内嵌动力电池的泡沫金属结构动力学行为研究

With the rapid increase in the number of electric cars, safety issues, such as fire, explosion, caused by mechanical abuse and overload are getting worse and worse. But the study on effective protection for power batteries is still underdeveloped. To this motive, in this project a novel protective structure of metal foam with embedded electric batteries is proposed and its dynamic response under impact loading will be investigated by experimental study, numerical simulation and theoretical analysis. The influence of geometric parameters, material properties and loading parameters on the dynamic behaviors of protective structure will be studied. The macro and meso level deformation/failure modes of protective structure will be obtained. The interaction mechanism at the interface between metal foam structure and electric battery will be revealed. The protective mechanism of metal foam and safety concerned threshold of power battery will be disclosed. A optimal design considering damage tolerance will be given. The research of this project will provide theoretical guidance and technical supports to improving safety of electric vehicle.

随着电动汽车数量的迅猛增加，机械过载引起的动力电池起火、爆炸等安全问题日益严峻，但为动力电池提供有效防护的研究还很不成熟。本项目在研究动力电池安全阈值的基础上，拟在单体动力电池周围直接布置防护结构，以内嵌动力电池的泡沫金属防护结构为研究对象，通过系统的实验研究、数值模拟和理论分析，对其在冲击载荷作用下的动力学行为进行研究。考虑防护结构几何参数、材料参数、载荷参数等对整体结构动力响应的影响，得到泡沫金属防护结构的宏细观变形失效模式，泡沫金属骨架与动力电池在冲击载荷作用下的动力耦合方式，进而阐明泡沫金属对内嵌动力电池的保护机理，给出泡沫金属骨架保护下动力电池的安全阈值。在此基础上，以考虑损伤冗余的动力电池安全为目标，对防护结构进行优化设计。通过本项目的研究可为提高电动汽车的安全性能提供理论指导和技术支持。

随着电动汽车的兴起，机械滥用引发的动力电池起火、爆炸的安全问题时有发生，但为动力电池提供有效防护的研究还相对较少。本项目通过实验分析、理论计算和仿真模拟的方法，对动力电池的安全及防护结构进行了研究。.首先通过实验分析了多种工况下不同SOC电池的安全性能，发现机械载荷对电池力学响应和安全性能的影响在很大程度上取决于加载形式，且轴向加载比径向加载表现出更高的危险性，但总体表现出SOC越高、速度越大、冲击能量越高电池越易损坏。.为提高电池安全性，提出用泡沫金属在电池径向和轴向进行防护。对钻孔泡沫径向加载时，钻孔的存在减弱了泡沫材料的承载能力和吸能性。径向正梯度泡沫的应力值较小，而径向负梯度泡沫能量吸收能力较强，通过合理的选择可适用于不同的场合需求。泡沫金属作为防护结构时，可以有效阻隔高温喷射物及火焰，并阻挡热量传播；电池两端添加泡沫防护结构会减小电池的轴向变形，可以有效地改善电池的内短路现象。.电池内短路常因隔膜的损坏而发生。本项目对不同方向隔膜的力学性能及缺口对隔膜强度和破坏的影响进行了分析，得到了隔膜屈服强度与拉伸角度之间的关系，发现拉伸载荷会降低隔膜孔隙率；缺口使隔膜材料的弹性模量升高，塑性降低，且缺口深度越大，试样的弹性模量也越大，破坏应变越小；隔膜存在涂层或者厚度较厚时，会有较大的蠕变柔量值。.此外，通过对卷芯卷绕过程进行理论计算，提出使用复合型抛物线型卷绕张力进行卷绕可以有效改善卷芯的内应力分布和变形，通过改变参数可以适用于不同电池。讨论了锂离子浓度、电池尺寸对钢壳、卷芯和刚针在充放电过程中位移和应力的影响，为解释卷芯起皱和断裂现象提供了理论依据。为了解决硅负极存在的体积膨胀和寿命问题，进一步提高硅电极核壳结构的力学性能，从电极材料出发，提出了针对硅电极单层和双层核壳结构的优化方案。.本项目的研究成果可为提高电动汽车的安全性能提供可靠的理论指导和技术支持。