儲備式鋰電池錘擊激活的流固耦合仿真方法

李向陽，牛蘭杰，呂 剛，孫占波

(1.西安交通大學，陜西 西安 710049；2.西安機電信息技術研究所，陜西 西安 710065；3.北京木聯(lián)能軟件股份有限公司西安分公司，陜西 西安 710075)

0 引言

鋰和非水無機溶劑亞硫酰氯(SOCl2)組成的無機電解液一次電池，是近年發(fā)展起來的新型高能化學電源[1]。民用上，作為一次原電池可廣泛應用于通訊、電子、石油勘探、醫(yī)療設備等方面[2]。軍事上，作為儲備式鋰電池在美國、以色列、意大利、德國、法國、韓國等部隊中有大量的用戶群[3-6]。美國已裝備引信的化學電源中，儲備式鋰電池的用量超過了一半。隨著國內(nèi)儲備式鋰電池研制技術的進步，其應用范圍不斷擴大。目前，已在無線電引信、機電引信、電子時間引信、修正引信中得到廣泛應用。

目前儲備式鋰電池的激活方式主要有火工品激活、雙環(huán)境激活、錘擊激活、實彈激活等方法[7]。由于儲備式鋰電池是一次性使用產(chǎn)品，不管以上述哪一種方式激活電池，都會導致電池無法再恢復到原始狀態(tài)。因此，儲備式鋰電池最大的一個缺點是每個電池在使用前放電特性不具備可檢測性，導致在實施軍事打擊時整個武器系統(tǒng)有可能無法正常作用，達不到應有的毀傷效果。如何在使用前對儲備式鋰電池進行可靠性測試，成為一個亟待解決的瓶頸問題。本文提出將ANSYS仿真方法引入到儲備式鋰電池錘擊激活過程中，將激活過程分解成破瓶和進液兩個子過程，從而找出儲備電池激活過程影響因素，指導以后科研、生產(chǎn)。

1 錘擊激活過程及流固耦合方法

1.1 儲備式鋰電池錘擊激活過程

引信用儲備式鋰電池錘擊激活過程，就是指在馬歇特錘擊機的作用下產(chǎn)生過載，激活機構中的插銷開始形變直至斷裂，質(zhì)量塊繼續(xù)運動與玻璃儲液瓶發(fā)生碰撞，瓶體開始出現(xiàn)裂痕直至完全破碎。插銷切斷，激活機構(質(zhì)量塊)運動與儲液瓶碰撞，電解液迅速流出飛濺到電極處，電池電壓建立，從而儲備式鋰電池被激活。整個激活過程主要包括破瓶過程和進液過程。儲備電池內(nèi)部結構如圖1所示。

1.2 ANSYS仿真流固耦合方法

利用ANSYS/LS-DYNA中的流固耦合方法[8-11]對模型進行模擬，耦合系統(tǒng)包括三部分：固體、流體以及流固交界面。固體采用Lagrange算法，流體采用Euler算法，流固耦合方式采用ALE方法來處理相互作用。ALE方法最初出現(xiàn)在數(shù)值模擬流體動力學中的有限差分方法中，這種方法兼具有Lagrange方法和Euler方法的特點。它首先在結構邊界運動的處理上引進Lagrange方法，因此能夠有效跟蹤物質(zhì)結構邊界的運動。即可以清晰獲知儲液瓶的破碎狀態(tài)和碎片的運動軌跡，并且在流固交界面能夠?qū)⒘黧w與固體分開計算，再進行數(shù)據(jù)交換，獨立性好。其次，在內(nèi)部網(wǎng)格的劃分上，它吸收了Euler方法的長處，使內(nèi)部網(wǎng)格單元獨立于物質(zhì)實體而存在，但它又不完全和Euler網(wǎng)格相同，網(wǎng)格可以根據(jù)定義的參數(shù)在求解過程中適當調(diào)整位置，使得網(wǎng)格不至于出現(xiàn)嚴重的畸變。即在儲液瓶破碎的同時，流體無規(guī)則流動，網(wǎng)格隨時進行自動調(diào)整，保證了仿真計算時的穩(wěn)定性，這種方法在分析大變形問題時非常有效。

圖1 儲備電池內(nèi)部結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of internal structure of reserve battery

1.3 三大守恒方程

儲液瓶的破瓶和進液過程在動力學系統(tǒng)上必須滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等三大方程[12-13]。其中，質(zhì)量守恒方程以偏微分方程(即連續(xù)方程)的形式給出，因為質(zhì)量是隨時間變化的。

動量守恒方程表示單位時間內(nèi)流入控制體的動量與作用于控制面和控制體上的外力之和，等于控制體內(nèi)動量的增加量。

能量守恒方程則表示單位時間內(nèi)流入控制體的各種能量與外力所作的功之和，等于控制體內(nèi)能量的增加。

以上三大方程的變量都與時間有關，因此都以偏微分方程形式給出，求解微分形式基本方程，可以得到空間上任何一點的物理量。

2 仿真方法

該方法將儲備式鋰電池的激活過程分為破瓶和進液兩個過程，玻璃儲液瓶的破碎屬于大變形范疇，由固體控制方程決定；而電解液屬于非靜止的不可壓縮流體，由非靜止的不可壓縮Navier-Stocks流體控制方程決定。二者在動力學系統(tǒng)上都必須滿足質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等三大方程。利用ANSYS/LS-DYNA中的流固耦合方法進行模擬。流固耦合系統(tǒng)包括三部分：固體、流體及流固交界面，固體模型質(zhì)量塊、外殼和儲液瓶采用Lagrange算法；流體材料采用ALE算法；流固耦合交界面采用ALE方法來處理相互作用。在馬歇特錘擊機上給質(zhì)量塊施加過載，通過相互作用，激活機構中的插銷開始形變直至斷裂；質(zhì)量塊繼續(xù)運動與玻璃瓶發(fā)生碰撞，玻璃瓶開始出現(xiàn)裂痕直至完全破碎。在仿真中很難模擬電極堆中的隔膜吸液過程，因此，我們假定電解液自由擴散到外殼即為進液時間。隔膜完全浸潤時間可以通過隔膜本身特性所得。玻璃儲液瓶突然破碎后，電解液迅速向四周飛濺，流體矢量指向外殼，過載不同擴散速度也不同。

3 仿真實例和實驗驗證

3.1 仿真實例

3.1.1 數(shù)學模型

為了簡化計算模型，采用1/2模型進行模擬，各部分的尺寸根據(jù)所選取儲備式鋰電池尺寸進行建模，模型分為5個部分：質(zhì)量塊、外殼、儲液瓶、電解液、空氣。node2973是瓶口處選定的一個網(wǎng)絡節(jié)點。其中，質(zhì)量塊和外殼材料都是不銹鋼，儲液瓶是1 mm厚GG17玻璃，電解液為亞硫酰氯溶液，流體材料中空氣采用空白材料。基本模型通過旋轉形成，由于各部分為不規(guī)則結構，因此網(wǎng)格采用V-SWEEP方法進行劃分。所建網(wǎng)格模型圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model

3.1.2 破瓶過程

分別在6 000g、10 000g的過載下，選取0.000 6 s和0.001 2 s兩個時間節(jié)點考察玻璃儲液瓶破碎情況，觀察玻璃碎塊大小。

圖3所示為儲液瓶不同時間，不同過載破瓶情況。由圖3可以看出，儲液瓶開始破碎時間很快。在同一個時間點，過載10 000g比6 000g破瓶更好，隨著過載值的增大，儲液瓶破碎的更完全，更有利于激活時間的減少。6 000g過載在兩個不同時間節(jié)點，破碎情況變化不大；而10 000g過載在兩個不同時間節(jié)點，破碎情況變化大，玻璃碎塊更小，更有利于激活時間的降低。因此， 6 000g過載明顯偏低，不利于激活時間的降低；10 000g以上過載玻璃碎塊很小，有利于激活時間的降低。

圖3 儲液瓶不同時間不同過載破瓶情況Fig.3 Reservoir broken at different time and different overload

為了更好地說明問題，我們選取玻璃瓶口處2973節(jié)點為研究對象，在激活過載分別為6 000g和10 000g時，單獨考核其在整個破瓶過程中速度隨時間的變化關系。不同過載下節(jié)點2973速度時間關系如圖4所示。

從圖4可以看出：初始破瓶階段，節(jié)點速度迅速上升。在10 000g過載下，節(jié)點達到速度峰值31.85 m/s，時間為0.2 ms，對應著完全破瓶點，1.2 ms后速度趨于平穩(wěn)狀態(tài)； 6 000g過載下，節(jié)點達到速度峰值12.87 m/s，時間為0.4 ms，對應著完全破瓶點，2.6 ms后速度趨于平穩(wěn)基本為零。在16 ms處，節(jié)點速度突然升高到15 m/s以上，這可能是節(jié)點在其他碎塊的碰撞下，又獲得了一定的速度所致。

圖4 不同過載下節(jié)點2973速度時間關系Fig.4 Relation between velocity and time of node 2973 at different overload

很顯然，節(jié)點2973在10 000g過載下的速度峰值和速度穩(wěn)定平臺所對應時間遠低于6 000g過載。說明10 000g過載更有利于降低激活時間。

3.1.3 進液過程

在6 000g和10 000g錘擊過載下，分別模擬電解液進液過程，考察進液時間大小。

圖5 不同過載下進液情況Fig.5 Liquid inlet at different overload

由圖5可以看出，在6 000g和10 000g兩個不同激活過載下，電解液完全充滿電極腔體所需時間分別是4.12 ms和1.96 ms，進液時間隨激活過載增大而明顯減小。

再結合該模型下隔膜被電解液完全浸潤所需時間大概為6 ms，因此，10 000g過載下總激活時間為9.16 ms；6 000g過載下總激活時間為12.72 ms。綜合考慮破瓶過程和進液過程，所選模型在6 000g過載下破瓶碎塊偏大，進液偏慢；而在10 000g過載下破瓶碎塊很小，進液很快。再結合引信電源快激活的特點，認為6 000g及以下的激活過載，不利于該模型的激活過程；10 000g及以上的激活過載，有利于整個激活過程。

3.2 實驗驗證

為了驗證仿真結果的準確性， 在仿真值和實驗值相近的條件下， 根據(jù)仿真模型設計了儲備式鋰亞硫酰氯電池原理樣機，設計的試驗電池為單元電池結構，開路電壓3.65 V。常溫，在馬歇特錘擊機上分別以6 000g、10 000g的過載激活，微安級小電流放電，接8861-50電池測試儀，記錄放電曲線如圖6所示。

圖6 錘擊激活放電曲線Fig.6 Discharge curve of hammer activation

從圖5和表1可以看出，儲備式鋰電池分別以6 000g和10 000g的過載激活時，電池電壓達到2.0 V的激活時間分別是58 ms和9.6 ms。再結合引信電源快激活的使用特點，說明6 000g的激活速度較慢，不利于儲備式鋰電池的快速激活；10 000g的激活速度很快，有利于儲備式鋰電池的快速激活。因此，10 000g及以上的激活過載都有利于該模型所對應的儲備式鋰電池快速激活。

表1 不同過載下激活時間仿真值和實測值對比表

表1中10 000g過載下激活時間仿真值和實測值非常接近；6 000g過載下二者差別較大。主要是由于整個激活過程太復雜，在仿真模擬時進行了一定程度的簡化以及所選取的仿真條件更接近于10 000g的實際過載所致。這說明10 000g及以上的激活過載有利于該模型所對應的儲備式鋰電池快速激活，6 000g及以下的激活過載不利于該模型所對應的儲備式鋰電池快速激活。因此，可根據(jù)不同的電池模型進行不同的仿真計算，從而彌補了儲備式鋰電池在使用前放電特性不可檢測的缺憾，在一定程度上提高了儲備式鋰電池作用可靠性。

4 結論

本文提出了儲備式鋰電池錘擊激活過程ANSYS仿真方法。該方法將儲備式鋰電池的激活過程分為破瓶和進液兩個過程，利用ANSYS/LS-DYNA中的流固耦合方法進行模擬，固體模型質(zhì)量塊、外殼和儲液瓶采用Lagrange算法，流體材料采用ALE算法，流固耦合方式采用ALE方法來處理相互作用。仿真模擬出6 000g過載激活時儲液瓶碎塊較大、進液時間偏慢，不利于該模型下的儲備式鋰電池快速激活；而10 000g過載激活時儲液瓶碎塊較小、進液時間很快，有利于該模型下的儲備式鋰電池快速激活。仿真值與實測值進行對比，在10 000g過載下二者接近，而6 000g過載下二者差別較大，表明10 000g及以上的激活過載有利于該模型所對應的儲備式鋰電池快速激活，6 000g及以下的激活過載不利于該模型所對應的儲備式鋰電池快速激活。因此，可根據(jù)不同的電池模型進行不同的仿真計算，從而彌補了儲備式鋰電池使用前放電特性不可檢測的缺憾，在一定程度上提高了儲備式鋰電池作用可靠性。