适用于软包电池挤压和弯折工况的简化多层模型

试验中发现，软包电池封装后的外部大气压以及软包电池内部卷芯上的绿胶会影响电池和内部卷芯在机械加载下的力学响应，而且，不同荷电状态（SOC）下的软包电池虽然在挤压工况下的差异并不显著，但在弯折工况下有显著的差异。这些试验中发现的现象在现有的电池有限元模型中都难以表征，对此，清华大学汽车安全与轻量化团队开发了一种电池多层简化模型，此模型不仅可以对软包电池以及内部卷芯在挤压和弯折工况下的力学响应有准确的预测，而且可以很好的表征外部大气压、卷芯绿胶以及SOC对软包电池及内部卷芯带来的强化效应。相关工作近期已在Journal of Energy Storage上发表。论文由夏勇老师指导，第一作者为曲云龙同学，并与课题组的邢伯斌博士和王宸同学合作。

1、试验流程

    本研究所用的电池单体为一款商用软包电池，此款软包电池内部卷芯为卷绕结构，对此款软包电池和内部卷芯结构，我们开展了多种不同加载形式的试验，试验矩阵如表1所示，试验的加载速度均为0.72 mm/min，试验在一台Zwick Z020TE试验机上进行。

表1  试验矩阵

    为建立卷芯的多层结构模型，我们还对电池卷芯的各组分材料进行了拉伸和压缩等力学测试，对组分材料的力学行为进行了表征。

2、试验结果

    电池单体和卷芯的挤压和弯折测试结果如图1所示。卷芯和电池单体的差别只有外部封装的铝塑膜材料，因此挤压的测试结果没有明显的差异，但是在弯折工况下电池卷芯和电池单体的力学响应却有比较明显的差异。通过对弯折工况下电池单体和电池卷芯的变形模式观测（图2）可以看出，如果去掉铝塑膜封装，电池卷芯的多层结构在弯折工况下会产生比较明显的分层现象，如果保留电池单体的铝塑膜封装，由于封装过程中有抽真空的工序，在外界大气压的作用下，被封装的卷芯就没有这种分层现象。由此可以推测，多层结构的分离可能导致电池卷芯在弯折工况下力响应的降低

图1  电池卷芯与电池单体挤压、弯折工况试验结果

图2  三点弯折工况下电池与卷芯变形模式对比

    事实上，除了铝塑膜封装之外，软包电池卷芯上的绿胶结构也会对多层结构的分离起到约束作用，如图3所示。绿胶结构本身就是用来防止卷芯内部层间的窜动，试验中我们也发现，相比于去除绿胶结构的卷芯，带有绿胶结构的卷芯在弯折工况下的力响应水平要高一些。

图3  软包电池中的绿胶结构

以及绿胶结构对电池卷芯弯折工况的影响

    除了约束卷芯分层会使电池在弯折工况下的力响应水平有所提高之外，试验中我们还发现，不同SOC状态也会使软包电池在弯折工况下的力响应有所差别，如图4所示，高SOC状态下的软包电池在弯折工况下的力响应要明显高于低SOC状态下的电池。

图4  弯折工况下不同SOC状态电池的力响应

3、模型开发

    在工程应用上，现有的描述锂电池卷芯多层结构的模型主要可以分为两大类，一类是把卷芯每一层都建立出来的精细模型，另一类是把整个卷芯当成同种材料的均质模型。但是如果想描述软包电池在弯折工况下的响应，考虑到在试验中发现的分层现象带来的影响，均质模型显然很难描述，但精细模型的计算成本太高，不适合大规模的工程应用，因此我们希望开发一种简化多层模型，既能对试验现象有很好的表征，又能提升模型的计算效率。

    我们利用有限元仿真软件ABAQUS建立了如图5所示的简化多层模型，将电池卷芯的多层结构简化成了一层，但同时包含了电池卷芯的所有组分材料，各种组分材料属性根据材料级的试验进行了标定。

图5  电池卷芯结构的简化多层模型

    首先在电池卷芯的多种挤压和弯折工况下验证模型的可靠性，如图6所示，这种简化多层模型可以很好的描述卷芯在多种不同工况下的力学响应。那如何将试验中各种结构对卷芯分层的约束添加到模型中呢？我们采用了施加一个等效压强来将这些约束添加到模型中的办法。对于绿胶结构，我们在绿胶约束的区域施加了一定的压强来模拟绿胶对于卷芯层间分离的约束，而对于封装好的电池结构，我们则在电池封装表面施加一定的压强来模拟封装对于卷芯层间分离的约束，通过这种方式，我们可以对增强效应有很好的表征。

图6  电池卷芯挤压和弯折工况

试验与仿真结果对比

图7  考虑绿胶影响的电池卷芯挤压和弯折工况

试验与仿真结果对比

图8  电池单体层级挤压和弯折工况

试验与仿真结果对比

将SOC带来的增强效应添加到模型中是一个比较难的问题，有研究表明，在高SOC下，电池卷芯中的负极集流体的拉伸性能会有显著的增强，虽然这个结论有一定的争议，但是在本研究中，我们借鉴了这个结论。在表征不同SOC对电池弯折性能的影响时，我们将SOC带来的影响等效到了负极集流体上。通过调整负极集流体的杨氏模量，模型可以对不同SOC下电池的弯折性能有很好的表征，通过改变单一参数来调整模型也非常适合模型在工程上的应用。

图9  考虑SOC效应的电池单体弯折工况

试验与仿真结果对比

4、总结

    在本研究中，通过对电池卷芯和软包电池单体的一系列试验，我们发现了封装形式和绿胶结构对电池卷芯多层结构分离的约束作用和SOC对电池弯折工况下力学响应的影响。为了对试验现象进行表征，我们开发了一种简化多层模型，这个简化多层模型的主要特点如下：

（1）相比于现在常用的精细模型和均质模型，此模型可以在保证多工况下的可靠性的同时有较高的计算效率。

（2）通过对约束区域施加一定的压强，这种简化多层模型可以很好的表征电池封装和绿胶对电池弯折工况下的力学响应的增强效应。

（3）SOC对电池弯折工况下力学响应的增强效应也可以通过改变负极集流体的杨氏模量进行很好的表征。

论文原文

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