LS-DYNA使用同一模型可以同時求解結(jié)構(gòu)-熱-電等多方面的多物理場問題，可以應(yīng)用在電池的擠壓和針刺方面，可一次性得到結(jié)構(gòu)變形信息、熱信息、電流電壓及SOC剩余載荷等信息。多物理場電池擠壓和針刺采用分布式等效電路模型，可以模擬電池的局部短路，模型中電池電的相關(guān)輸入?yún)?shù)和熱的輸入?yún)?shù)可以與Fluent共用。

本系列將介紹LS-DYNA中電池結(jié)構(gòu)分析相關(guān)的推薦材料模型，以及多物理場擠壓、跌落和針刺案例。

上篇：LS-DYNA電池行業(yè)應(yīng)用介紹（一）

等效電路模型可用于電池的正常充放電、擠壓、針刺、跌落等濫用工況。

上圖展示了常規(guī)的電化學模型，鋰離子從隔膜的一極流向另一極，從而產(chǎn)生電流。想要模擬該微觀電化學過程非常耗時，在工程上想要求解模組級別或pack級別的工況極為復(fù)雜。而我們可以將它簡化為等效電路。LS-DYNA最高可支持三階等效電路，目前使用較多的是一階等效電路，將每一個正極和負極節(jié)點之間簡化成等效電路。用戶只需輸入?yún)?shù)（或曲線） R0，R10，C10等，LS-DYNA可自動建立等效電路進行求解。

隨后利用電路的發(fā)熱r₀乘以i²，考慮可逆放熱以及不可逆的焦耳熱，同時考慮將熱量反饋給電路，以及結(jié)構(gòu)進行求解。

如何獲得電路的參數(shù)？用戶需進行不同SOC、溫度與電流方向下的HPPC實驗，擬合成相應(yīng)的參數(shù)進行求解。

上圖展示了某個短路工況，在結(jié)構(gòu)變形最劇烈的區(qū)域，自動調(diào)用短路判距*EM_RANDLES_SHORT，發(fā)生局部短路時，使用阻值比較小的r₀替換原先的等效電路，并開始發(fā)生急劇的放電。

用戶可以自行在K文件中編寫C語言函數(shù)定義內(nèi)短路判據(jù)。

LS-DYNA提供四種電路搭建模型，如實體單元模型（包含電芯所有層數(shù)的模型），可以使用*EM_RANDLES_SOLID關(guān)鍵字定義，進行正常的充放電。

同時，如果事先已定義了局部短路判定準則，還可以進行擠壓仿真，擠壓到一定程度，電流從另一側(cè)流出，后處理軟件中可以查看電流矢量圖。

Ford進行的電池實驗和仿真對比，實驗包括了兩種類型的電池A和B，材料與尺寸略有差別。分別進行HPPC放電實驗后與LS-DYNA仿真結(jié)果對比。

上圖可以看到實驗與仿真的電壓數(shù)據(jù)基本吻合。

后續(xù)可進行正常的充放電實驗。上圖展示了在不同倍率下進行放電實驗（黑色曲線）與仿真（其他顏色曲線）對比，溫度變化、電壓變化、整體趨勢，以及峰值等關(guān)鍵數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

外短路模型設(shè)置。

假設(shè)該電池模型發(fā)生外短路現(xiàn)象，使用*EM_ISOPOTENTIAL_CONNECT關(guān)鍵字短路連接bus bar，發(fā)生短路和放電，熱量從溫度較高的bus bar逐漸傳向內(nèi)部。

在電池包里設(shè)置多個監(jiān)測點，不同位置的電芯的電流、變化、SOC變化均可以在后處理軟件中畫出。右側(cè)圖表為實驗（實線）中不同位置的溫度與仿真（虛線）結(jié)果對比。

上圖案例展示了單電芯的圓柱擠壓工況下造成短路放電的實驗及數(shù)據(jù)分析。

建立LS-DYNA實體單元模型，為每一層的電芯進行建模。

上圖展示了仿真與實驗的電壓及溫度對比。

若要使用*EM_RANDLE_SOLID進行Pack模組模型（包含上百層電芯）的擠壓仿真，巨大的網(wǎng)格數(shù)需要消耗大量的計算資源。此時模型中可使用厚殼單元加速計算，每個厚殼單元僅包含1~2層電芯即可滿足，且可考慮厚度方向的積分點上電的信息。

通過*PART_COMPOSITE_TSHELL在積分點上定義電材料，以及結(jié)構(gòu)材料，包括比熱容和電導(dǎo)率。

小球撞擊厚殼單元建立的電芯模型，由于結(jié)構(gòu)單元數(shù)量較少，計算速度也相對較快。

圓柱撞擊厚殼單元建立的電芯模型仿真案例，動畫模型中可以觀測到電壓變化，電流密度變化，SOC變化，以及相關(guān)云圖。

除了方型和軟包電池外，LS-DYNA電池模擬同樣適用于圓柱型電池。上圖為厚殼單元建立的圓柱電池模型擠壓模擬。

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