CN115270549A - 一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法 - Google Patents

一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，包括以下步骤：S1、对圆柱电芯结构三维模型进行简化，构建有限元模型；S2、对卷芯材料进行轴向、径向压缩试验，获取试验应力应变曲线，导入仿真软件的材料本构方程中；S3、对圆柱电芯结构进行平面压缩试验，从轴向与径向两个方向进行压缩，获取第一加载力‑位移曲线；S4、根据圆柱电芯结构有限元模型，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，将仿真结果与试验结果对标；S5、通过修正卷芯的材料参数进行仿真与试验对标；S6、将对标完成的圆柱电芯结构有限元模型导入电池包模型，对电池包进行力学仿真分析，本发明能满足工程上圆柱电芯动力电池包的实际仿真要求，大幅度减少研发时间与成本。

Description

一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法
技术领域
本发明涉及电池包结构有限元仿真技术领域，具体涉及一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法。
背景技术
现有的涉及圆柱电芯结构的建模计算方法主要有以下几种：
方法一、构建电芯内部结构完整模型，网格尺寸小，材料属性为各向同性的弹性属性，计算精度高。
方法二、电芯看作整体，采用体单元模拟，不考虑内部结构材料差异，材料属性为正交异性的弹性属性，计算规模小。
方法三、将电芯内部结构及正负极结构看成整体，采用体单元模拟，电芯外壳采用壳单元模拟，材料属性为各向同性的弹性属性，计算规模较小。
以上几种电芯结构的建模计算方法在特定的情况下均可使用，但是仍存在以下不足之处：
1.当关注电芯发生大变形的分析时，方法二的材料属性为弹性，因此无法获取准确的塑性变形数据。
2.当关注电芯不同方向受力的影响时，方法三的材料属性为各向同性，在电芯轴向受力情况下精度极差。
3.当进行电池包仿真分析时，上述方法一网格尺寸小，导致时间步长小，因此计算时间久、服务器硬件条件要求高，上述方法二、方法三无法满足电池包大变形仿真分析的精度需求。
针对现有圆柱电芯结构建模计算方法不能同时满足计算规模小、计算精度高的情况，构建一种满足工程精度需求及计算成本要求的圆柱电芯有限元模型,该模型关键材料的本构模型为各向异性材料属性。对圆柱电芯进行平面轴向、径向压缩试验获取加载力与位移曲线，利用圆柱电芯模型进行仿真模拟并对标试验。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法。
本发明的技术方案如下：
一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，包括：
S1、对圆柱电芯结构三维模型进行简化，构建有限元模型，具体步骤为：
S1.1、圆柱电芯结构三维模型由四部分组成：盖帽、密封圈、电芯外壳、卷芯；
S1.2、对盖帽、密封圈采用四面体单元网格划分，对卷芯采用六面体网格划分，对电芯外壳采用壳单元网格划分；
S1.3、电芯外壳滚槽及附近区域采用加密网格划分，加密网格与正常网格间由过度网格连接。
S2、对卷芯材料进行轴向、径向压缩试验，获取试验应力应变曲线，导入仿真软件的材料本构方程中。
S3、对圆柱电芯结构进行平面压缩试验，从轴向与径向两个方向进行压缩，获取第一加载力-位移曲线。
S4、根据圆柱电芯结构有限元模型，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，将仿真结果与试验结果对标。
S5、通过修正卷芯的材料参数进行仿真与试验对标。
S6、将对标完成的圆柱电芯结构有限元模型导入电池包模型，对电池包尺度的跌落、冲击、挤压等安全测试工况进行力学仿真分析。
在本发明中，所述盖帽为顶盖、防爆片、垫圈、孔板简化后的集合定义，盖帽与电芯外壳之间由密封圈隔开，且电芯外壳模型清除几何倒角倒圆特征，卷芯为电芯内部，包括隔膜、正负极极片、极耳简化后的集合定义，且卷芯材料与正负极极片、隔膜、电解液材料一致。
在本发明中，所述盖帽、密封圈的四面体单元、卷芯的六面体单元以及电芯外壳的壳单元中模型单元的尺寸为1.8㎜，雅可比系数最小值为0.7，翘曲度最大值为34°，电芯外壳滚槽及附近区域的加密单元中的单元尺寸为0.9㎜。
在本发明中，所述步骤S2中，卷芯材料进行轴向、径向压缩试验后得到力位移数据，转换成应力应变曲线，导入至蜂窝状金属(MetalHoneycomb)材料本构模型中，其中对应X方向的载荷曲线导入轴向压缩试验应力应变曲线，对应Y方向与Z方向的载荷曲线导入径向压缩试验应力应变曲线，密度为实际质量除以模型体积。
进一步的，所述步骤S3中，对圆柱电芯结构进行平面压缩试验，选取6颗圆柱电芯，利用电池挤压试验机进行轴向、径向压缩试验，各三次，获取力位移曲线，要求试验前对测试仪器进行力与位移传感器标定，电芯受力面均匀，压缩过程中电芯不发生明显偏移。
进一步的，所述步骤S4中，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，在圆柱电芯结构有限元模型基础上，添加与电芯平面压缩试验相同的边界条件，包括电池挤压试验机的圆盘及支撑板，将圆盘及支撑板均定义为刚体，限制支撑板的全部自由度，圆盘只保留上下位移的自由度，在轴向压缩仿真中，X方向为圆盘运动的方向，径向压缩仿真中，Y方向为圆盘的运动方向。
进一步的，所述步骤S4中，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，在圆柱电芯结构有限元模型基础上，添加不同零部件间的接触关系，不同零部件间均采用面面接触，其中，电芯外壳与密封圈间的静摩擦系数为0.3、动摩擦系数为0.15，密封圈与盖帽间的静摩擦系数为0.15、动摩擦系数为0.1，卷芯与电芯外壳间的动静摩擦系数均为0.1，卷芯与盖帽、密封圈间的动摩擦系数为0.5、静摩擦系数为0.25。
进一步的，所述步骤S5中，需通过检查能量曲线，确保仿真中使用了正确的单元类型和准确的接触关系，调整蜂窝状金属(MetalHoneycomb)材料本构中三个方向的正应力应变曲线与剪切应力应变曲线，再次提交求解，处理后获取第二加载力-位移曲线，随后分别计算轴向、径向压缩试验与仿真的两条力-位移曲线的皮尔森系数，以判断两条曲线的相关性，如皮尔森系数均大于0.8，即对标完成，否则重复上述步骤。
更进一步的，所述步骤S6中，在对标完成后，将圆柱电芯结构有限元模型、圆柱电芯材料参数、内部的接触关系导入电池包模型中，设定圆柱电芯与电芯支架间的接触关系为面面接触，其中静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，粘性阻尼系数为20，最终进行电池包安全测试力学仿真。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明提供的圆柱电芯有限元建模计算方法可以同时虑到电芯外壳、密封圈、卷芯、盖帽之间的接触关系，使分析结果更符合实际，能满足工程上圆柱电芯动力电池包的实际仿真要求，通过对卷芯各向异性材料本构模型的参数进行标定，实现电芯径向、轴向受力工况下的高精度仿真分析，同时具备计算规模较小的优点。计算结果与试验获取的数据结果高度吻合，大幅度减少研发时间与成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法的流程图；
图2为所述圆柱电芯结构中盖帽的有限元模型示意图；
图3为所述圆柱电芯结构中密封圈的有限元模型示意图；
图4为所述圆柱电芯结构中电池外壳的有限元模型示意图；
图5为所述圆柱电芯结构中卷芯的有限元模型示意图。
附图标记说明如下：
1、盖帽；2、密封圈；3、外壳；31、电芯外壳滚槽；4、卷芯。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例
请参阅图1至图5，本实施例提供的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，包括：
S1、对圆柱电芯结构三维模型进行简化，构建有限元模型，具体步骤为：
S1.1、圆柱电芯结构三维模型由四部分组成：盖帽1、密封圈2、电芯外壳3、卷芯4；
S1.2、对盖帽1、密封圈2采用四面体单元网格划分，对卷芯4采用六面体网格划分，对电芯外壳3采用壳单元网格划分；
S1.3、电芯外壳滚槽31及附近区域采用加密网格划分，加密网格与正常网格间由过度网格连接。
S2、对卷芯4材料进行轴向、径向压缩试验，获取试验应力应变曲线，导入仿真软件的材料本构方程中。
S3、对圆柱电芯结构进行平面压缩试验，从轴向与径向两个方向进行压缩，获取第一加载力-位移曲线。
S4、根据圆柱电芯结构有限元模型，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，将仿真结果与试验结果对标。
S5、通过修正卷芯4的材料参数进行仿真与试验对标。
S6、将对标完成的圆柱电芯结构有限元模型导入电池包模型，对电池包尺度的跌落、冲击、挤压等安全测试工况进行力学仿真分析。
在本发明中，盖帽1为顶盖、防爆片、垫圈、孔板简化后的集合定义，盖帽1与电芯外壳3之间由密封圈2隔开，且电芯外壳3模型清除几何倒角倒圆特征，卷芯4为电芯内部，包括隔膜、正负极极片、极耳简化后的集合定义，且卷芯4材料与正负极极片、隔膜、电解液材料一致。
在本发明中，盖帽1、密封圈2的四面体单元、卷芯4的六面体单元以及电芯外壳3的壳单元中模型单元的尺寸为1.8㎜，雅可比系数最小值为0.7，翘曲度最大值为34°，电芯外壳滚槽31及附近区域的加密单元中的单元尺寸为0.9㎜。
在本发明中，步骤S2中，卷芯4材料进行轴向、径向压缩试验后得到力位移数据，转换成应力应变曲线，导入至蜂窝状金属(MetalHoneycomb)材料本构模型中，其中对应X方向的载荷曲线导入轴向压缩试验应力应变曲线，对应Y方向与Z方向的载荷曲线导入径向压缩试验应力应变曲线，密度为实际质量除以模型体积。
进一步的，步骤S3中，对圆柱电芯结构进行平面压缩试验，选取6颗圆柱电芯，利用电池挤压试验机进行轴向、径向压缩试验，各三次，获取力位移曲线，要求试验前对测试仪器进行力与位移传感器标定，电芯受力面均匀，压缩过程中电芯不发生明显偏移。
进一步的，步骤S4中，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，在圆柱电芯结构有限元模型基础上，添加与电芯平面压缩试验相同的边界条件，包括电池挤压试验机的圆盘及支撑板，将圆盘及支撑板均定义为刚体，限制支撑板的全部自由度，圆盘只保留上下位移的自由度，在轴向压缩仿真中，X方向为圆盘运动的方向，径向压缩仿真中，Y方向为圆盘的运动方向。
进一步的，步骤S4中，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，在圆柱电芯结构有限元模型基础上，添加不同零部件间的接触关系，不同零部件间均采用面面接触，其中，电芯外壳3与密封圈2间的静摩擦系数为0.3、动摩擦系数为0.15，密封圈与盖帽间的静摩擦系数为0.15、动摩擦系数为0.1，卷芯与电芯外壳间的动静摩擦系数均为0.1，卷芯与盖帽、密封圈间的动摩擦系数为0.5、静摩擦系数为0.25。
进一步的，步骤S5中，需通过检查能量曲线，确保仿真中使用了正确的单元类型和准确的接触关系，调整蜂窝状金属(MetalHoneycomb)材料本构中三个方向的正应力应变曲线与剪切应力应变曲线，再次提交求解，处理后获取第二加载力-位移曲线，随后分别计算轴向、径向压缩试验与仿真的两条力-位移曲线的皮尔森系数，以判断两条曲线的相关性，如皮尔森系数均大于0.8，即对标完成，否则重复上述步骤。
更进一步的，步骤S6中，在对标完成后，将圆柱电芯结构有限元模型、圆柱电芯材料参数、内部的接触关系导入电池包模型中，设定圆柱电芯与电芯支架间的接触关系为面面接触，其中静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，粘性阻尼系数为20，最终进行电池包安全测试力学仿真。
虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对圆柱电芯结构三维模型进行简化，构建有限元模型，具体步骤为：
S1.1、圆柱电芯结构三维模型由四部分组成：盖帽、密封圈、电芯外壳、卷芯；
S1.2、对盖帽、密封圈采用四面体单元网格划分，对卷芯采用六面体网格划分，对电芯外壳采用壳单元网格划分；
S1.3、电芯外壳滚槽及附近区域采用加密网格划分，加密网格与正常网格间由过度网格连接。
S2、对卷芯材料进行轴向、径向压缩试验，获取试验应力应变曲线，导入仿真软件的材料本构方程中。
S3、对圆柱电芯结构进行平面压缩试验，从轴向与径向两个方向进行压缩，获取第一加载力-位移曲线。
S4、根据圆柱电芯结构有限元模型，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，将仿真结果与试验结果对标。
S5、通过修正卷芯的材料参数进行仿真与试验对标。
S6、将对标完成的圆柱电芯结构有限元模型导入电池包模型，对电池包尺度的跌落、冲击、挤压等安全测试工况进行力学仿真分析。
2.根据权利要求1所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述盖帽为顶盖、防爆片、垫圈、孔板简化后的集合定义，盖帽与电芯外壳之间由密封圈隔开，且电芯外壳模型清除几何倒角倒圆特征，卷芯为电芯内部，包括隔膜、正负极极片、极耳简化后的集合定义，且卷芯材料与正负极极片、隔膜、电解液材料一致。
3.根据权利要求1所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述盖帽、密封圈的四面体单元、卷芯的六面体单元以及电芯外壳的壳单元中模型单元的尺寸为1.8㎜，雅可比系数最小值为0.7，翘曲度最大值为34°，电芯外壳滚槽及附近区域的加密单元中的单元尺寸为0.9㎜。
4.根据权利要求1所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述步骤S2中，卷芯材料进行轴向、径向压缩试验后得到力位移数据，转换成应力应变曲线，导入至蜂窝状金属(Metal Honeycomb)材料本构模型中，其中对应X方向的载荷曲线导入轴向压缩试验应力应变曲线，对应Y方向与Z方向的载荷曲线导入径向压缩试验应力应变曲线，密度为实际质量除以模型体积。
5.根据权利要求4所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述步骤S3中，对圆柱电芯结构进行平面压缩试验，选取6颗圆柱电芯，利用电池挤压试验机进行轴向、径向压缩试验，各三次，获取力位移曲线，要求试验前对测试仪器进行力与位移传感器标定，电芯受力面均匀，压缩过程中电芯不发生明显偏移。
6.根据权利要求5所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，在圆柱电芯结构有限元模型基础上，添加与电芯平面压缩试验相同的边界条件，包括电池挤压试验机的圆盘及支撑板，将圆盘及支撑板均定义为刚体，限制支撑板的全部自由度，圆盘只保留上下位移的自由度，在轴向压缩仿真中，X方向为圆盘运动的方向，径向压缩仿真中，Y方向为圆盘的运动方向。
7.根据权利要求6所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述步骤S4中，对圆柱电芯平面压缩过程进行仿真，在圆柱电芯结构有限元模型基础上，添加不同零部件间的接触关系，不同零部件间均采用面面接触，其中，电芯外壳与密封圈间的静摩擦系数为0.3、动摩擦系数为0.15，密封圈与盖帽间的静摩擦系数为0.15、动摩擦系数为0.1，卷芯与电芯外壳间的动静摩擦系数均为0.1，卷芯与盖帽、密封圈间的动摩擦系数为0.5、静摩擦系数为0.25。
8.根据权利要求7所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述步骤S5中，需通过检查能量曲线，确保仿真中使用了正确的单元类型和准确的接触关系，调整蜂窝状金属(Metal Honeycomb)材料本构中三个方向的正应力应变曲线与剪切应力应变曲线，再次提交求解，处理后获取第二加载力-位移曲线，随后分别计算轴向、径向压缩试验与仿真的两条力-位移曲线的皮尔森系数，以判断两条曲线的相关性，如皮尔森系数均大于0.8，即对标完成，否则重复上述步骤。
9.根据权利要求8所述的一种圆柱电芯的结构有限元建模计算方法，其特征在于，所述步骤S6中，在对标完成后，将圆柱电芯结构有限元模型、圆柱电芯材料参数、内部的接触关系导入电池包模型中，设定圆柱电芯与电芯支架间的接触关系为面面接触，其中静摩擦系数为0.2，动摩擦系数为0.1，粘性阻尼系数为20，最终进行电池包安全测试力学仿真。
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CN116227295A (zh) * 2023-03-10 2023-06-06 宁夏宝丰昱能科技有限公司 电池包有限元建模方法、装置、计算机设备及存储介质
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