material parameter

部件	密度 /kg·m-3	弹性模量/MPa	泊松比	开裂应变
铝壳	2 700	69 000	0.33	0.25
正极板（163 μm）	934	6 000	0.17	0.30
负极板（95 μm）	1 712	5 000	0.17	0.50
隔阂（20 μm）	795	1 206	0.25	0.73
均质内芯	2 086	368	0.01	0.18
揉捏头	7 800	210 000	0.30
支撑渠道	7 800	210 000	0.30

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2.2 混合模型树立

电池均质-层化混合模型中，电池外壳的单元类型选用ABAQUS的壳单元SR4，其网格尺度为1 mm×1 mm，其壳顶、壳底和壳四周的厚度分别为1.5 mm、1.0 mm和0.5 mm。因为电池内芯模型选用均质-层化混合模型建模，将电池内芯模型分红两个部分组成，一半为均质化内芯模型，另一半是由正负极板和隔阂组成的叠层内芯模型。因而，关于均质化内芯部分的单元类型选用实体单元C3D8，其网格尺度为2 mm×2 mm×2 mm；关于叠层内芯部分，每个叠层由一个正、负极板和两个隔阂组成，共28个叠层，其间正、负极板的单元类型选用实体单元C3D8，正、负极板的网格尺度分别为1.000 mm×1.000 mm×0.163 mm和1.000 mm×1.000 mm×0.095 mm，而隔阂的单元类型则选用壳单元SR4，其网格尺度为1 mm×1 mm，厚度为0.02 mm；支撑渠道与揉捏球头均设置为刚体。因为电池模型是以电池中心方位进行球头揉捏仿真，为了进步核算功率，节省模型仿真核算时刻，采取轴对称边界条件，只取用一半电池来建模，终究树立电池的均质-层化混合模型，如图7所示。整个模型共有150 267个单元，221 472个节点。整个模型选用通用触摸算法，为防止仿真进程呈现穿透现象，将所有单元的外外表设置成触摸面。别的，内芯叠层的资料损害和失效准则均选用韧性准则（ductile criteria）。

图7  电池均质-层化混合模型

Fig.7  Homo-and-layer hybrid model for battery

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电池部分揉捏实验是在准静态条件下进行揉捏，揉捏速度为1 mm/min，但在ABAQUS的显式动态求解器仿真进程中，用时刻步长来模仿这一准静态揉捏进程，以满意数值的稳定性，在核算上是不切实际的。通常的解决办法是经过人工添加加载速率或模仿进程的速度，或添加系统的质量缩放系数，或二者一起选用。一般典型的办法是将揉捏速度控制在试样波速的1%以下，质量缩放系数控制在5%~10%范围内，以完成理想的稳定时刻步长增量^［14］。在准静态剖析进程中，变形试样的动能不应超越内能的5%。因而，设置ABAQUS有限元剖析的揉捏速度为10 mm/s，剖析总时长为1 s，质量缩放系数为100，然后紧缩核算时刻。尽管选用更高的质量缩放，可使核算功率更高，但因变形速度和动能都很低，为满意显式求解器准静态剖析的条件，质量缩放不宜取太大。

2.3 模型验证

将电池树立成均质-层化混合模型后，进行部分揉捏仿真，得到电池的部分揉捏仿真成果，如图8所示。因为建模时选用轴对称边界条件建模，只取了整个单体电池的一半，能够清晰看到电池内部仿真成果，如图8（a）所示，再经过镜像显现，可取得仿真后完整的电池全体变形状况，如图8（b）所示，电池中心构成部分凹坑，壳体没有破损，模型的仿真成果与揉捏实验成果共同。

图8  电池部分揉捏仿真成果

Fig.8  Simulation result of local extrusion for battery

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一起，将电池部分揉捏仿真取得到的力与位移曲线如图9所示，与揉捏实验得到的力与位移曲线进行比较，2条曲线根本符合，从微观力学特性为看，标明此模型是有用的。

图9  实验与仿真的力-位移曲线

Fig.9  Force-displacement curves of test and simulation

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电池层化内芯模型仿真成果如图10所示，因为模型选用均质-层化混合建模，上半部分为层化内芯模型，共28个叠层，为方便剖析，将叠层按接近揉捏球头的方位，由上至下进行排序。正极板第1层至第16层均发生不同程度的破损，破损程度顺次减小，第17层及以下正极板坚持无缺；负极板第1层至第15层均发生不同程度的破损，破损程度顺次减小，第16层及以下正极板坚持无缺，负极的受损状况与正极板相似，但相同层的破损程度要略小于正极板；隔阂只要第1层至第10层发生破损，第11层及以下坚持无缺，受损程度也是顺次减小；均质内芯中心只发生细微凹坑变形，未发生破损。将仿真成果与实验成果状况比较，电池内芯破损状况根本。

图10  叠层内芯损害状况

Fig.10  Damage of laminated inner core

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3 定论

针对方形磷酸铁锂锂离子电池进行单体电池部分揉捏实验和内芯组分资料实验，利用ABAQUS软件树立电池内芯均质-层化混合模型，由仿真成果剖析得出，不论是从微观力学特性还是从微观电池内芯各层受损状况看，仿真成果与实验成果根本相符，标明此模型具备必定的工程猜测能力。

电池内芯均质-层化混合模型完成可一起对电池内芯全体力学特性和内芯叠层失效状况进行仿真，模型核算剖析功率较高，相关于完全层化精密模型，所提出的模型核算功率提升了至少45%，能够节约仿真剖析时刻。

所提模型首要关注于力学呼应，对揉捏进程中的焦耳热效应、电解液走漏引发的化学腐蚀等耦合现象缺少动态模仿，未来模型将引入相场法，模仿电解液走漏与枝晶生长耦合进程，进一步进步模型的精准度。