一种基于有限元分析的电池卷芯模拟方法与流程

本发明涉及汽车的有限元分析技术领域，具体涉及电动汽车的电池卷芯的有限元模拟方法。

背景技术：

电动汽车作为新能源汽车的重要组成部分，已经成为新能源汽车领域的重要产品。电池作为电动汽车关键部件之一，其安全性能直接影响着电动汽车整车安全性能。为了满足续航里程要求，同时受限于结构布置，电动汽车电池包一般安装与车辆底部。随着电动汽车保有量逐渐增加，其使用工况越来越复杂，已发生多起来自车辆底部的撞击导致电动车起火的事故。电池在碰撞过程中发生起火的主要原因是电池包在受到外物侵入过程时，电池内部隔膜破裂，导致正负极材料发生短路，并产生温升起火。

因此，在设计阶段能评估电动车碰撞安全性能就显得十分重要，这样可以避免实车碰撞过程中，由于结构侵入引起的电池短路风险。而设计阶段可以采用的手段是开展电池卷芯有限元模拟。通常的电池卷芯1的结构如图1所示，主要是由2层隔膜1-1、1层正极1-2和1层负极1-3共四层材料卷绕而成，卷绕示意如图1中a视图所示。针对这种卷芯，一般采用两两节点重合的五面体或六面体实体单元进行建模，且卷芯材料为各向同性材料属性。卷芯有限元模型2如图2、图2a和图2b所示，五面体单元2-1侧面上的节点2-1-1与六面体单元2-2侧面上的节点2-2-1为同一个节点，单元2-1上的节点2-1-2与单元2-2上的节点2-2-2为同一个节点，单元2-1上的节点2-1-3与单元2-2上的节点2-2-3为同一个节点，单元2-1上的节点2-1-4与单元2-2上的节点2-2-4为也为同一个节点，即两两重合。

上述电池卷芯模拟方式存在如下缺点：(1)该方式在厚度方向模拟较为准确，但是在高度方向(图1所示卷芯z方向)和长度方向(图1所示卷芯y方向)上无法模拟卷芯挤压过程中的分层现象；(2)材料属性为各向同性，一个模型无法同时模拟三个方向的力学性能。若电池卷芯受到厚度方向(图1所示卷芯x方向)的挤压，那么仿真分析前，则需要输入厚度方向的材料属性；若受到长度方向(图1所示卷芯y方向)的挤压时，则需要输入长度方向的材料属性，使用复杂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于有限元分析的电池卷芯模拟方法，建立各向异性电池卷芯模型，使得模拟更准确，计算效率更高。

本发明的技术方案如下：

一种基于有限元分析的电池卷芯模拟方法，包括如下步骤：

首先，根据电池卷芯轮廓尺寸长度a×厚度b×高度h和实际卷绕圈数m，确定电池卷芯有限元模型简化卷绕圈数为n，那么厚度上分布的有限元单元数量为2n。

进一步的，根据电池卷芯尺寸，在三维cad软件中建立1：1比例大小的电池卷芯cad模型；

所建立的电池卷芯cad模型与实物接近，仅由一层厚度为b/2n的长方体卷绕而成。

其次，将所建立的电池卷芯cad模型导入有限元前处理软件中，设定单元尺寸为b/2n，采用六面体单元建立电池卷芯的有限元模型。

这里的单元尺寸b/2n是指单元的长、宽、高。前处理软件会根据设定的这个尺寸进行单元划分，因为需要划分的零件并不是一个规则的长方体(或零件尺寸不是设定单元尺寸的整数倍)，而是存在一些特征，比如弧度、非直角等，所以最后实际划分出来的单元尺寸并不是绝对的开始设定的单元尺寸，而是有限元前处理软件内部经过优化计算得出的质量最优的单元，其尺寸可能大于或小于设定的单元尺寸，且形状也不是绝对的长方体。

所述电池卷芯有限元模型中的六面体单元被赋予厚壳单元类型，其厚度方向与电池卷芯厚度方向一致。

在有限元模拟中，非常常见的三种单元类型是壳单元、厚壳单元和实体单元。壳单元具体形式是三节点三角形单元、四节点四边形单元等；厚壳单元的具体形式是八节点六面体形状单元；实体单元的具体形式是八节点六面体形状单元、四节点四面体形状单元等。虽然六面体形状单元可以是厚壳单元类型，也可以是实体单元类型，但是只有厚壳单元类型具有和实体单元类型一样的形状，同时具有和壳单元一样的模拟方法，该厚壳单元类型可以在其厚度方向上根据需要设定多个积分点，每个积分点可以赋予不同的厚度和不同的材料。这样在本发明中，虽然没有按照电池卷芯实际结构，建立1：1的正极、负极、隔膜的有限元模型，而是被简化为了n圈，但是每1圈在厚度方向上能够通过设定的积分点模拟每一层正极、负极和隔膜。最后简化的有限元模型仅在层数上与实物有区别，但是对应的每一种材料(正极、负极、隔膜)属性、总体尺寸均能与实物一一对应。

所述厚壳单元在厚度方向上的积分点数量为4m/n，根据卷芯实际结构，由外向内，每个积分点分别代表隔膜、正极、隔膜、负极，共重复m/n次。

第三，赋予所建电池卷芯有限元模型材料属性；

所述正极的材料属性由多层正极叠加进行三个方向挤压测试得到的力-位移数据转化而来，负极和隔膜的材料属性获取方式同正极一致。

所述正极、负极和隔膜的材料属性具有统一的局部坐标系。

本发明的优点如下：

1.采用本发明方法，卷绕起来的每层厚壳单元之间可相对滑动，能模拟卷芯受挤压时，层与层之间的分层现象，模拟更准确。

传统的模拟方法，一个单元与其周围临近的单元(4个或5个单元)之间节点都是重合的，而本发明的模拟方法，一个单元仅与同一层上的2个单元之间节点重合，而与附近层的单元之间节点是不重合的，这种层间单元节点的不重合才能相对滑动。或者用更形象的说法，将一个有一定厚度的长条形纸带卷绕起来，然后压扁后就形成了一个电池卷芯，传统的模拟方法类似在这些卷绕起来的纸带间刷了一层胶水，层与层间是固连的，本模拟方法类似没有刷胶水，与实际更符合。

2.采用本发明方法，用1层网格代表多层正极、负极和隔膜，仅用积分点来代表实际正极、负极和隔膜的层数，减少有限元模型单元数量，节约计算效率。

3.采用本发明方法，材料属性具备各向异性特性，且具有局部坐标系，卷芯模型在使用时，可根据需要进行任意移动、旋转，而不需要人为根据受力方向调整材料属性，使用方便。

附图说明

图1是现有技术的电池卷芯的卷绕结构示意图；

图1a是图1的a向视图；

图2是针对图1所示卷绕结构的卷芯有限元模型；

图2a是图2中的五面体单元2-1的结构图；

图2b是图2中的六面体单元2-2的结构图；

图3是本发明方法涉及的电池卷芯的卷绕结构示意图；

图4是本发明方法采用六面体单元建立电池卷芯有限元模型4；

图4a是图4中的厚壳单元4-1的结构图；

图4b是图4中的厚壳单元4-2的结构图；

图5是电池卷芯在厚度方向依次分布的节点的示意图；

图6是获得挤压测试数据的挤压测试示意图。

具体实施方式

下面结合附图，以1层正极、1层负极和2层隔膜卷绕25圈形成的卷芯为例，具体说明本发明方法的实施步骤：

1、建立电池卷芯cad模型

首先确定简化电池卷芯3的缠绕圈数为5，根据卷芯实际尺寸确定简化电池卷芯3的长度3-1、厚度3-2和高度3-3。

进一步在本实施例中，根据简化电池卷芯3的长度3-1、厚度3-2和高度3-3，在三维制图软件中建立其对应的cad模型，如图3所示。

本实施例中，所建立的简化电池卷芯3的单层厚度为3-1-1。这个单层厚度是当简化圈数确定(比如本例中为5)，那么该电池卷芯模型在厚度方向上就有5*2=10层，而电池卷芯厚度尺寸3-2可以测量，用电池卷芯厚度尺寸除以10就可以得到单层的厚度。

2、建立有限元模型

将所建立的简化电池卷芯3的cad模型导入有限元前处理软件中，采用六面体单元建立电池卷芯有限元模型4,如图4、图4a和图4b所示。

本实施例中，所述的电池卷芯有限元模型4由一个个厚壳单元（即六面体单元）组成，例如邻近的不同层间厚壳单元4-1和厚壳单元4-2，一个位于第4层，一个位于第5层，它们外观相同，尺寸有差异，即两者尺寸并不是绝对的设定的尺寸，而是存在差异。原因是，需要划分的零件并不是一个规则的长方体(或零件尺寸不是设定单元尺寸的整数倍)，而是存在一些特征，比如弧度、非直角等，所以最后实际划分出来的单元尺寸并不是绝对的开始设定的单元尺寸，而是有限元前处理软件内部经过优化计算得出的质量最优的单元，其尺寸可能大于或小于设定的单元尺寸，且形状也不是绝对的长方体。4-1和4-2位于不同的层，两层之间弧度不同，最后尺寸也有差异。

以厚壳单元4-1为例，所述每个厚壳单元均为六面体，其有上下一一对应的各4个节点，分别是4-1-1、4-1-2、4-1-3、4-1-4与4-1-5、4-1-6、4-1-7、4-1-8，厚壳单元的法线方向由节点4-1-1、4-1-2、4-1-3、4-1-4所形成表面指向节点4-1-5、4-1-6、4-1-7、4-1-8所形成表面，两表面之间的距离即为厚壳单元厚度。

所述每个厚壳单元厚度为5*（单层正极厚度+单层负极厚度+2层隔膜厚度）。

所述电池卷芯有限元模型4上位于第4圈上的厚壳单元4-1上的节点4-1-1、4-1-2、4-1-3、4-1-4分别与位于第5圈上的厚壳单元4-2上的节点4-2-1、4-2-2、4-2-3、4-2-4之间不是重合在一起，因此两个单元4-1与4-2之间可相对滑动，能更准确的模拟卷芯在受到挤压时的变形情况。

如图5所示，所述电池卷芯有限元模型4的每个厚壳单元在厚度方向上有20个积分点，以厚壳单元4-2为例，其厚度方向依次分布有节点4-2-9～4-2-28，根据卷芯实际结构，每个积分点分别代表隔膜、正极、隔膜、负极，共重复5次；

3、赋予材料属性

将材料属性赋予电池卷芯的有限元模型4，材料属性根据挤压测试数据获得的力-位移数据转化而来。

挤压测试示意如图6所示，正极的材料属性由从卷芯上裁取的大小相同的多层正极5-1叠加在一起，分别进行x、y和z这三个方向挤压测试，如果要获得x方向的材料属性，则沿x方向对样品施加一对fx载荷；如果要获得y方向的材料数据，则沿y方向对样品施加一对fy载荷；如果要获得z方向的材料数据，则沿y方向对样品施加一对fz载荷。负极和隔膜的材料属性获取方式与正极相同。

本实施例中，正极、负极和隔膜的材料属性具有统一的局部坐标系5-2。