Zvyšování bezpečnosti bateriových systémů pomocí simulací v softwaru Ansys - 3.část

Strukturální mechanika

U bateriových systémů používaných v dopravě či při jejich transportu hrozí riziko poškození vlivem havárie, neopatrné jízdy nebo vibrací způsobených nekvalitním povrchem cest. Pomocí softwarů Ansys lze simulovat mechanické poškození nejen jednotlivých bateriových článků, ale i celých bateriových systémů, které může způsobit vnitřní či vnější zkrat akumulátoru a jeho následné zahoření s fatálními následky.

Simulace strukturální mechaniky bateriových systémů v softwarech Ansys lze rozdělit do 4 skupin:

1)      Vibrace a hluk – Ansys Mechanical

2)      Rázové/impaktové zkoušky – Ansys LS-Dyna

3)      Pádové zkoušky – Ansys LS-Dyna

4)      Analýzy životnosti – Ansys Mechanical

Tento článek se blíže zabývá body 2) a 3), což jsou pádové a rázové zkoušky v softwaru Ansys LS-Dyna.

Při rázových a pádových zkouškách dochází k vnitřním a vnějším zkratům, vzniku elektrochemických a ohmických ztrát v bateriových článcích a vodivých komponentách. To může vést k nadměrnému vývoji tepla uvnitř bateriových systémů, které způsobí přehřátí a možné zahoření bateriových článků či elektroniky. Proto při simulaci bateriových systémů je nutné řešit současně elektrochemismus, elektrické pole, mechaniku a chlazení. To vše lze současně řešit v Ansys LS-Dyna. Tyto simulace jsou schopny plně obsáhnout fyzické testy, kdy dojde k deformaci bateriového systému a sleduje se, zda dojde k zahoření článků či splní normu.

Elektrochemismus

Ansys LS-Dyna obsahuje 4 modely elektrochemismu bateriových článků lišících se v komplexnosti a velikosti modelu:

1. Solid elements – bateriové články
2. CompositeTshells – bateriové moduly
3. Macro model – bateriové packy
4. Meshless model – bateriové moduly/packy

Elektrochemismus bateriových článků je popsán pomocí jejich vybíjecích charakteristik a náhradního obvodu (Randles equivalent vcircuit), jehož parametry se získají z průběhu napětí článků při impulzní zátěži, viz. Obr. 1.

                Obr. 1a: Vybíjecí charakteristika LiyMn2O4                      Obr. 1b: Randles equivalent circuit

Obr. 1c: Průběh napětí bateriového článku při impulzní zátěži

Výpočet deformací a teplotního pole

Pro výpočet deformací a chlazení bateriových článků, modulů, či packů je potřeba nadefinovat materiálové vlastnosti, zdroj deformačních sil a proudění/chlazení. Výsledkem simulace je průběh rozložení deformací, elektrického pole nebo teplotního pole v závislosti na čase. Obr. 2 zobrazuje nárůst teplot článků v bateriovém modulu v důsledku vnitřních zkratů mezi jednotlivými články způsobených dopadem tělesa.

  Obr. 2a: Bateriový modul 10 článků                     Obr. 2b: Nárůst teplot jednotlivých článků

Obr. 3a  zobrazuje průnik projektilu do bateriového packu a vznik vnitřního zkratu uzavírajícího se přes vodivý projektil. Obr. 3b zobrazuje vnější zkrat způsobený pádem vodivého tělesa na elektrody, které zkratuje a také mechanicky deformuje.

Obr. 3a: Průnik projektilu bateriovým packem             Obr. 3b: Vnější zkrat elektrod pádem tělesa

Při testech bezpečnosti akumulátorů se definuje velikost zrychlení kladiva, které narazí na bateriový systém. Obr. 4. zobrazuje deformaci akumulátoru způsobenou počátečním nárazem do jeho boku, tato deformace způsobí vnitřní zkrat bateriových článků a jejich přehřátí.

Obr. 4: Průběh napětí bateriového článku při impulzní zátěži

Testy bezpečnosti bateriových systémů jsou finančně velmi nákladné a často normu nesplní. Simulace crash testů v softwaru Ansys umožňuje odhalit nedostatky konstrukce bateriových systémů již předem ve stádiu návrhu a tím snížit náklady na jejich vývoj a certifikaci.

Autor: Radek Fajtl