锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法技术

本发明专利技术公开了一种锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法，包含了爆破片几何建模、网格划分、材料弹性模型、塑性模型和损伤模型输入、热失控边界条件设置、计算模型设置、安全阀开启压力获取等步骤。本发明专利技术可实现具备可重复、免实验、低成本、高精度的锂电池安全阀器件安全设计的有限元建模方法，降低相关企业的前期试验摸索成本。降低相关企业的前期试验摸索成本。降低相关企业的前期试验摸索成本。

【技术实现步骤摘要】
锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法


[0001]本专利技术涉及新能源安全技术、锂离子电池安全设计领域，特别涉及一种锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法。

技术介绍

[0002]一方面，随着锂离子电池技术的不断发展，锂离子电池的能量密度节节攀升，甚至有报道非量产商用锂离子电池能量密度可达1150Wh/l；另一方面，各国为实现碳中和目标，汽车的电气化以及新型储能技术的广泛装机应用，推动了动力锂电及储能锂电产业的快速增长。然而，锂离子电池在热滥用、机械滥用等条件下存在热失控风险，进而发生火灾、爆炸事故，对社会经济、人员安全造成了不可忽视的损失。因此，锂电池的安全设计是保障其运行安全的第一道关口，盖帽结构内的爆破片作为锂离子电池安全阀的核心金属材料组件，扮演着热失控早期承压及泄压的功能，对于后续早期预警的判定以及减少热失控爆炸风险起到关键作用。
[0003]授权公布号CN 108109206 B的专利公布了一种锂电池安全阀开启压力有限元建模方法，其判定安全阀金属材料失效的力学准则是基于材料是否达到自身强度极限。来自美国普渡大学的研究者在J Energy Storage.2020；32及J Energy Storage.2022；46发表了类似授权公布号CN 108109206 B专利方法的锂电池安全阀激活压力的有限元模拟成果，其材料失效原理也是采用材料强度极限作为准则。然而，实际金属材料的失效应符合损伤力学模型，即不应简单认为材料达到强度极限就彻底发生损伤。因此，如何更加准确模拟锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测，对于锂离子电池安全技术的提升意义重大。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法，可准确地实现爆破片在热失控下发生损伤失效作为的瞬态力学模拟。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0007]步骤1：爆破片几何建模；所述步骤1可具体包括以下步骤：
[0008]步骤1.1：通过锂电池设计图纸或CT扫描数据确定爆破片结构的主要参数，包括厚度、长度、外径、内径和沟槽深度、沟槽底部宽度；采用3D CAD(三维计算机辅助设计)软件建立锂电池盖帽结构(包括爆破片)三维模型；
[0009]步骤1.2：将锂电池盖帽的三维实体模型导出为通用CAD文件(x_t文件)。
[0010]步骤2：网格划分；
[0011]步骤2.1：网格尺寸设置，电池帽盖直径D、爆破片最大厚度T和沟槽处的厚度t，设
置整体网格尺寸为T/2；在沟槽处设置邻近度，设置单元数量为N，N>2，最小尺寸为t/N；帽盖的直径方向上至少有M个网格，M>50；且格尺寸应不低于盖帽直径的五十分之一；
[0012]步骤2.2：网格检查，检查网格的雅可比和网格细度，保证雅可比比率平均值大于0.6，最小值不小于0.5；
[0013]步骤2.3：CAE(计算机辅助工程)软件加载网格。将网格导出成通用网格格式(例如.mesh或.inp格式)，之后用显式动力学计算软件(如LS
‑
DYNA、Abaqus/Explicit、Autodyn、Workbench/Explicit dynamics)加载网格；
[0014]步骤3：Johnson
‑
Cook本构模型的导入，弹性参数包括密度、弹性刚度、泊松比，弹性参数中的弹性刚度和泊松比会随着温度变化，在设置时需要与步骤4中的热学条件相对应；
[0015]塑性参数通过Johnson
‑
Cook本构模型构造，且遵循公式(1)；Johnson
‑
Cook本构模型实质上将应变、应变率和温度这三个变量进行了分离用乘积关系来处理三者对动态屈服应力的影响具有形式简单、各项物理意义明确的优点。其屈服应力可表示为：
[0016][0017]式中，A为参考应变率ε0和参考温度T
room
下的材料初始屈服应力，B、n分别为参考应变率和参考温度T
room
下的材料应变硬化模量和硬化指数，C为材料应变率强化参数，ε
p
为有效塑性应变，m为材料热软化参数，T
*
为相对温度，若室温为T
room
熔点为T
melt
，则相对温度T
*
应遵循公式(2):
[0018][0019]Johnson
‑
Cook本构模型反应了温度对材料应力
‑
应变特性的影响，因此需输入实际场景温度。
[0020]当材料发生损伤时，应力应变曲线不再精确地表示材料的行为，需要引入损伤模型来表征此时的材料应力应变关系。采用Johnson
‑
Cook损伤模型，表征材料的损伤演化，且需遵循公式(3)。
[0021][0022]式中，η＝P/σ
eff
，为应力三轴度，其中P为压力，σ
eff
为有效应力。D1～D2为材料失效参数。T
*
为相对温度，若转变温度为T
transition
熔点为T
melt
，则相对温度T
*
应遵循公式(3)：
[0023][0024]步骤4：热失控边界条件设置如下：
[0025]4.1力学边界约束，施加固定约束和压力载荷。根据具体的试验场景施加固体约束，一般地，在盖帽侧面施加固定约束；压力可以通过压力时变曲线添加，压力
‑
时间曲线可为预设曲线或通过具体试验获取的真实热失控曲线输入。
[0026]4.2热学条件。热学条件主要指的是材料在受压变形时的整体温度，温度可为预设
曲线或者试验获取的真实热失控热时的温度，在软件中的预定义场中可进行修改。
[0027]步骤5：计算模型设置如下：
[0028]5.1设置计算的总时间，时间步。计算的总时间需要与压力
‑
时间曲线中的最大时间保持一致，计算的时间步则是通过软件自动计算全局的稳定增量步动态设置。
[0029]5.2设置几何体之间的作用力。需设置几何体间的作用力，包括法相作用力(碰撞力)和切向作用力(如摩擦力)。
[0030]5.3其他设置，保证质量缩放系数的选取不能使得计算对象的动能与内能之比超过阈值，比如不超过5％。
[0031]步骤6：安全阀开启压力获取
[0032]可以通过两种方式得到安全阀开启压力，通过监控的爆破片位移曲线或者后处理的变形图像来获取。查看监控的爆破片位移曲线，如果爆破片的位移曲线出现较大的上升突变则在对应的时刻处安全阀打开，根据压力
‑
时间曲线即可查询得到安全阀开启压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：爆破片几何建模；步骤2：网格划分；步骤2.1：网格尺寸设置，电池帽盖直径D、爆破片最大厚度T和沟槽处的厚度t，设置整体网格尺寸为T/2；在沟槽处设置邻近度，设置单元数量为N，N>2，最小尺寸为t/N；帽盖的直径方向上至少有M个网格，M>50；且格尺寸应不低于盖帽直径的五十分之一；步骤2.2：网格检查，检查网格的雅可比和网格细度，保证雅可比比率平均值大于0.6，最小值不小于0.5；步骤2.3：计算机辅助工程软件加载网格，将网格导出成通用网格格式，之后用显式动力学计算软件加载网格；步骤3：Johnson
‑
Cook本构模型的导入，弹性参数包括密度、弹性刚度、泊松比，弹性参数中的弹性刚度和泊松比会随着温度变化，在设置时需要与步骤4中的热学条件相对应；塑性参数通过Johnson
‑
Cook本构模型构造，且遵循公式(1)；式中，A为参考应变率ε0和参考温度T
room
下的材料初始屈服应力，B、n分别为参考应变率和参考温度T
room
下的材料应变硬化模量和硬化指数，C为材料应变率强化参数，ε
p
为有效塑性应变，m为材料热软化参数，T
*
为相对温度，若室温为T
room
熔点为T
melt
，则相对温度T
*
应遵循公式(2):采用Johnson
‑
Cook损伤模型，表征材料的损伤演化，遵循公式(3)：式中，η＝P/σ
eff
，为应力三轴度，其中P为压力，σ
eff
为有效应力。D1～D2为材料失效参数。T
*
为相对温度，若转变温度为T
transition
熔点为T
melt
，则相对温度T
*
应遵循公式(3)：步骤4：热失控边界条件设置步骤如下：4.1力学边界约束，施加固定约束和压力载荷，根据具体的试验场景施加固体约束，在盖帽侧面施加固定约束；压力通过压力时变曲线添加，压力
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘洋鹏，秦腊，
申请(专利权)人：浙江大学湖州研究院，
类型：发明
国别省市：