CAT蓄电池锂离子电池单体组件力学响应的多尺度建模与标定框架
来源：
卡特蓄电池 发布时间：2026-03-04 10:39:29 点击： 次
摘要
电池单体的力学响应在电动汽车设计中起着至关重要的作用，例如评估其耐撞性或研究运行期间单体膨胀效应时。本文提出了一种多尺度建模框架，用于预测不同长度尺度下电池单体组件的力学响应。研究建立了两个用于校准材料模型参数的设计优化循环。首先，通过微观尺度代表性体积单元（RVEs）的均质化分析，结合电极层实测数据与文献报道的电极颗粒参数，估算电极内部粘结剂-导电剂-电解质的有效力学响应。其次，构建电极-隔膜叠层结构的RVE模型进行均质化计算，利用各单层材料的实验数据，预测卷芯结构的整体力学响应特性。针对果冻卷样本和完整棱柱形电池单体在机械冲击载荷下的表现，数值模拟与实验结果呈现出高度一致性。通过分离长度尺度并采用均质化与校准方案，能够估算不同长度尺度下各材料相的力学响应。这一方法有助于深化理解电池单体在机械载荷作用下的行为机制。
图文摘要
关键词
锂离子电池电动汽车有限元分析模型标定均质化
1. 引言
近年来，随着对二氧化碳排放限制的加强，电动汽车（EVs）的市场需求持续增长。2排放。在可预见的未来，锂离子电池将成为电动汽车储能领域的主导解决方案。在此类应用中，电池单元的机械响应特性对电池包的设计具有重要影响。例如，在评估车辆耐撞性能或研究运行过程中部分受限环境下电池膨胀效应时，该特性都是关键的设计参数。
电池单体具有不同的形状和尺寸，即所谓的形态规格（图1a）。此外，电极配置（或称卷芯）的几何特征会因电池设计而异（图1b–c）。卷芯结构相关的长度尺度包括：（i）微观尺度（或层级）；（ii）介观尺度（或堆叠层级）；（iii）宏观尺度（或单体层级），如图图1d. 锂离子电池的机械响应已知受多种因素显著影响，例如几何特征、材料组分及工况条件（如温度）。[1]。值得注意的是，其有效响应还取决于机械载荷条件（即外部机械力的相对加载速率），这源于其固液两相复合的复杂材料组成特性。鉴于电池几何结构与微观构型的复杂性，锂离子电池力学响应的评估已成为涉及多尺度时空参数的非平凡课题。
在电动汽车应用方面，本研究主要聚焦两个关键问题：（一）降低机械滥用引发的内部短路（ISC）风险[2], [3]；（二）预测并设计应对电池工作期间因膨胀产生的机械应力[4], [5], [6]。需要特别指出的是，上述问题属于高度复杂的多物理场耦合现象，可能引发热失控事件[3]，其诱因包括机械变形（挤压或穿刺）、不当充放电条件（过充或过放）或高温环境等，参见Zhang等的研究。[7]与前述两种场景相关的读档施加时间尺度存在显著差异。就碰撞事件中的机械滥用而言，冲击发生在极短时间内（通常为毫秒量级）。而就电池膨胀而言，由电池受约束扩展所产生的力会在整个电池生命周期内持续演化。例如，Cao等人[5]采用准静态实验获得的材料数据进行了电池膨胀模拟。因此，电池在两种读档工况下的力学响应分别对应两种不同情况：动态（或高速）冲击与准静态（或低速）冲击。
图1. (a) 不同电池形态的示例。(b) 不同电极构型（卷绕式结构）。(c) 电极-隔膜叠层的横截面。(d) 卷绕式结构的所研究长度尺度。从左至右：(i) 微观尺度（或单层级别）；(ii) 介观尺度（或叠层级别）；(iii) 宏观尺度（或单体电池级别）。微观尺度的多孔粘结剂-导电添加剂-电解质体系（此处称为基体）被视为具有等效各向同性性质的单一介质。在介观尺度，所有层级均被视为具有等效性质的单相（均质）介质，而宏观尺度的卷绕式结构则被赋予等效（横观各向同性）性质。
过去十年间，文献中已提出多种用于估算锂离子电池机械响应的建模方法（可参阅该主题的相关综述论文[1], [8]）。早在2012年，Sahraei等人[9], [10], [11]便提出采用均质化方法估算锂离子电池单体机械响应的技术方案，同时尝试预测机械冲击载荷引发的内部短路失效现象。同期，Greve与Fehrenbach[12]建立了基于宏观力学有限元(FE)的方法体系，用于研究圆柱形电池在准静态冲击载荷下的碰撞模拟模型。在Breitfuss等人的研究中[13]次年，研究人员对软包电池在准静态Load条件下的各层结构及其相互作用进行了模拟，并将数值模拟结果与实验结果进行了对比。此后，学界提出了多种不同的建模与实验策略。例如针对不同电池构型——包括圆柱形[14], [15]、方形[16], [17]及软包电池[18], [19]就其力学响应特性已展开研究。此外，文献中提出了多种考虑工作条件或机械读档速率的建模策略。例如，Gilaki和Sahraei通过考虑电芯体积扩展包效应，评估了荷电状态（SOC）对锂离子电池力学响应的影响[20]。此外，Xu等学者[14]建立了18 具有应变率与荷电状态耦合依赖特性的650锂离子电池。此外，针对电池堆（模块或包级别）的相关建模策略已被提出，参见例如[4], [21], [22].
文献中已提出多种预测机械滥用引发内短路（ISC）的策略。例如，Chung等[18]研究了锂离子电池在机械冲击载荷下的失效行为，并提出基于摩尔-库仑准则的断裂判据以预测失效（导致内短路）。Song等[23]近期提出了一个更全面的内短路失效模型，命名为Sahraei失效判据该模型源自对电极-隔膜组件微观结构的模拟。
此外，多项实验研究已开展以探究锂离子电池对机械冲击读档的响应（近期也开始考虑其他电池化学体系，如钠离子电池）。[24]例如，Kalnaus等人[25]开展了涵盖不同冲击速度的实验研究（测试了百余个大型车用软包电池）。Keshavarzi等[19]通过三点弯曲试验实现了软包锂离子电池拉伸状态下材料特性的原位表征。针对老化电池单元，Sprenger等[26]本研究通过分析电动汽车电池模块中电循环电池的力学响应，探究了电化学老化及荷电状态(SOC)对锂离子电池力学与碰撞行为的影响。此外，Jia等学者[27]我们已对机械滥用载荷作用下老化与新鲜电池单体的安全性差异进行了全面评述。这些实验研究为理解电池单体的实际响应特性提供了重要依据，但未能揭示电池内部各组分材料对机械载荷的响应机制。为弥补这一局限，多篇文献展开了对电池单体单一组分（或层状结构）性能的研究。例如Cannarella等人[28]研究了电池隔膜在压缩和拉伸状态下的力学性能，而Gupta等人。[29]我们测量了电化学老化过程对单个电极层机械性能（以及某些电学性能）的影响。鉴于所涉及的长度尺度和材料成分的复杂性，通过实验测试获取电池内部不同材料的力学性能成为一项极具挑战性的任务。特别是对于粘结剂-导电剂-电解液相等复杂复合材料体系，其力学性能的测量存在显著困难。Iyer等人[30]我们通过微机械测试测量了聚合物粘合剂及粘合剂-颗粒界面的力学性能。尽管这些测试方法颇具前景，但在评估电极内部粘合剂-电解质复合材料的有效响应等方面仍存在若干挑战。因此，虚拟方法可作为辅助实验的有力工具，基于现有数据识别更多关联关系。最后需要指出的是，尽管该领域已开展大量研究工作，但目前对于评估电池单元力学响应的建模方法或实验程序仍缺乏共识或统一标准。例如Zhu[31]对多种建模技术和力学测试方法进行了全面综述，研究表明尽管存在诸多方法，但这些结果往往仅适用于狭窄的应力状态范围，因而无法用于相互验证。
在介观与宏观尺度之间的过渡问题上（图1d），文献中通常存在两种不同的建模方法：（i）详细模型，解析电池单体内部每一独立层；（ii）均质化策略，通过代表性体积单元（RVEs）估算卷芯结构的等效响应。针对第一种方法，多位学者已开发出详细模型用于模拟机械冲击载荷下电池单体的力学响应，例如[15], [32]Spielbauer等人的研究[15]开发了一种能表征电池内部应力与变形的离散分层有限元模型。该研究同时解决了材料参数测量、网格划分与收敛性验证等环节的多重障碍，为后续模型优化奠定了基础。Kulkarni等[33]评估了异质、均质、混合及夹层四种有限元建模方法在模拟软包电池球形压痕测试中真实机械安全测试流程的适用性。此外，Sahraei等[16]我们采用均质化与失效校准方法，对锂离子方形电池的力学响应进行了全面研究。该团队还开发了电池堆的二维介观尺度模型（或称代表性体积单元），并研究了复杂载荷工况下各层材料的失效序列[34]。此外，学者们还利用不同代表性体积单元开展了面内屈曲与失效机制研究，具体案例可参阅[34], [35]。进一步地，Gupta与Gudmundson[17], [36]我们开发了一种多尺度均质化方法，将介观和宏观尺度上的力学与电化学行为相耦合。在这些研究中，采用电极-隔膜堆叠的代表性体积单元（RVEs）来处理层/堆叠（介观尺度）与电池单体层面（宏观尺度）之间的过渡过程。
在微观结构响应方面，现有多种研究和方法用于连接微观与介观尺度（图1d）。例如，Foster等人。[37]开发了一种连续介质力学模型，该模型可解析镍锰钴氧化物（NMC）正极的单个活性物质颗粒，并预测阴极涂层的整体力学响应，同时详细描述了电极材料的构型。此外，Ucel与Gudmundson[38]采用统计RVE模型估算了电池电极层的等效力学性能与接触力。此外，现有文献还提出了多种解析与数值方法（参见示例文献）用于评估电池电极的等效刚度。[39], [40]最后，学界已采用或提出了多种标定方案。例如Schmid等人[41]近期提出了一种基于元模型并结合广义本征分解的标定流程。
文献中提出的建模策略通常仅考虑单一尺度的过渡。此外，分析过程常依赖于不确定的材料数据（例如粘结剂-导电添加剂-电解质相），这些数据必须通过复杂的实验方法获取，参见。[30]此外，针对电池单体内部卷芯有效响应的模型标定过程，往往缺乏合理的初始化操作，而恰当的初始猜测能有效降低最终获得非物理解的材料模型的风险（该风险随所选材料模型复杂度的提升而显著增加）。关于该标定流程执行与方法论的详细信息也常显不足。综上所述，尽管该领域迄今已开展大量研究，但仍缺乏系统贯通微观、介观与宏观这三个（相关）尺度（运用均质化与标定方案）以估算不同尺度下各材料相力学响应的完整方法体系。
本文开发了一个多尺度建模框架，通过根据微观结构特性标定宏观响应，以估算锂离子电池中材料相（处于不同长度尺度）的力学响应。该模型框架建立在三个长度尺度上：(i) 微观尺度；(ii) 介观尺度；(iii) 宏观尺度（图1d). 此外，本研究建立并执行了两个用于校准材料模型参数的设计优化循环。在第一个设计循环中，我们通过分别对单个电极层的微观尺度代表性体积单元（RVE）进行均质化分析，同时利用电极层和电极颗粒的实验数据（文献中可获得），反推计算出粘结剂-导电添加剂-电解质基体的等效响应。作为第二步，我们构建了电极-隔膜堆叠结构的RVE模型并进行均质化分析，以获取电芯卷芯结构的等效性能参数。在两种情况下，有效响应均通过均质化方法获取，同时利用校准技术基于实验数据估算所选本构模型的参数。通过整合不同模型，可在多尺度间建立关联，从而系统性地识别未知参数或校准模型参数。该框架还为后续研究中引入其他物理维度奠定了基础。据作者所知，迄今文献中尚未出现针对此目标的系统性框架。
