本文的背景是高速增長的電動車市場以及伴隨而來的電池安全問題。隨著電動車的保有量不斷增加,當(dāng)電動車事故的數(shù)量與傳統(tǒng)燃油車的事故數(shù)量相當(dāng)時,電動車電池的碰撞安全問題將會更為凸顯。在汽車碰撞事故中,電池包有可能受到擠壓而嚴(yán)重變形,也有可能在無明顯變形的情況下發(fā)生沖擊過載,從而有一定的熱失控風(fēng)險。這方面比較著名的一個案例就是2014年發(fā)生的Tesla Model S在高速行駛中發(fā)生地面物體撞擊而導(dǎo)致的事故,其電池包嚴(yán)重變形并發(fā)生熱失控著火。在可預(yù)計的將來,電動車所搭載的電池容量將繼續(xù)增加,潛在風(fēng)險更大,動力電池的碰撞安全性問題已成為急需解決的問題。

相比于針對電池在熱和電濫用工況下的安全問題的研究,機械濫用工況下電池安全問題的研究相對較少。本文對目前有關(guān)電池單體、電池模塊以及電池包在機械載荷下變形與失效的研究進行了梳理。從研究尺度上看,電池碰撞安全研究包括了電池組份材料、電池單體、電池模組與防護結(jié)構(gòu)以及電池包等各個層次,如下圖所示。電池碰撞安全研究的的主要目標(biāo)有:(1)理解機械載荷下電池單體的變形與失效特征以及與內(nèi)短路觸發(fā)的關(guān)聯(lián)性,最終建立單體、模塊或電池包的損傷判據(jù)和損傷容限;(2)建立兼顧計算精度與計算效率的有限元仿真模型,指導(dǎo)電池包防護結(jié)構(gòu)設(shè)計。

組分材料尺度研究。正極、隔膜和負(fù)極組成的層疊結(jié)構(gòu)是不同形式電池的基本組成單元。其中正負(fù)極由金屬集流體和涂敷在表面的涂層組成。電池單體組份材料的力學(xué)性質(zhì),包括金屬集流體、正負(fù)極涂層和隔膜的力學(xué)性質(zhì)以及涂層與集流體之間的界面性質(zhì),直接決定了電池單體的力學(xué)行為。與傳統(tǒng)金屬材料類似,金屬集流體的力學(xué)行為表征包括其塑性、韌性斷裂以及各向異性和率相關(guān)性,而主要困難在于試驗數(shù)據(jù)的獲取。這是由于電池中使用的金屬集流體厚度較薄(10-25um),給試件的制備、夾持、加載以及測量都帶來一定困難。隔膜主要起到隔離正負(fù)極的作用,因此其力學(xué)行為特別是斷裂行為也直接影響了電池的內(nèi)短路發(fā)生。隔膜通常為高分子材料(PE、PP),其力學(xué)行為的表征較為復(fù)雜,包括彈性、塑性、斷裂以及材料方向、溫度和時間相關(guān)性等因素的影響。有關(guān)涂層材料以及涂層與集流體的界面性質(zhì)的研究目前相對較少。

電池單體尺度研究。電池單體是電池包的最小組成單元,在實驗方面,為研究單體的機械失效模式及其與內(nèi)短路發(fā)生的關(guān)聯(lián)性,并且考慮到實際碰撞事故中,電池單體受到的加載工況較為復(fù)雜,需要進行不同形式加載工況的實驗。下圖列舉了電池單體典型的加載工況,包括面內(nèi)方向擠壓、面外方向擠壓(球形加載頭、圓柱面加載頭)和三點彎等。除了加載形式,還需要考慮單體帶電量以及加載速度的影響。