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LS-DYNA R12 - 電池模型

LS-DYNA結合電池分析的電動/混合動力汽車碰撞模擬

 

概述

每年大約有35，000人死於美國道路交通事故—相較於過往人數下降許多，這主要歸功於安全帶、安全氣囊和碰撞測試。在過去的幾十年裡，碰撞測試的模擬分析逐漸興盛，讓人們對於車禍事件有了更好的理解。

 

在各種CAE模擬工具中，LS-DYNA受到汽車行業的廣泛接受而脫穎而出。近年來隨著電動汽車發展，各種不同車型迅速增加，汽車製造商為確保電池的使用安全性，也因此凸顯了碰撞模擬分析中，需將電池納入考量的需求和重要性。藉由含括電池分析的模擬，我們可以提前預見各種問題，如撞車後電池是否會著火，或消費者使用上的安全性等。

 

分析挑戰

複雜的多物理場：

  • 結構力學
  • 電磁學
  • 電化學
  • 熱學

                                                LS-DYNA 各物理場求解器之間的自動耦合

尺寸尺度範圍廣：電池尺寸約1m，而電池中單體(cell)中各層的厚度約0.01〜0.1mm (此為內部短路觸發熱失控的階層)

時間尺度範圍廣：從毫秒內碰撞產生的熱失控，到火災和爆炸可能持續數百萬至數小時甚至數天

 

取決於不同規模/尺度下的4種模型：

  • Solid elements：內部/外部短路，單體

每一層均使用實體元素進行網格劃分
結構力學，熱學和電磁學模擬均使用相同的網格

  • Composite Tshell：內部/外部短路，單體/電池模組(module)

結構分析上使用Composite Tshell建模
電磁和熱力分析使用基礎實體網格
運行速度更快（元素更少，時間步長更大）

  • Macro model：內部/外部短路，電池包(pack)/電池

一個（或幾個）貫穿厚度的實體元素，用於結構、電磁和熱學分析
每個節點上皆有2極（正負電流收集器）

  • Meshless model：外部短路，電池模組/電池包/電池

整個電池只有一個等效電路（集總模型）

  • 備註：

單體階層發生的內部短路是熱失控的根本原因。 
瞭解結構或熱濫用對單體的影響非常重要，而此將取決於單體的類型。
基於每個單體階層建模出一個完整的電池，將使模擬分析在計算上非常昂貴。
Macro model「batmac」可獲取來自單一電池單體研究的資訊，使用在碰撞的全電池模型中。 
Meshless model無網格模型可用於具有成本效益的外部短路模擬 

                                                                        4種模型比對表

 

  • 範例：Solid elements—內部短路

 

  • 範例：Meshless model—外部短路

 

  • 範例：電池熱管理(Batmac+thermal+ICFD)

  • 無冷卻                                                                           空氣冷卻(20。C)                                                  空氣+水冷卻(20。C)

 

等效分散式電路模型

所有模型均基於等效電路，電極中的電化學以等效分散式電路（Randles電路）模擬。

                                                Randles電路

分散式電路模型的優勢

  • 計算上較不昂貴 
  • 準確再現單體的主要特徵（電、熱） 
  • 從電壓/電流測量中輕鬆獲取單體參數 
  • 易於電連接到外部電路（連接器、匯流線等），並且可以對外部短路進行建模
  • 能夠模擬內部短路 
  • 持續添加其他模型

                                             電壓分析                                                                                溫度分析

 

                                             內部短路

 

處理不同的時間尺度

  • 在毫秒的碰撞期間，使用碰撞分析的時間步長進行力學+電磁+熱分析，並獲取變形量和短路。 
  • 通過“凍結”機制來繼續運行分析，以秒為單位的時間步長執行電磁+熱分析，使電池通過短路放電並使溫度升高。
  • 對於以上模擬，電磁和熱求解器除了正確地離散化電池放電和溫度升高之外，對時間步長不太敏感。 

 

結論

  • LS-DYNA 是多物理分析的代表：開發了一種將電池的結構、熱、電和電化學響應耦合在一起的電池安全建模框架。
  • 該開發是與行業合作夥伴（Ford）合作完成的，可供所有使用者使用。

 

  • 目前市場上沒有其他程式具有這種多物理能力，尤其是結構與其他物理場之間的耦合。
  • 未來將致力於使模型能與使用者定義的子路線耦合，以超越等效電路。
  • 模擬求解器本身依靠實驗測試來描述其方程式，需各行各業和學術界的共同努力增強了解和知識。 

 

 

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