Kollisjonssikkerhet Sikkerhet for fylte batteripakker

1. Introduksjon

Litium-ion-batterier er mye brukt i ulike industrielle applikasjoner, og deres sikkerhet har alltid vært et sentralt forskningstema. Studier har vist at mekanisk misbruk er en av hovedårsakene til kortslutninger i litiumbatterier under trafikkulykker. Mange studier har undersøkt mekanisk misbruk av batterier. Wang Zhenpo et al.. vurdert sikkerheten til batteripakkes i rene elektriske busser under sidekollisjoner.

I faktisk bruk, litium-ion-batterier er vanligvis satt sammen til batteripakkes, gjør deres mekaniske oppførsel mer kompleks enn den til en enkelt celle. Derfor, det er nødvendig å foreslå beskyttelsesmetoder spesielt for batteripakkes.

Noen studier er allerede utført på batteripakker. Liu et al.. brukte numeriske simuleringer for å studere energitettheten til batteripakker under forskjellige arrangementer og bestemte den optimale konfigurasjonen for maksimal energitetthet. Hu et al. forklarte feilprosessen til batteripakker under støtbelastninger ved hjelp av stressbølgeteori. Li Xiangxue et al.. studerte bruken av flammehemmende materialer i kontaktbatterier. Nguyen et al. satt inn hule sirkulære rør i sylindriske batteripakker for å forbedre deres mekaniske sikkerhet. Imidlertid, denne metoden reduserte energitettheten til batteripakken med 35%. For å kompensere for denne ulempen, de utvidet batteripakkens plasseringsområde inn i kjøretøyets sekundære sikkerhetssone.

Med den økende etterspørselen etter utvidet kjørerekkevidde, det er viktig å forbedre kollisjonssikkerheten til batteripakker samtidig som man minimerer enhver reduksjon i energitetthet.

Denne studien undersøker kollisjonssikkerheten til sylindriske batteripakker fylt med ABS-harpiks (akrylonitril-butadien-styren-kopolymer). Ved å kombinere eksperimenter og numeriske simuleringer, studien sammenligner slagfastheten til ABS-fylte og ufylte batteripakker. Ytterligere optimalisering utføres ved bruk av metallisk skum som fyllmateriale, og effekten av forskjellige skummetalltettheter på batteripakkens kollisjonsdyktighet studeres gjennom numeriske simuleringer. Funnene gir innsikt i å forbedre sikkerheten til batteripakker under påvirkningsforhold.

2. Eksperimenter

2.1 Prøver på batteripakke og fyllmateriale

Batteriene som brukes i denne studien er Panasonic 18650 sylindriske litium-ion-celler, med en diameter på 18 mm og en lengde på 65 mm. Hvert batteri består av et hus og en kjerne. Foringsrøret fungerer først og fremst som et beskyttende skall og bærer visse belastninger, mens kjernen lagrer energi og består av strømkollektorer, aktive materialer, og separatorer.

Før eksperimentene, hver celle i batteripakken ble fullstendig utladet til en grensespenning på 2,7V ved en utladningshastighet på 1C (SOC = 0) for å ivareta sikkerheten. Testprøven besto av 23 tettpakkede batterier arrangert i fem rader.

For å undersøke effekten av fyllmaterialer på batteripakkens sikkerhet, en ABS-harpiksfylt batteripakke ble designet. ABS-fyllingen ble produsert ved hjelp av 3D-utskriftsteknologi, danner et rektangulært fast stoff med 23 forhåndsborede hull (18 mm i diameter) tilsvarende batteriarrangementet. Minimumsavstanden mellom tilstøtende hull var 1 mm.

Energitettheten til den ufylte batteripakken var 1.97 J/mm³, mens den ABS-fylte batteripakken hadde en energitetthet på 1.78 J/mm³, som kun representerer en 9.6% reduksjon.

2.2 Lasteenhet og måleinstrumenter

Slagprøvene ble utført med en Coesfeld Magnus 2000 slagtester for fallvekt. Ulike slagforhold ble oppnådd ved å variere vekten på fallhammeren, fallhøyden, og kompresjonen av ekstra fjærer:

• Ufylt batteripakke: M = 4.77 kg, V = 4.65 m/s
• ABS-fylt batteripakke: M = 10.28 kg, V = 11.8 m/s

Slagkraften ble målt ved hjelp av en kraftsensor montert på støthodet. For å overvåke spenningsendringer før og etter støt, nikkelstrimler og fine ledninger ble sveiset på batteriterminalene og koblet til en VH-DCI-kontakt. Et Keysight U2300A flerkanals datainnsamlingssystem registrerte spenningssignalene.

Batterideformasjon ble registrert ved hjelp av et høyhastighetskamera. Den spesiallagde armaturen besto av et stempel og en sylinder, som holdt batteripakken sikkert under støt. Batteripakken ble plassert inne i sylinderen, og stemplet kunne gli opp og ned i det.

2.3 Eksperimentell resultatanalyse

Kraft-tid-kurvene samlet av kraftsensoren på fallhammeren viste at slagprosessen for begge batteripakkene besto av to faser:

1. Første fase: Kraften økte raskt og avtok deretter raskt, danner en kortvarig topp. Denne fasen tilsvarer det øyeblikket fallhammeren først kommer i kontakt med stempelet, som deretter raskt akselererer for å matche hammerens hastighet.
2. Andre fase: Styrken holdt seg på et høyt nivå i lengre tid, tilsvarende akselerasjonen og deformasjonen av batteripakken.

Siden stempelet genererer betydelig treghetskraft, den faktiske kraften som virker på batteripakken (FB) ble beregnet etter D'Alemberts prinsipp:

$$FB=FH-mP\cdot enP$$

hvor:

• $FH$ er kraften målt av sensoren,
• $mP$ og $enP$ er massen og akselerasjonen til stempelet, hhv.

Bruker høyhastighets bildebehandling, forskyvningen av stempelet under støt ble analysert, og akselerasjonen ble oppnådd gjennom andreordens differensiering.

For den ufylte batteripakken, slagkraften påvirket først bare den første raden med batterier, og deformasjon spredte seg gradvis til andre rader. Dette indikerer at deformasjonsprosessen ble påvirket av tregheten til batteriene, som ligner en spenningsbølge som forplanter seg fra støtsiden til den fjerne enden.

For den ABS-fylte batteripakken, deformasjon spredt til siste rad i 0.2 ms, sammenlignet med 0.6 ms for den ufylte batteripakken. Den økte modulen og stivheten til fyllmaterialet akselererte spenningsbølgeutbredelsen, lar flere batterier dele belastningen tidligere og reduserer sannsynligheten for lokal skade.

Bord 1 sammenligner slagenergien, hastighet, og toppkraft mellom de to batteripakkene. Selv om den ABS-fylte batteripakken opplevde høyere slagenergi, fart, og toppkraft, dens deformasjon var betydelig mindre, demonstrerer at fyllmaterialet forbedret strukturell stivhet.

Batterifeil ble definert som et spenningsfall større enn 0,5V som ikke kom seg innen tre dager etter sammenstøtet. I den ufylte batteripakken, to celler sviktet, mens i den ABS-fylte batteripakken, ingen feil ble observert. Dette indikerer at den ABS-fylte batteripakken viste overlegen sikkerhetsytelse under tøffere støt.

3. Numerisk simulering

3.1 Modelloppsett

Numeriske simuleringer ble utført ved bruk av ANSYS/LS-DYNA. Modellen bestod av:

• Stive begrensningsplater (MAT_020 Stivt kroppsmateriale) for å simulere den eksperimentelle armaturen
• En slagplate med masse og hastighet identisk med fallhammeren
• Battericeller modellert med CRUSHABLE_FOAM-materialet

Batteriene ble tildelt en strekkmodul på 0.47 GPa, en sviktstressterskel på 14.5 MPa, og en tetthet på 2.7×10−62,7 ganger 10^{-6}2.7×10−6 kg/mm³. ABS-materialet ble modellert ved å bruke PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY-modellen, inkorporerer belastningshastighetseffekter.

For å optimalisere krasjsikkerheten, metallskum ble også studert. Tre tettheter - myk (SFBP), medium (MFBP), og stiv (HFBP)– ble brukt. Maskestørrelsen ble satt til 0.5 mm for å sikre nøyaktighet, og simuleringer ble utført under belastningsforhold for å spare beregningstid.

3.2 Analyse av simuleringsresultater

Simulerte kraft-tid-kurver for begge batteripakkene samsvarte godt med eksperimentelle resultater, bekrefter simuleringspålitelighet. Den ufylte batteripakken viste to cellefeil, mens den ABS-fylte batteripakken ikke hadde noen, i samsvar med eksperimentelle observasjoner.

Energiabsorpsjonsanalyse avslørte det i den ABS-fylte batteripakken:

• 49% av slagenergi ble absorbert av fyllmaterialet,
• 29.7% ved batteriene,
• Gjenværende energi ble reflektert.

Omvendt, i den ufylte pakken, 83.4% av energi ble absorbert utelukkende av batteriene, økende feilrisiko.

The stress distribution confirmed that the ABS-filled battery pack had a more uniform load distribution, reducing localized stresses and improving crashworthiness.