技術性文章

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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