試驗中發(fā)現(xiàn)，軟包電池封裝后的外部大氣壓以及軟包電池內(nèi)部卷芯上的綠膠會影響電池和內(nèi)部卷芯在機械加載下的力學(xué)響應(yīng)，而且，不同荷電狀態(tài)（SOC）下的軟包電池雖然在擠壓工況下的差異并不顯著，但在彎折工況下有顯著的差異。這些試驗中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象在現(xiàn)有的電池有限元模型中都難以表征，對此，清華大學(xué)汽車安全與輕量化團(tuán)隊開發(fā)了一種電池多層簡化模型，此模型不僅可以對軟包電池以及內(nèi)部卷芯在擠壓和彎折工況下的力學(xué)響應(yīng)有準(zhǔn)確的預(yù)測，而且可以很好的表征外部大氣壓、卷芯綠膠以及SOC對軟包電池及內(nèi)部卷芯帶來的強化效應(yīng)。相關(guān)工作近期已在Journal of Energy Storage上發(fā)表。論文由夏勇老師指導(dǎo)，第一作者為曲云龍同學(xué)，并與課題組的邢伯斌博士和王宸同學(xué)合作。

1、試驗流程

    本研究所用的電池單體為一款商用軟包電池，此款軟包電池內(nèi)部卷芯為卷繞結(jié)構(gòu)，對此款軟包電池和內(nèi)部卷芯結(jié)構(gòu)，我們開展了多種不同加載形式的試驗，試驗矩陣如表1所示，試驗的加載速度均為0.72 mm/min，試驗在一臺Zwick Z020TE試驗機上進(jìn)行。

表1  試驗矩陣

    為建立卷芯的多層結(jié)構(gòu)模型，我們還對電池卷芯的各組分材料進(jìn)行了拉伸和壓縮等力學(xué)測試，對組分材料的力學(xué)行為進(jìn)行了表征。

2、試驗結(jié)果

    電池單體和卷芯的擠壓和彎折測試結(jié)果如圖1所示。卷芯和電池單體的差別只有外部封裝的鋁塑膜材料，因此擠壓的測試結(jié)果沒有明顯的差異，但是在彎折工況下電池卷芯和電池單體的力學(xué)響應(yīng)卻有比較明顯的差異。通過對彎折工況下電池單體和電池卷芯的變形模式觀測（圖2）可以看出，如果去掉鋁塑膜封裝，電池卷芯的多層結(jié)構(gòu)在彎折工況下會產(chǎn)生比較明顯的分層現(xiàn)象，如果保留電池單體的鋁塑膜封裝，由于封裝過程中有抽真空的工序，在外界大氣壓的作用下，被封裝的卷芯就沒有這種分層現(xiàn)象。由此可以推測，多層結(jié)構(gòu)的分離可能導(dǎo)致電池卷芯在彎折工況下力響應(yīng)的降低

圖1  電池卷芯與電池單體擠壓、彎折工況試驗結(jié)果

圖2  三點彎折工況下電池與卷芯變形模式對比

    事實上，除了鋁塑膜封裝之外，軟包電池卷芯上的綠膠結(jié)構(gòu)也會對多層結(jié)構(gòu)的分離起到約束作用，如圖3所示。綠膠結(jié)構(gòu)本身就是用來防止卷芯內(nèi)部層間的竄動，試驗中我們也發(fā)現(xiàn)，相比于去除綠膠結(jié)構(gòu)的卷芯，帶有綠膠結(jié)構(gòu)的卷芯在彎折工況下的力響應(yīng)水平要高一些。

圖3  軟包電池中的綠膠結(jié)構(gòu)

以及綠膠結(jié)構(gòu)對電池卷芯彎折工況的影響

    除了約束卷芯分層會使電池在彎折工況下的力響應(yīng)水平有所提高之外，試驗中我們還發(fā)現(xiàn)，不同SOC狀態(tài)也會使軟包電池在彎折工況下的力響應(yīng)有所差別，如圖4所示，高SOC狀態(tài)下的軟包電池在彎折工況下的力響應(yīng)要明顯高于低SOC狀態(tài)下的電池。

圖4  彎折工況下不同SOC狀態(tài)電池的力響應(yīng)

3、模型開發(fā)

    在工程應(yīng)用上，現(xiàn)有的描述鋰電池卷芯多層結(jié)構(gòu)的模型主要可以分為兩大類，一類是把卷芯每一層都建立出來的精細(xì)模型，另一類是把整個卷芯當(dāng)成同種材料的均質(zhì)模型。但是如果想描述軟包電池在彎折工況下的響應(yīng)，考慮到在試驗中發(fā)現(xiàn)的分層現(xiàn)象帶來的影響，均質(zhì)模型顯然很難描述，但精細(xì)模型的計算成本太高，不適合大規(guī)模的工程應(yīng)用，因此我們希望開發(fā)一種簡化多層模型，既能對試驗現(xiàn)象有很好的表征，又能提升模型的計算效率。

    我們利用有限元仿真軟件ABAQUS建立了如圖5所示的簡化多層模型，將電池卷芯的多層結(jié)構(gòu)簡化成了一層，但同時包含了電池卷芯的所有組分材料，各種組分材料屬性根據(jù)材料級的試驗進(jìn)行了標(biāo)定。

圖5  電池卷芯結(jié)構(gòu)的簡化多層模型

    首先在電池卷芯的多種擠壓和彎折工況下驗證模型的可靠性，如圖6所示，這種簡化多層模型可以很好的描述卷芯在多種不同工況下的力學(xué)響應(yīng)。那如何將試驗中各種結(jié)構(gòu)對卷芯分層的約束添加到模型中呢？我們采用了施加一個等效壓強來將這些約束添加到模型中的辦法。對于綠膠結(jié)構(gòu)，我們在綠膠約束的區(qū)域施加了一定的壓強來模擬綠膠對于卷芯層間分離的約束，而對于封裝好的電池結(jié)構(gòu)，我們則在電池封裝表面施加一定的壓強來模擬封裝對于卷芯層間分離的約束，通過這種方式，我們可以對增強效應(yīng)有很好的表征。

圖6  電池卷芯擠壓和彎折工況

試驗與仿真結(jié)果對比

圖7  考慮綠膠影響的電池卷芯擠壓和彎折工況

試驗與仿真結(jié)果對比

圖8  電池單體層級擠壓和彎折工況

試驗與仿真結(jié)果對比

將SOC帶來的增強效應(yīng)添加到模型中是一個比較難的問題，有研究表明，在高SOC下，電池卷芯中的負(fù)極集流體的拉伸性能會有顯著的增強，雖然這個結(jié)論有一定的爭議，但是在本研究中，我們借鑒了這個結(jié)論。在表征不同SOC對電池彎折性能的影響時，我們將SOC帶來的影響等效到了負(fù)極集流體上。通過調(diào)整負(fù)極集流體的楊氏模量，模型可以對不同SOC下電池的彎折性能有很好的表征，通過改變單一參數(shù)來調(diào)整模型也非常適合模型在工程上的應(yīng)用。

圖9  考慮SOC效應(yīng)的電池單體彎折工況

試驗與仿真結(jié)果對比

4、總結(jié)

    在本研究中，通過對電池卷芯和軟包電池單體的一系列試驗，我們發(fā)現(xiàn)了封裝形式和綠膠結(jié)構(gòu)對電池卷芯多層結(jié)構(gòu)分離的約束作用和SOC對電池彎折工況下力學(xué)響應(yīng)的影響。為了對試驗現(xiàn)象進(jìn)行表征，我們開發(fā)了一種簡化多層模型，這個簡化多層模型的主要特點如下：

（1）相比于現(xiàn)在常用的精細(xì)模型和均質(zhì)模型，此模型可以在保證多工況下的可靠性的同時有較高的計算效率。

（2）通過對約束區(qū)域施加一定的壓強，這種簡化多層模型可以很好的表征電池封裝和綠膠對電池彎折工況下的力學(xué)響應(yīng)的增強效應(yīng)。

（3）SOC對電池彎折工況下力學(xué)響應(yīng)的增強效應(yīng)也可以通過改變負(fù)極集流體的楊氏模量進(jìn)行很好的表征。

論文原文

Yunlong Qu, Bobin Xing, Chen Wang, Yong Xia, Simplified layered model of pouch cell for varied load cases: An indentation and three-point bending study, Journal of Energy Storage, Volume 59, 2023, 106476, ISSN 2352-152X