锂离子电池碰撞安全仿真方法的研究进展与展望

锂离子电池以优异的电化学储能和循环性能,已成为电动汽车和电动飞机等新能源装备的主要动力源。然而,其受外部冲击、碰撞等载荷导致的结构失效、内短路、热失控以及起火/爆炸等安全问题,严重制约了其进一步的发展与应用。详细总结了锂离子电池结构特性和电池机械滥用试验方法,阐述了锂离子电池在机械滥用下从力学失效到内短路和热失控的多场耦合失效机理。在此基础上,系统地综述了近年来国内外学者在锂离子电池碰撞安全仿真方法方面的研究进展,从材料本构建模、电池单体的力学建模与仿真、多场耦合仿真方法等方面总结了仿真方法的研究现状。梳理了各类仿真方法的特点、适用性与局限性,并重点讨论建模方法、仿真精度和效率等关键问题。最后,对锂离子电池碰撞安全仿真方法存在的瓶颈问题和未来的发展趋势进行展望。可为锂离子电池的碰撞失效机理研究、建模仿真和安全设计提供系统的参考与指导。     

基于PSO-RBF神经网络的锂离子电池健康状态预测

针对传统方法估计锂离子电池健康状态(SOH)时内部参数测量困难等问题,提出一种基于粒子群优化径向基函数神经网络的锂离子电池SOH预测方法。通过对锂离子等效模型的研究,结合充放电过程的实验数据,确定了影响锂离子电池SOH特性的几个关键参数。将试验数据输入仿真模型进行网络训练和校验。仿真证明,相比BP神经网络和普通RBF神经网络,该算法的预测精度可提高20%,节省66.7%以上的优化时间。     

基于改进温度模型的300M钢本构方程参数识别

为了提高通过切削实验获取材料本构方程参数的精度,提出了将基于移动热源理论的温度分布模型沿剪切面积分计算剪切区平均温度的方法,结合不等距剪切区模型求得等效应变和应变率,建立了材料Johnson-Cook(J-C)本构方程参数的求解模型。根据切削实验获取的切削力和切屑厚度数据并采用遗传算法求得了300M钢J-C本构方程参数。与AdvantEdge FEM软件自带的300M钢本构模型相比,用所求模型参数仿真得到的主切削力、进给力和切屑厚度的精度有显著提高,验证了所建本构方程参数求解模型的有效性。     

锂离子动力电池组发热功率试验研究

锂离子动力电池的性能和寿命与电池热管理密切相关,而电池产热模型的建立是其热管理的基础。通过理论计算、试验测试和模拟分析对额定容量为50 A·h、额定电压为3.65 V的三元锂离子动力电池的充放电发热特性进行了研究。结果表明:Newman公式在电池发热功率计算中准确度较高,与试验测得发热功率相比误差为8.7%。将理论发热功率应用于模拟仿真后,模组最高温度与试验测得最高温度误差为9.5%,模拟结果可为锂电池的性能研究及热管理设计提供参考。     

一种描述铝合金发动机活塞安定状态的非线性材料模型算法解析及其仿真验证

本文基于金属材料非线性本构理论,分析其连续函数构成方法,对一种适用于发动机活塞铸铝材料的非线性本构模型的算法进行数值化解析。利用ABAQUS接口开发相应的户材料子程序,并对铝合金活塞在高温环境下循环热载荷工况下安定性响应进行仿真计算。研究结果表明:这种本构模型对热荷载安定状态响应的描述合理可信,可以应用于发动机活塞低周热疲劳分析的仿真计算。     

[动力电池]基于模型的动力电池系统多尺度热安全设计

针对锂离子动力电池系统的热安全问题,从电池材料、电池单体、电池系统三个尺度,提出了基于模型的电池系统热安全设计开发总体思路。总结了电池材料热稳定性、电池单体热失控特性、电池系统热失控蔓延特性等的测试表征方法。探讨了建立电池热失控的化学反应动力学模型、单体热失控温度与压力预测模型、电池模组热失控蔓延模型过程中需要考虑的因素。利用模型进行仿真分析,可以得到影响电池系统热安全性的主要因素,并指导多尺度热安全设计。     

基于连续介质损伤力学的7075铝合金高温成形极限理论预测与数值仿真

开展7075铝合金高温单向拉伸试验和成形极限试验,获得了不同温度和应变率的应力-应变曲线和成形极限曲线。结果表明,在较高的温度和应变率时7075铝合金的强度减小、成形性提高。为描述7075铝合金高温损伤演化过程,提出一种改进的连续介质损伤模型,并建立了耦合损伤的多轴统一黏塑性本构模型。基于试验结果,运用NSGAII遗传算法标定了模型中的参数,标定后的本构模型可以很好地预测7075铝合金的高温热力行为和极限应变。通过有限元软件Abaqus的用户材料子程序VUMAT,该本构模型被编入到Abaqus软件中进行数值仿真计算。结果表明,仿真获得的成形极限曲线和应变场分布与试验和理论结果吻合度好,进一步证明了所建立的耦合损伤的多轴本构模型的正确性及其在高温成形极限有限元仿真中的适用性。     

基于综合相似度的锂离子电池模块品种分类

提出一种综合相似度计算模型,为锂离子电池模块品种分类问题的研究奠定了理论基础。在此基础上,采用KM算法和MATLAB软件对锂离子电池模块库中任意两个锂离子电池模块的综合相似度进行计算,最后通过选取分类阈值完成锂离子电池模块品种的分类。     

车用电池包风道设计与仿真

介绍了锂离子电池自身的热特性对使用性能的影响,分析了当前的锂离子电池热包所需要控制的温度目标。在此基础上对具体的某电池包采用风冷的热管理方案,通过理论和仿真分析,对具体的电池包的风道进行初步设计。该方法可以为其他类似的热管理设计提供一定的参考。最后对现有锂离子电池包风道设计的不足之处进行总结并提出可能的改善目标。     

锂离子电池模组自适应均衡阀值控制策略研究

为提升锂离子电池模组均衡控制能力,提出一种锂离子电池模组自适应均衡阀值控制策略。首先,对电感式主动均衡电路拓扑和工作原理进行分析。接着,基于电感式主动均衡电路设计了自适应均衡阀值动态调整控制方法,利用电量转移矩阵计算最佳转移路径。然后,搭建仿真计算模型,通过验证本控制策略能提高目标电池模组均衡能力。最后,对目标电池模组进行实验验证,验证了本控制策略的有效性和高效性,为电池模组均衡提供方法参考。     

Mass-Spring-Damping Theory Based Equivalent Mechanical Model for Cylindrical Lithium-ion Batteries under Mechanical Abuse

An equivalent mechanical model with the equivalent physical meaning of mass-spring-damping is proposed for cylindrical lithium-ion batteries through experiments and theory. The equivalent mechanical model of a cylindrical lithium-ion battery consists of a spring-damping parallel unit. Therefore, a spring-damping parallel unit connecting a damping unit in series is selected to construct the constitutive characteristics of the battery under mechanical abuse. Comparison results show that the equivalent mechanical model can more effectively describe the mechanical properties of the batteries than most cubic fitting models, of which the average relative error of the equivalent mechanical model under different states-of-charge is less than 6.75%. Combined with the proposed equivalent mechanical model, the failure process of the batteries was simulated and analyzed using LS-Dyna and Hyper Works. Under rigid rod tests, failure occurred at the core and bottom of the batteries; under hemispherical punch tests, failure occurred at the core and top, consistent with the experimental results. The average prediction error for the failure displacement under different abuse conditions is less than 4% in the simulations. The equivalent mechanical model requires only a few parameters and can be recognized easily. In the future, the model can be used in safety warning devices based on mechanical penetration.     

基于BCJ本构模型的高速切削过程数值模拟

在高速切削过程数值模拟中,材料本构模型影响着数值计算精度。基于有限元软件Abaqus平台,引入基于位错动力学的BCJ本构模型,实现铝合金高速切削过程更为精确计算。研究了BCJ本构模型嵌入Abaqus的关键技术及其高速切削过程有限元模型建立方法,完成了铝合金6061-T6直角高速切削过程模拟,对比分析了基于BCJ本构模型和JC本构模型的差异。结果表明,数值计算结果与文献数据具有良好的一致性,BCJ模型能够更全面准确地描述高速切削过程中材料的动态性能,进而说明文中基于BCJ本构模型的高速切削数值计算是可靠的。     

面向整组寿命最大化的电动汽车电池一致性变化规律及其均衡策略

串联电池组的一致性问题是电池成组使用的关键问题之一,常通过电池均衡技术进行干预调节。但现有均衡策略多着重于单次循环容量和能量的最大利用,忽视了长时间尺度下电池组的一致性演变。为实现长时间尺度下的电池组寿命最优,试验研究了工作区间对电池老化的影响,讨论了传统顶部均衡和底部均衡下的电池组一致性演变,提出了优化最差单体工作区间的寿命均衡策略。研究发现使用的三元锂电池在高荷电状态区间循环时存在较快的容量衰减,增加循环放电深度同样会加速容量衰减;顶部均衡和底部均衡虽然可以最大化电池组单次性能,但容量一致性依旧持续变差,表明了寿命均衡的必要性;提出的寿命均衡策略使最差单体循环在较低的荷电状态区间,减小其容量衰减速率,进而有效地提高电池整组的累计放电量;最后,设计的试验证实了所提出的均衡策略可以显著提高电池组的容量一致性,并设计了相应的系统实现方案。提出的寿命均衡策略也为未来电池组的均衡研究提供了新的方向。     

基于NSGA-Ⅱ算法的储能式有轨电车复合电源参数优化设计

为研究一类以动力电池和超级电容为复合电源的有轨电车参数匹配问题,提出一种基于多目标优化的复合电源参数设计方法。根据有轨电车的动力性能需求,给出基于等效计算的复合电源参数设计方法。以有轨电车日均运行成本和动力电池的性能衰减率为评价指标,建立多目标优化函数,采用带精英策略的非支配排序的遗传算法（NSGA-Ⅱ）,设计系统仿真模型在环的复合电源参数优化流程。以一次往返行程为运营要求,对比分析两个不同工况的Pareto解集和等效计算配置方案下的有轨电车系统仿真结果。结果表明,相比等效计算的配置方案,优化的配置方案使动力电池性能衰减率降低至少约31.1%;合理的配置方案可有效保证较高的再生制动能量回收率和有轨电车效率;长站间距的工况增加了对复合电源的配置需求。     

Correlation between Single Factor Material Constitutive Model Parameters and Temperature for Ti6Al4V Alloy

Accurate material constitutive model is considered highly necessary to perform finite element simulation and analysis.However,it is difficult to establish the material constitutive model because of uncertainty of mathematical relationship and constraint of existing experimental condition.At present,there exists considerable gap between finite element simulation result and actual cutting process.Particular emphases were put on investigating the correlation between "single factor" material constitutive model parameters and temperature for Ti6Al4V alloy,and also establishment of material constitutive model for this kind of material.Theoretical analyses based on dislocation theory and material functional relations showed that material model was deeply affected by variation temperature.By the least squares best fit to the available quasi-static and high-speed impact compression experiment data,material parameters at various temperatures were found.Experimental curves analyses and material parameters comparison showed that the "single factor" material constitutive model parameters were temperature dependent.Using the mathematical mapping between material parameters and temperature,"single factor" material constitutive model of Ti6Al4V alloy was established,which was proven to be right by comparing with experimental measurements.This work makes clear that the "single factor" material constitutive model parameters of Ti6Al4V alloy are temperature dependent.At the same time,an accurate material constitutive model is established,which helps to optimize cutting process and control machining distortion for Ti6Al4V alloy aerospace parts.     

CURRENT STATUS AND FUTURE DIRECTION IN THE NUMERICAL MODELING AND SIMULATION OF MACHINING PROCESSES: A CRITICAL LITERATURE REVIEW

This paper presents a literature review on modeling and simulation of the metal cutting process, with special consideration to difficult-to-cut materials. The critical issues in the modeling of the cutting process are presented and investigated, which include the identification and formulation of the material constitutive equation, as well as the models that describe the tribological and thermal interactions at the tool-chip interface. The available approaches for generating constitutive data are critically examined, and their advantages, capabilities and limitations are discussed. The formulation of the constitutive equation significantly affects the accuracy of the finite element (FE) simulation. The evaluation criteria proposed recently by the authors to assess the goodness of different constitutive relationships for the machining process are presented. It is shown that more accurate simulation can be obtained when using a pressure-dependent friction model, compared to that with uniform coefficients. Similar conclusion can be drawn in relation to expressing the thermal contact resistance (or conductance) as position dependent, being directly correlated to the local contact pressure at the interface. In addition, the current applications and future directions of the finite element modeling (FEM) of the metal cutting process are summarized.     

基于安时积分和无迹卡尔曼滤波的锂离子电池SOC估算方法研究

基于Thevenin等效模型建立二阶RC等效电路模型,通过混合脉冲动力功率特性测试实验获取电池脉冲放电数据,进行电池等效电路参数辨识。为弥补锂离子电池荷电状态在90%~100%区间时电池模型参数辨识拟合误差而引起其估算误差的缺陷,综合采用安时积分与无迹卡尔曼滤波估算电池荷电状态。使用硬件在环仿真测试平台及环境模拟测试平台进行电池管理系统设计,在不同工况下对电池进行荷电状态估算,结果表明荷电状态估算误差范围为-1.5%~1.0%,该方法估算精度较高,效果理想。     

基于分布式最小二乘法的锂离子电池建模及参数辨识

精确的锂离子电池模型对于电池状态的准确估计以及电动汽车整车的仿真、设计与优化具有至关重要的意义。然而,传统的递推最小二乘方法应用于电池这类多时间尺度系统时,会出现模型参数辨识精度低、建模效果差等问题。为此,以锂离子电池二阶RC等效电路模型为研究对象,提出一种基于分布式最小二乘的模型辨识参数方法。此方法根据电池不同时间尺度可以分离的特性,将电池模型细分为两个子模型分别进行辨识,避免了待估参数的相互干扰,因而能够取得更好的参数估计效果。试验结果表明,相比传统的递推最小二乘辨识方法,提出的方法在UDDS和FUDS工况下能够将平均绝对误差分别降低约50.00%和28.57%,均方根误差分别减小约46.43%和29.17%,验证了所提方法的有效性和可行性。