动力电池的冲击动态失效机制和耐撞性电池组研究

Green vehicle is an important development direction of the vehicle industry. More and more attention has been paid to the safety of Electric Vehicles (EV) after several collision fire accidents. The battery safety is the key of the EV safety, since the short circuit of the battery cells due to damage in the collision accidents can result in smoke generation or combustion of the battery back. However, most of the studies on the failure of power battery cells are limited in the static cases, while the studies in the crushing cases are few. Besides, the safety evaluation standard is still lack for the battery cells crushed under dynamic load.. In the present project, the homogenized mechanical model and the failure criteria will be built for the jelly roll of Lithium-ion battery under dynamic crushing. Then the dynamic failure mechanism and the critical failure conditions of the battery cells will be studied, in order to find the crushing and the deformation limits that the cells can bear, as well as the influence factors. It will be helpful to the dynamic optimization of the battery cells and developing the relevant safety evaluation standard. Furthermore, the lightweight energy-absorption material or components will be designed into battery packs to improve the safety of the battery cells, which provides a new thought in designing lightweight crashworthy power battery packs.

新能源汽车作为一个新兴产业被视为汽车产业发展的重要技术方向。国内外数起电动汽车碰撞起火事故，使电动汽车安全成为行业研究和消费者关注的重点。电池安全是电动汽车安全性的关键，动力电池在碰撞事故中失效短路是引发灾难性后果的元凶。目前国内外关于动力电池受力失效的研究多局限于准静态加载，而在冲击动载下的研究才刚刚起步，很多科学问题有待于解决，电池在碰撞荷载下的安全评价标准也尚未建立。. 本项目首先建立锂离子电芯在冲击动载下的均匀化等效力学模型和失效判据，以此为基础对单体电池的动态失效机制和临界失效条件开展研究，明晰电池可承受的冲击和变形的容限及其影响因素，以期对单体电池的动力学设计和优化以及制定相关的安全评价标准提供依据。进一步探讨将轻质高效的吸能材料和元件设计到电池组中以提高电池的碰撞安全性，为设计轻质耐撞的动力电池组提供一条新思路和科学依据。

新能源汽车作为新兴产业被视为汽车产业发展的重要技术方向，动力电池在碰撞事故中的失效短路严重威胁着电动车的安全性。本项目针对国内外对动力电池在碰撞荷载下的失效研究和安全评价标准的缺乏，研究电池的碰撞动态响应和失效机制及其判据，提出电池可承受的冲击和变形的容限及影响因素，并探讨将轻质高效的吸能材料和元件设计到电池组中以提高电池的碰撞安全性。项目内容已按计划完成，发表学术论文 29 篇，其中 SCI 收录22 篇；申请国家发明专利 8 项，已授权4项；研发的等能量落锤冲击试验机已授权国家实用新型专利 1 项。项目揭示了电池多层结构的惯性效应主导其动态失效行为，诠释了动力电池表现出的“动态负效应”这一被Wierzbick教授等著名学者称作“难以解释的反直观现象”。研究发现了动力电池的“延迟失效”行为，并分析了该行为分别在动、静载下的不同产生机制，这可能是动力电池在机械滥用事故后发生延迟自燃的原因。这对目前使用宏观力/电压拐点作为电池失效预测指标的有效性提出了挑战，进一步建立了机械滥用下锂离子电池的安全评估纲要。设计研发了具有负泊松比、压扭耦合等超常力学性能的轻质多孔材料，受到包括多国院士在内的著名学者的好评和采用。提出了填充电池组的防护方案和优化方法，使动力电池组的耐撞安全性大幅提高。本项目的研究成果对完善现行动力电池的安全评价标准提供依据，也为设计轻质耐撞的动力电池组系统提供了一条新思路和科学依据。