卷繞式鋰離子電池單體有限元建模方法研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

曲 杰，黃美華，王 超，劉明建，杜顯赫

(1.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 廣州 510641； 2.維沃移動(dòng)通信有限公司， 廣東 東莞 523000)

在鋰離子電池的設(shè)計(jì)制造過(guò)程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師和制造商使用的方法往往是先測(cè)試、再制造。若要將鋰電池作為部件置于手機(jī)或其他電子設(shè)備中進(jìn)行整體仿真計(jì)算，則需要開發(fā)一個(gè)具有高計(jì)算效率和準(zhǔn)確性的計(jì)算模型，這對(duì)于減少昂貴的測(cè)試費(fèi)用、縮短測(cè)試周期是必不可少的。

蘭鳳崇等[1]對(duì)車用動(dòng)力電池進(jìn)行局部球痕擠壓和平面擠壓試驗(yàn)，采用均質(zhì)化建模方法建立的電池模型預(yù)測(cè)了2種工況下的載荷-位移曲線及短路失效時(shí)刻。Wang等[2]建立了一種袋式鋰離子電池的各向異性均質(zhì)化有限元模型，該模型的18個(gè)參數(shù)通過(guò)不同加載條件進(jìn)行標(biāo)定，最終建立的模型能夠合理預(yù)測(cè)電池整體屈曲行為。Sheikh等[3]針對(duì)18650圓柱形鋰離子電池采用同心分層成型方法建立了一種電池分層模型，每層厚度為0.3 mm，共模擬了27層，仿真結(jié)果表明所開發(fā)的模型能夠準(zhǔn)確捕獲電池的機(jī)械和熱響應(yīng)。Wang等[4]基于18650圓柱形電池中正負(fù)極、隔膜等部件的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果建立這些部件材料的本構(gòu)模型，以及包含隔膜、正極、負(fù)極和電池外殼的電池詳細(xì)計(jì)算有限元模型，所建立的模型能夠很好地預(yù)測(cè)電池在徑向壓縮、壓痕、彎曲和軸向壓縮下的力學(xué)行為，并在加載條件下很好地捕捉單元的變形，為基于隔膜應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行電池短路預(yù)測(cè)提供了參考。Lee等[5]通過(guò)考慮材料的非線性，包括應(yīng)變率效應(yīng)和材料各向異性引起的硬化，開發(fā)了一種非線性機(jī)械詳細(xì)分層(NDL)模型，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)由于LIB電池的非線性行為和隔膜破裂而產(chǎn)生的內(nèi)部短路。該模型準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了在3種不同直徑壓頭的準(zhǔn)靜態(tài)壓痕試驗(yàn)下由于隔膜斷裂所引起的載荷-位移響應(yīng)和內(nèi)部短路時(shí)刻。Kulkarni等[6]提出并分析了堆疊鋰離子電池的不同有限元建模方法，包括非均質(zhì)方法、均勻方法、混合方法和夾層方法。對(duì)于每種建模方法，均創(chuàng)建了一個(gè)電池模型，并從模型復(fù)雜性和仿真時(shí)間2個(gè)方面對(duì)模型進(jìn)行了分析比較。Orhan等[7]提出了一種袋式電池單元力學(xué)建模方法，通過(guò)建立均質(zhì)材料模型來(lái)表征單元的壓縮、拉伸特性以及失效準(zhǔn)則，并通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊載荷驗(yàn)證了電池有限元模型的有效性。所建立的電池有限元模型同時(shí)具有考慮單元的壓縮和拉伸特性、易于原型化、節(jié)省時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。Raffler等[8]提出了一種基于參數(shù)化梁?jiǎn)卧膱A柱形鋰離子電池力學(xué)建模方法，并通過(guò)離散梁公式定義各向異性材料行為。在仿真過(guò)程中，建立了考慮電池正極變形和徑向變形的短路預(yù)測(cè)準(zhǔn)則。所建立的電池模型與由實(shí)體及殼單元組成的典型單元模型相比，可以減少90%的總CPU計(jì)算時(shí)間。

目前，鋰離子電池建模研究中的電池類型主要為卷繞式圓柱形電池、層疊式方形電池，而對(duì)卷繞式方形鋰離子電池的建模研究較少?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于鋰離子電池建模的方法主要有2種，一種是均質(zhì)化建模，另一種為細(xì)致化建模[9-10]。但在現(xiàn)有研究中，采用均質(zhì)化建模方法來(lái)建立電池均質(zhì)化模型以預(yù)測(cè)電池的機(jī)械響應(yīng)、熱響應(yīng)或者內(nèi)短路故障的相關(guān)研究居多，在電池細(xì)致化建模和電池模型簡(jiǎn)化方法研究中，一種兼求高計(jì)算效率、仿真結(jié)果準(zhǔn)確的電池模型建模方法仍屬空白。

本文中基于拆解的卷繞式方形鋰離子電池的具體結(jié)構(gòu)，采用代表體元法開發(fā)了一種包含鋁塑膜、電池電芯、底黃膠、熱熔膠、極耳等部件的精細(xì)化電池有限元模型，同時(shí)進(jìn)一步將電池電芯的每個(gè)微觀層按比例放大，得到2種簡(jiǎn)化的電池有限元模型。對(duì)電池進(jìn)行平面擠壓試驗(yàn)，對(duì)3種電池模型進(jìn)行平面擠壓仿真，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果驗(yàn)證仿真模型的有效性。通過(guò)分析3種模型計(jì)算時(shí)的耗時(shí)、內(nèi)存占用率比較其計(jì)算效率。采樣局部球頭擠壓試驗(yàn)以驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型受局部載荷下的機(jī)械響應(yīng)的準(zhǔn)確性。構(gòu)建的精細(xì)化電池模型可為不同機(jī)械載荷條件下的力學(xué)響應(yīng)特性、內(nèi)部短路機(jī)理和失效破壞研究提供基礎(chǔ)。簡(jiǎn)化的電池模型可被置于汽車中或電子設(shè)備中進(jìn)行相關(guān)性能的整體仿真分析。該電池模型的簡(jiǎn)化方法可為電池有限元模型的簡(jiǎn)化研究提供思路。

1 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及建?；A(chǔ)

1.1 電池結(jié)構(gòu)

常見的鋰離子電池可按照電池外形分為圓柱形鋰離子電池、方形鋰離子電池和紐扣式鋰離子電池；按照外殼材質(zhì)分為鋼殼鋰離子電池、鋁殼鋰離子電池和鋁塑膜鋰離子電池；按照電芯生產(chǎn)工藝的不同分為卷繞式和層疊式。電池內(nèi)部主要由含鋰化合物的正極材料、電解質(zhì)、隔膜、負(fù)極材料(石墨)和外殼等5個(gè)部分組成。其中，正極片由正極集流體和涂覆在集流體表面的正極活性涂層組成，負(fù)極片由負(fù)極集流體和涂覆在集流體上的負(fù)極活性涂層組成，較厚的涂層可實(shí)現(xiàn)更高的能量存儲(chǔ)，較薄的涂層可提高功率性能，隔膜則處于正極片和負(fù)極片之間以避免正負(fù)電極的直接物理接觸，防止電路短路，同時(shí)保證電解質(zhì)內(nèi)鋰離子盡可能地在正極和負(fù)極之間自由傳導(dǎo)。正負(fù)極片和隔膜經(jīng)堆疊或者卷繞成電池電芯后裝入電池外殼中，經(jīng)注液、封口、化成及老化等工序后批量生產(chǎn)出鋰離子電池。圖1所示為研究的卷繞式方形鋰離子電池。

鋰離子電池在承受各種載荷時(shí)的機(jī)械性能取決于其“形狀因素”，“形狀因素”主要由電極/隔膜等組件的特定布置決定。所研究的方形軟包鋰離子電池的電芯由石墨陽(yáng)極、鈷酸鋰陰極和隔膜卷繞而成，最外層由鋁塑膜進(jìn)行包裹。電池基本特性：長(zhǎng)度為84.6～85 mm,寬度為58～60 mm,厚度為4.5～4.6 mm，額定容量為4 920 mAh/18.94 Wh，典型電容量為5 000 mAh/19.25 Wh，放電溫度為≤70℃，標(biāo)稱電壓為3.85 V，充電截止電壓為4.4 V，電池質(zhì)量為135 g。

1.2 電池電芯微觀代表體元模型

如圖2所示，對(duì)電池進(jìn)行拆解，研究電池的內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)。當(dāng)展開拆解后的電池電芯時(shí)，可以看到電池電芯由陰極-隔膜-陽(yáng)極交替組成，采用卷繞折疊工藝而不是堆疊工藝制成。除此之外，還發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極和陰極涂層很容易從集流體上斷開，類似于1疊卡片。同時(shí)，可以觀察到共有15塊獨(dú)立的銅陽(yáng)極板、13塊雙面涂層鋁板和4塊單面涂層鋁板，中間由隔膜隔開，如圖2所示。

圖2 電池拆解圖

組成電池電芯的集流體、隔膜和活性物質(zhì)的微觀力學(xué)性能對(duì)電池的力學(xué)特性和失效機(jī)理影響很大。因此，建立高精度的鋰離子電池有限元模型的關(guān)鍵在于建立電池電芯的細(xì)致模型。由于電池電芯由隔膜、活性物質(zhì)和集流體組成，且隔膜的各向異性和其獨(dú)特的分層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致整體表現(xiàn)出各向異性，因此雖然隔膜非常薄(8 μm)，與電極的鋁/銅箔的強(qiáng)度相比較弱，但它對(duì)整體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)仍不可忽視[11]。

綜上所述，該電池電芯由多個(gè)微觀層狀物質(zhì)卷繞而成，每層包含8個(gè)重復(fù)單元，稱之為代表體元(representative volume element，RVE)[12]。1個(gè)RVE層包括2層陰極活性物質(zhì)，2層陽(yáng)極活性物質(zhì)，1層陰極集流體(主要是鋁箔)，1層陽(yáng)極集流體(主要是銅箔)和2層隔離膜。通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行拆解發(fā)現(xiàn)，研究的電池電芯由15個(gè)RVE單元組成，即120層微觀層組成。將電池進(jìn)行拆解，并在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量獲得電芯各層的微觀材料厚度，結(jié)果如表1所示。

表1 RVE及各層厚度 μm

2 卷繞式鋰離子電池有限元模型開發(fā)

2.1 建模分析及單元選擇

正極片由銅箔和涂覆在銅箔表面的活性涂層組成，負(fù)極片由鋁箔及涂覆在鋁箔上的負(fù)極活性涂層組成。本文中所研究的電池鋁箔厚度為8 μm，銅箔厚度為7 μm，涂層厚度大約是集流器厚度的7～8倍。當(dāng)電池在承受機(jī)械載荷時(shí)，主要承載能力依靠鋁箔和銅箔，涂層作為一種多孔材料起到輔助作用，因此鋁箔及銅箔的性能非常重要[13]。

從已發(fā)布的文獻(xiàn)來(lái)看，部分學(xué)者采用均質(zhì)化建模方法，將正極、負(fù)極、隔膜采用共節(jié)點(diǎn)法建模為一均化的物質(zhì)，這種建模方式網(wǎng)格數(shù)量可控，但難以將電芯微觀特性表示清楚。還有學(xué)者將活性物質(zhì)涂層、鋁箔、銅箔和隔膜采用實(shí)體單元單獨(dú)建模，但根據(jù)有限元理論，單元的2個(gè)方向尺寸比應(yīng)在5:1以內(nèi)才能有較準(zhǔn)確的結(jié)果。由于鋁箔、銅箔的厚度通常只有幾微米，因此要求模型網(wǎng)格尺寸非常小。這種建模方式計(jì)算精度高，但用于解決實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)計(jì)算效率低，難以直接應(yīng)用。

為解決上述問(wèn)題，將銅箔、鋁箔劃分為殼單元，既可以有效減少網(wǎng)格數(shù)量，也滿足有限元理論的要求。涂層采用實(shí)體單元?jiǎng)澐帧?duì)于鋰離子電池的隔膜，其在18650等大部分類型的電池中的厚度為20～25 μm，因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者常采用實(shí)體單元對(duì)隔膜進(jìn)行建模[14]。由于本文中研究電池的特殊性，隔膜的厚度僅為8 μm，故考慮到網(wǎng)格數(shù)量的控制，將電池模型中的隔膜也劃分為殼單元。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量驗(yàn)證，電芯外面包裹的鋁塑膜厚度為86 μm，同時(shí)考慮到鋁塑膜邊緣的不規(guī)則性及其在受到機(jī)械載荷時(shí)容易產(chǎn)生褶皺的問(wèn)題，若劃分為實(shí)體單元不易得到準(zhǔn)確的褶皺變形效果，故最終將其劃分為殼單元，且殼單元可以減少計(jì)算量。考慮到極耳、熱熔膠、底黃膠對(duì)電池強(qiáng)度具有重要影響，因此建立的電池模型(包括上述部件)均采用實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.2 網(wǎng)格劃分

基于各部件的單元類型分析，將采用三維建模軟件Catia建立的電池三維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件中,并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析中至關(guān)重要的一步，它直接影響后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格數(shù)量直接影響計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)耗，網(wǎng)格數(shù)量增加會(huì)提高計(jì)算精度，但計(jì)算時(shí)耗也會(huì)增加。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量較少時(shí)增加網(wǎng)格，計(jì)算精度可明顯提高，但計(jì)算時(shí)耗不會(huì)明顯增加；當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù)增加網(wǎng)格時(shí)精度提升很小，計(jì)算時(shí)耗卻大幅度增加。因此，在確定網(wǎng)格數(shù)量時(shí)應(yīng)權(quán)衡這兩個(gè)因素進(jìn)行綜合考慮。

綜合考慮計(jì)算精確性和計(jì)算速度后，在劃分網(wǎng)格時(shí)將電池中間部分的尺寸劃分為4 mm，對(duì)面內(nèi)尺寸單元進(jìn)行選擇性改進(jìn)，對(duì)邊緣部分網(wǎng)格和卷繞部分網(wǎng)格進(jìn)行多次局部加密，加密部分網(wǎng)格尺寸為0.3～0.7 mm。二維網(wǎng)格均采用四節(jié)點(diǎn)四邊形單元，三維網(wǎng)格采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元。1個(gè)RVE單元的網(wǎng)格數(shù)量為1.35 萬(wàn)，電池總的網(wǎng)格數(shù)量為22 萬(wàn)。建立的電池有限元模型如圖3所示，各部件實(shí)體單元網(wǎng)格尺寸如表2所示。

圖3 電池有限元模型示意圖

表2 實(shí)體單元網(wǎng)格尺寸 mm

2.3 材料參數(shù)

由于所建立的電池有限元模型中的接觸非常復(fù)雜且材料呈高度非線性，因此采用Abaqus顯式模塊模擬電池在外載荷作用下的響應(yīng)。其中，鋁塑膜、鋁箔、銅箔、極耳、熱熔膠、底黃膠用彈塑性材料屬性定義。材料的屬性參數(shù)從已發(fā)表的文獻(xiàn)[15]及制造商處獲得，如表3所示。

表3 材料屬性參數(shù)

涂覆在正極集流體和負(fù)極集流體上的活性物質(zhì)較為特殊，由于活性物質(zhì)疏松多孔，幾乎不能承受拉力方向的載荷，因此只需考慮壓縮方向的屈服，用可潰縮泡沫材料來(lái)定義活性物質(zhì)，材料參數(shù)如表4所示。

表4 活性物質(zhì)材料參數(shù)

隔膜的彈性性質(zhì)表現(xiàn)為正交各向異性彈性[16]，圖4所示為隔膜拉伸和壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。國(guó)內(nèi)外學(xué)者用可潰縮泡沫來(lái)定義隔膜。ABAQUS中可潰縮泡沫只能用于實(shí)體單元。鑒于所研究電池的特殊性，隔膜厚度只有8 μm，并劃分為殼單元，因此用正交各項(xiàng)彈性模型表征隔膜的彈性行為，用各向異性Hill48屈服準(zhǔn)則表征隔膜的塑性行為。

Hill48屈服準(zhǔn)則為：

(1)

其中：F、H、G、L、M、N是和材料有關(guān)的常量，可以通過(guò)沿隔膜不同方向進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲得，即：

(2)

(3)

(4)

(5)

其中R11、R22、R33、R12、R13、R23為各向異性屈服應(yīng)力比。正交各向異性彈性材料本構(gòu)模型如式(6)所示。隔離膜材料參數(shù)見表5。

(6)

圖4 隔膜拉伸和壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線

表5 隔膜材料參數(shù)

2.4 模型簡(jiǎn)化

拆解后的電池電芯共有15個(gè)RVE結(jié)構(gòu)。按照1∶1建立詳細(xì)電池有限元模型?？紤]到實(shí)際工程應(yīng)用，提出一種電芯模型簡(jiǎn)化方式，將每個(gè)微觀層的比例近似放大(兩層相當(dāng)于每層的相應(yīng)厚度)。用這種方法得到1個(gè)60層的電池有限元模型。隨后，利用相同的方法對(duì)60層的電池進(jìn)行同樣步驟的簡(jiǎn)化，最終得到30層的電池有限元模型，為保留電池卷繞式結(jié)構(gòu)最小單元，簡(jiǎn)化為30層后停止。簡(jiǎn)化原理如圖5所示。

圖5 模型簡(jiǎn)化原理示意圖

最終建立3種電池有限元模型。第1種為由電池1∶1建模而成的120層詳細(xì)模型，網(wǎng)格總量為22 W；第2種為對(duì)電池內(nèi)芯的微觀層每層比例放大2倍得到的60層電池模型，網(wǎng)格總量為11 W；第3種為對(duì)電池內(nèi)芯的每層比例變厚4倍得到的30層電池模型，網(wǎng)格總量為5.6 W，其剖面如圖6所示。

圖6 電池電芯3種模型的剖面示意圖

3 模型驗(yàn)證

3.1 平面擠壓試驗(yàn)及電池模型比較驗(yàn)證

為了驗(yàn)證3種鋰離子電池有限元模型的準(zhǔn)確性，采用平面擠壓試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。由于實(shí)際情況下電池容易受到厚度方面的擠壓，因此設(shè)計(jì)了沿厚度方向的平面擠壓試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備包括1臺(tái)MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和1臺(tái)控制電腦。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)用來(lái)加載力和位移，試驗(yàn)力的量程為0～100 kN，位移測(cè)量分辨率為0.01m，加載方向沿電池的厚度方向，加載速度為1 mm/min。由于實(shí)驗(yàn)室條件限制，加載力至85 kN停止。平面擠壓試驗(yàn)實(shí)物如圖7所示。

圖7 平面擠壓試驗(yàn)實(shí)物圖

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)過(guò)程沒(méi)有發(fā)生內(nèi)短路。當(dāng)擠壓即將結(jié)束時(shí)，力的大小接近MTS試驗(yàn)機(jī)的負(fù)荷極限100 kN。在這種情況下，電解液被從電池中擠出，有較濃的電解液味道，使電池體積發(fā)生了變化。活性顆粒的孔隙率可高達(dá)60%，空隙通常填充有電解質(zhì)。盡管沒(méi)有進(jìn)行精確測(cè)量，但觀察到樣品在橫向方向上的尺寸沒(méi)有明顯增加。這表明涂層材料的泊松比比較低。

在ABAQUS平臺(tái)采用動(dòng)態(tài)顯示求解器對(duì)所開發(fā)的3種卷繞式方形鋰離子電池模型進(jìn)行平面擠壓仿真計(jì)算。為確保整個(gè)過(guò)程保持準(zhǔn)靜態(tài)，質(zhì)量縮放系數(shù)設(shè)置為1.5,平面擠壓仿真圖如圖8所示。最終得到不同模型的仿真力-位移曲線及實(shí)際平面擠壓試驗(yàn)的力-位移曲線(如圖9所示)。

圖8 平面擠壓仿真圖(隱藏上壓板)

圖9 不同模型仿真及實(shí)際試驗(yàn)下的力-位移曲線

由圖9可知，3種模型的平面仿真結(jié)果與實(shí)際平面擠壓試驗(yàn)結(jié)果一致，證明3種模型都是可靠的。不同模型的計(jì)算用時(shí)及能量耗散如表6所示。由表6可知，在10個(gè)CPU計(jì)算條件下，120層精細(xì)化模型計(jì)算時(shí)間為1 260 min，經(jīng)過(guò)1次簡(jiǎn)化后，60層模型計(jì)算時(shí)間為138 min，而30層最簡(jiǎn)模型計(jì)算時(shí)間為58 min,即最簡(jiǎn)模型時(shí)間效率提升90%以上。同時(shí)，3個(gè)電池模型的動(dòng)能、偽應(yīng)變能與內(nèi)能之比均在5%以內(nèi)，說(shuō)明沙漏可控且滿足ABAQUS對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)仿真的要求。仿真結(jié)果表明，30層簡(jiǎn)化模型相比120層模型的計(jì)算效率提高90%以上，內(nèi)存占有率減少85%，所開發(fā)的3種模型可在誤差允許范圍內(nèi)預(yù)測(cè)出電池在平面壓縮情況下的力位移響應(yīng)。綜上所述，在不損失仿真精度的前提下，30層簡(jiǎn)化模型的計(jì)算效率和內(nèi)存占用率為最優(yōu)，也說(shuō)明本文所提出的鋰離子電池電芯模型簡(jiǎn)化方法的有效性。

表6 3種電池模型的計(jì)算耗時(shí)及能量耗散

3.2 局部球頭擠壓試驗(yàn)及電池簡(jiǎn)化模型驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證所建立的30層簡(jiǎn)化鋰離子電池模型在局部載荷下能夠準(zhǔn)確反映相關(guān)力學(xué)響應(yīng)，對(duì)30層簡(jiǎn)化模型進(jìn)行局部球頭擠壓仿真,在鋰離子電池相同位置進(jìn)行局部球頭擠壓試驗(yàn)，得的載荷-位移曲線如圖10所示。由圖10可知，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，載荷峰值偏差不超過(guò)5%。仿真過(guò)程中偽應(yīng)變能、動(dòng)能與內(nèi)能曲線如圖11所示。由圖11可知，偽應(yīng)變能、動(dòng)能與內(nèi)能相比，均不超過(guò)5%，進(jìn)一步證明了簡(jiǎn)化鋰離子電池模型的有效性和可靠性。

圖10 局部球頭擠壓試驗(yàn)及仿真中的載荷-位移曲線

圖11 球頭擠壓仿真時(shí)動(dòng)能、內(nèi)能及偽應(yīng)變能變化曲線

4 結(jié)論

在基于卷繞式方形軟包鋰離子電池的詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成及微觀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了卷繞式方形軟包鋰離子電池的精細(xì)化有限元模型。該模型包括活性材料、集流體、隔膜等部件的詳細(xì)表示，并進(jìn)一步基于代表體元法開發(fā)了2種新的簡(jiǎn)化模型。所建立的3種電池有限元模型都能合理預(yù)測(cè)它們?cè)谄矫鎵嚎s作用下的力學(xué)響應(yīng)，但簡(jiǎn)化模型的計(jì)算效率和內(nèi)存占用率更優(yōu)。采用局部球頭擠壓試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型在局部載荷下的機(jī)械響應(yīng)。研究結(jié)果為卷繞式方形鋰離子電池在機(jī)械載荷條件下的變形響應(yīng)特性提供了參考，對(duì)提高鋰電池的安全性有重要的工程意義。研究這種簡(jiǎn)化模型的意義在于:

1) 開發(fā)高計(jì)算效率的計(jì)算模型可減少昂貴的測(cè)試費(fèi)用，縮短測(cè)試周期。簡(jiǎn)化有限元模型可置于手機(jī)、汽車或其他電子設(shè)備中進(jìn)行整體有限元仿真分析。

2) 為未來(lái)鋰離子電池模型進(jìn)一步簡(jiǎn)化提供思路。所開發(fā)的電池有限元模型也可用于模擬多層單元和模塊RVE試樣的力學(xué)試驗(yàn)。