Mechanical testing and macro-mechan

Mechanical testing and macro-mechanical finite element simulation
of the deformation, fracture, and short circuit initiation of cylindrical
Lithium ion battery cells
Lars Greve a,*, Clemens Fehrenbach b,1
a Volkswagen AG, Group Research, Letter box 1777, D-38436 Wolfsburg, Germany
b Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM, Woehlerstr. 11, D-79108 Freiburg, Germany
h i g h l i g h t s
< Mechanical cell testing with in-situ short circuit location identification.
< Macroscopic jelly roll fracture initiates the internal short circuits.
< Stress-based fracture and short circuit criterion developed.
< Finite element crash simulation of the cell tests.
a r t i c l e i n f o
Article history:
Received 7 March 2012
Received in revised form
20 April 2012
Accepted 22 April 2012
Available online 28 April 2012
Keywords:
Mechanical
Abuse
Short circuit
Simulation
Fracture
a b s t r a c t
A quasi-static mechanical abuse test program on cylindrical Lithium ion battery cells has been performed
at a state of charge (SoC) of 0%. The investigated load cases involved radial crushing, local lateral
indentation and global three-point bending of the cell. During the tests, the punch load, the punch
displacement, the cell voltage and the temperature development of the cell have been monitored using
an infrared camera and temperature sensors. After the test, the cells have been analysed using computer
tomography.
It is indicated that macroscopic jelly roll fracture on a global scale initiates the internal short circuits,
revealed by a sudden decrease of the global mechanical load due to the rupture, followed by a drop of the
measured voltage and immediate increase in cell temperature.
A macro-mechanical finite element crash simulation model has been established for the cell housing
and the jelly roll. The classical stress-based criterion after Mohr and Coulomb (MC) has been applied to
predict fracture and the initiation of an internal short circuit of the jelly roll. The MC criterion correctly
represents the punch displacement to fracture, where the predicted fracture locations correspond to the
observed locations of the internal short circuits of the cells.

2012 Elsevier B.V. All rights reserved.
1. Introduction
Plug-in hybrid electronic vehicles (PHEV), range extender
battery electronic vehicles (RE BEV) and pure battery electric
vehicles (BEV) are likely to play an important role in future road
traffic, depending on the predicted future regulation scenarios [1].
Currently, the Lithium ion battery technology is of primary interest
to the automotive industry, since it provides one of the best energy
densities available today, e.g. ([2,3]).
The active material of standard Lithium ion battery cells is
represented by stacked or wrapped layers of the cathode and anode
material sheets, which are physically separated by a porous but
mechanically robust separator foil, in order to help prevent an
internal short circuit of the cell. Battery systems in electric vehicles
are protected against deformation by massive structural measures
in order to fulfil federal crash laws, consumer crash tests and other
requirements. Despite these achievements, the knowledge of the
limiting deformability of Lithium ion cells prior to short circuit
* Corresponding author. Tel.: þ49 5361 9 46562; fax: þ49 5361 9 31549.
E-mail addresses: [e-mail] (L. Greve), clemens.fehenbach@
iwm.fraunhofer.de (C. Fehrenbach).
1 Tel.: þ49 761 5142 151; fax: þ49 761 5142 510.
Contents lists available at SciVerse ScienceDirect
Journal of Power Sources
journal homepage: www.elsevier.com/locate/jpowsour
0378-7753/$ e see front matter
2012 Elsevier B.V. All rights reserved.
doi:10.1016/j.jpowsour.2012.04.055
Journal of Power Sources 214 (2012) 377e385

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

การทดสอบเครื่องจักรกลและเครื่องกลแมไนต์จำลองของแมพ กระดูก และไฟฟ้าลัดวงจรเริ่มต้นของทรงกระบอกเซลล์ลิเธียมไอออนแบตเตอรี่Lars Greve a, *, Clemens Fehrenbach b, 1โฟล์คสวาเก้น AG กลุ่มวิจัย ตัวอักษรกล่อง 1777, D-38436 โวล์ฟสบวร์ก เยอรมนีสถาบันฟรอนโฮเฟอร์บีสำหรับกลศาสตร์วัสดุ IWM, Woehlerstr 11, D-79108 Freiburg เยอรมนีh ฉัน g h l ฉัน g h t s< กลเซลล์ทดสอบ มีการระบุสถานที่ไฟฟ้าลัดวงจรในการวิเคราะห์< macroscopic วุ้นม้วนกระดูกเริ่มลัดวงจรภายใน< ตามความเครียดไฟฟ้าลัดวงจรและทำเกณฑ์พัฒนา< ไนต์จำลองความล้มเหลวของการทดสอบเซลล์r t ฉัน c l e ฉัน n f oบทความประวัติ:ได้รับ 7 2555 มีนาคมได้รับในแบบฟอร์มการปรับปรุง20 2555 เมษายนยอมรับ 22 2555 เมษายนมีออนไลน์ 28 2012 เมษายนคำสำคัญ:เครื่องจักรกลการละเมิดสิทธิไฟฟ้าลัดวงจรการจำลองกระดูกหักแบบ b s t r c tการละเมิดกลกึ่งคงทดสอบโปรแกรมบนทรงกระบอกลิเทียมไอออนแบตเตอรี่เซลล์มีการในสถานะของประจุ (SoC) 0% โหลดสอบสวนกรณีเกี่ยวข้องรัศมีบด ด้านข้างเครื่องย่อหน้าและส่วนกลาง 3 จุดที่ดัดของเซลล์ ในระหว่างการทดสอบ โหลดหมัด หมัดปริมาณกระบอกสูบ แรงดันไฟฟ้าเซลล์พัฒนาอุณหภูมิของเซลล์ และมีการตรวจสอบโดยใช้มีกล้องอินฟาเรดและเซ็นเซอร์อุณหภูมิ หลังจากทดสอบ เซลล์ได้ถูก analysed โดยใช้คอมพิวเตอร์คอมพิวเตอร์ระบุไว้ว่า macroscopic วุ้นม้วนกระดูกในระดับสากลเริ่มลัดวงจรภายในเปิดเผย โดยการลดลงอย่างฉับพลันของการใช้งานเครื่องจักรกลทั่วโลกเนื่องจากแตก ตาม ด้วยหยดวัดแรงดันและอุณหภูมิของเซลล์เพิ่มขึ้นทันทีมีการสร้างแบบจำลองปัญหาเครื่องกลแมไนต์สำหรับเซลล์ที่อยู่อาศัยและม้วนวุ้น มีการใช้เกณฑ์ตามความเครียดที่คลาสสิก Mohr และ Coulomb (MC) กับทำนายกระดูกและการเริ่มต้นของการลัดวงจรภายในของม้วนวุ้น เงื่อนไข MC อย่างถูกต้องแสดงแทนเจาะไปกระดูก ที่ตำแหน่งกระดูกหักเคลื่อนที่สอดคล้องกับการสังเกตตำแหน่งของการลัดวงจรภายในของเซลล์2012 Elsevier b.v สงวนลิขสิทธิ์ทั้งหมด1. บทนำอิเล็กทรอนิกส์รถปลั๊กอินไฮบริด (PHEV), ช่วง extenderแบตเตอรี่ (RE BEV) รถยนต์อิเล็กทรอนิกส์และไฟฟ้าแบตเตอรี่แท้ยานพาหนะ (BEV) มักจะมีบทบาทสำคัญในถนนในอนาคตเข้าชม ตามระเบียบคาดการณ์ในอนาคตสถานการณ์ [1]ในปัจจุบัน เทคโนโลยีลิเธียมไอออนแบตเตอรี่เป็นหลักสนใจอุตสาหกรรมยานยนต์ เนื่องจากให้พลังงานดีที่สุดอย่างใดอย่างหนึ่งปัจจุบันความหนาแน่น เช่น ([2,3])วัสดุใช้งานของแบตเตอรี่มาตรฐานลิเธียมไอออนในเซลล์แสดง โดยเลเยอร์ซ้อน หรือตัดของแคโทดและแอโนดแผ่น ที่จริงยอแต่ porousฟอยล์แบ่งกลไกประสิทธิภาพ เพื่อป้องกันการภายในลัดวงจรของเซลล์ แบตเตอรี่ระบบไฟฟ้ารถยนต์มีป้องกันกับแมพ โดยมาตรการโครงสร้างขนาดใหญ่เพื่อตอบสนองความล้มเหลวของภาครัฐกฎหมาย ทดสอบความผิดพลาดของผู้บริโภค และอื่น ๆความต้องการ แม้ มีความสำเร็จเหล่านี้ ความรู้ด้านการจำกัด deformability เซลล์ลิเธียมไอออนก่อนไฟฟ้าลัดวงจร* ผู้สอดคล้องกัน โทร.: þ49 5361 9 46562 โทรสาร: þ49 5361 9 31549ที่อยู่อีเมล: clemens.fehenbach@, [e-mail] (L. Greve)iwm.fraunhofer.de (C. Fehrenbach)1 โทร.: þ49 761 5142 151 โทรสาร: þ49 761 5142 510เนื้อหารายการ SciVerse ScienceDirectสมุดรายวันของแหล่งจ่ายไฟหน้าแรกของสมุดรายวัน: www.elsevier.com/locate/jpowsour0378-7753 / $ e ดูหน้าเรื่อง 2012 Elsevier b.v สงวนลิขสิทธิ์ทั้งหมดdoi:10.1016/j.jpowsour.2012.04.055สมุดรายวันของพลังงานแหล่ง 214 377e385 (2012)

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ทดสอบสมบัติทางกลและมหภาคกลจำลององค์ประกอบ จำกัด
ของการเสียรูปที่แตกหักและการเริ่มต้นการลัดวงจรของรูปทรงกระบอก
ลิเธียมไอออนเซลล์แบตเตอรี่
ลาร์ส Greve * คลีเมน Fehrenbach ข 1
โฟล์คสวาเกนเอจี, กลุ่มวิจัยกล่องจดหมาย 1777 D-38436 วูล์ฟ, เยอรมนี
ขสถาบัน Fraunhofer สำหรับกลศาสตร์ของวัสดุ IWM, Woehlerstr 11, D-79108 Freiburg, Germany
ชั่วโมง ighlights
<ทดสอบกับเซลล์วิศวกรรมในแหล่งกำเนิดการระบุสถานที่ไฟฟ้าลัดวงจร.
<เปล่าแตกหักม้วนวุ้นเริ่มต้นการลัดวงจรภายใน.
<แตกหักความเครียดและเกณฑ์การลัดวงจรพัฒนา.
<จำลององค์ประกอบความผิดพลาดแน่นอน ของการทดสอบเซลล์.
articleinfo
ประวัติศาสตร์บทความ
ที่ได้รับ 7 มีนาคม 2012
ที่ได้รับการแก้ไขในรูปแบบ
20 เมษายน 2012
ได้รับการยอมรับ 22 เมษายน 2012
พร้อมให้บริการออนไลน์ 28 เมษายน 2012
คำสำคัญ:
วิศวกรรม
การละเมิด
ลัดวงจร
จำลอง
การแตกหัก
bstract
การละเมิดกลกึ่งคงโปรแกรมการทดสอบในลิเธียมทรงกระบอก ไอออนเซลล์แบตเตอรี่ได้รับการดำเนินการ
ที่รัฐเสียค่าใช้จ่าย (SoC) 0% การตรวจสอบกรณีที่เกี่ยวข้องกับการโหลดบดรัศมีข้างท้องถิ่น
และระดับโลกเยื้องดัดสามจุดของเซลล์ ในระหว่างการทดสอบโหลดหมัดหมัด
รางแรงดันไฟฟ้าของเซลล์และการพัฒนาอุณหภูมิของเซลล์ที่ได้รับการตรวจสอบโดยใช้
กล้องอินฟราเรดและเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิ หลังจากการทดสอบเซลล์ได้รับการวิเคราะห์โดยใช้เครื่องคอมพิวเตอร์
เอกซ์เรย์.
มันเป็นเรื่องที่แสดงให้เห็นว่าการแตกหักม้วนวุ้นตาเปล่าในระดับโลกเริ่มต้นการลัดวงจรภายใน
เปิดเผยโดยการลดลงอย่างฉับพลันของภาระกลทั่วโลกอันเนื่องมาจากการแตกตามด้วยการลดลง ของ
แรงดันไฟฟ้าที่วัดได้และการเพิ่มขึ้นทันทีในอุณหภูมิเซลล์.
ธาตุมหภาคกล จำกัด แบบจำลองความผิดพลาดได้รับการจัดตั้งขึ้นเพื่อที่อยู่อาศัยเซลล์
แอนด์โรลเยลลี่ เกณฑ์ความเครียดตามคลาสสิกหลังจากที่มอร์และประจุไฟฟ้า (MC) ได้ถูกนำมาใช้ในการ
คาดการณ์การแตกหักและการเริ่มต้นของการลัดวงจรภายในของวุ้นม้วน เกณฑ์ MC อย่างถูกต้อง
แสดงให้เห็นถึงการกำจัดหมัดที่จะแตกหักที่สถานที่แตกหักคาดการณ์ตรงกับ
สถานที่ตั้งข้อสังเกตของการลัดวงจรภายในของเซลล์.
? 2012 Elsevier BV สงวนลิขสิทธิ์.
1 บทนำ
Plug-in ไฮบริดยานพาหนะอิเล็กทรอนิกส์ (PHEV) Extender ช่วง
ยานพาหนะแบตเตอรี่อิเล็กทรอนิกส์ (RE BEV) และแบตเตอรี่ไฟฟ้าบริสุทธิ์
ยานพาหนะ (BEV) มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในอนาคตถนน
การจราจรทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการคาดการณ์สถานการณ์การควบคุมในอนาคต [1] .
ปัจจุบันลิเธียมไอออนเทคโนโลยีแบตเตอรี่เป็นที่สนใจหลัก
ให้กับอุตสาหกรรมยานยนต์เพราะมันให้เป็นหนึ่งในที่ดีที่สุดพลังงาน
ความหนาแน่นที่มีในปัจจุบันเช่น ([2,3]).
วัสดุที่ใช้งานของเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมาตรฐานจะ
แสดงโดย ซ้อนกันหรือห่อชั้นของขั้วลบและขั้วบวก
แผ่นวัสดุที่จะแยกทางร่างกายโดยมีรูพรุน แต่
ฟอยล์คั่นประสิทธิภาพกลไกในการที่จะช่วยป้องกันการ
ลัดวงจรภายในของเซลล์ ระบบแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้า
ได้รับการป้องกันความผิดปกติโดยมาตรการโครงสร้างขนาดใหญ่
เพื่อตอบสนองความผิดพลาดของรัฐบาลกลางกฎหมายการทดสอบความผิดพลาดของผู้บริโภคและอื่น ๆ ที่
ต้องการ แม้จะมีความสำเร็จเหล่านี้ความรู้เกี่ยวกับ
การ จำกัด การเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเซลล์ลิเธียมไอออนก่อนที่จะมีการลัดวงจร
* ผู้รับผิดชอบ Tel .: þ49 5361 9 46562; โทรสาร: þ49 5361 9 31549.
ที่อยู่ E-mail: [e-mail] (แอล Greve) clemens.fehenbach @
iwm.fraunhofer.de (ค Fehrenbach).
1 Tel .: þ49 761 151 5142; โทรสาร: þ49 761 5142 510
รายการเนื้อหาที่มีอยู่ใน SciVerse ScienceDirect
วารสารแหล่งพลังงาน
วารสารหน้าแรก: www.elsevier.com/locate/jpowsour
0378-7753 / $ อีเห็นว่าด้านหน้า? . 2012 Elsevier BV สงวนลิขสิทธิ์
ดอย: 10.1016 / j.jpowsour.2012.04.055
วารสารแหล่งพลังงาน 214 (2012) 377e385

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

การทดสอบทางกลและแมโคร
แบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์เชิงกลของการแตกหัก และเริ่มต้นวงจรของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเซลล์ทรงกระบอก

ลาร์ส กรีฟ , * , เคลเมน fehrenbach B 1 : โฟล์คสวาเกน เอจี งานวิจัยกลุ่ม อย่า d-38436 กล่องจดหมาย , โวล์ฟสบวร์ก , เยอรมนี :
b สถาบัน Fraunhofer สำหรับ IWM กลศาสตร์ของวัสดุ , woehlerstr . 11 , d-79108 Freiburg , เยอรมนี
H I G H L ฉัน G H T S
< การทดสอบเซลล์กลด้วยการระบุสถานที่ควบคู่ลัดวงจร .
< มีวุ้นม้วนแตกเริ่มภายในสั้นวงจร .
< ความเครียดจากการแตกหักและเกณฑ์วงจรการพัฒนา .
< ไฟไนต์เอลิเมนต์การชนการจำลองเซลล์ทดสอบ
r t i C L E n f o :
7
บทความประวัติศาสตร์ที่ได้รับ มีนาคม 2012 ในรูปแบบ

รับแก้ไข 20 เมษายน 2012 22 เมษายน 2012

ยอมรับออนไลน์ 28 เมษายน 2012



คำสำคัญ : กลใช้วงจรจำลอง

สั้นหัก
B S T R A C T
เป็น quasi-static กลทารุณทดสอบโปรแกรมบนทรงกระบอกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเซลล์ได้รับการปฏิบัติ
ที่รัฐเสียค่าใช้จ่าย ( SoC ) 0 % การสอบสวนคดีที่เกี่ยวข้องกับการโหลดรัศมี , การเยื้องและทั่วโลกแบบท้องถิ่น
ดัดของเซลล์ ในระหว่างการทดสอบหมัดโหลดหมัด
การกระจัด เซล แรงดัน และอุณหภูมิการพัฒนาเซลล์ได้รับการตรวจสอบโดยใช้
กล้องอินฟราเรดและเซ็นเซอร์อุณหภูมิ หลังจากการทดสอบเซลล์ได้ถูกวิเคราะห์โดยใช้เอกซเรย์คอมพิวเตอร์คอมพิวเตอร์
.
จากการทดลองพบว่าสารวุ้นม้วนแตกในระดับโลกเริ่มสั้น
ภายในวงจรเปิดเผยโดยการลดลงอย่างรวดเร็วของโลกกล โหลด เนื่องจากการแตก ตามด้วยหยด
วัดแรงดันและอุณหภูมิเพิ่มทันทีในเซลล์
แมโครกลแบบจำลองไฟไนต์เอลิเมนต์ชน มีการสร้างเซลล์ที่อยู่อาศัย
และม้วนวุ้น ความเครียดคลาสสิกตามเกณฑ์ของหลังมอ ( MC ) และได้ถูกนำมาใช้เพื่อ
ทำนายการแตกหักและการเริ่มต้นของการลัดวงจรของวุ้นม้วน พิธีกรเกณฑ์อย่างถูกต้อง
เป็นหมัดการร้าวที่คาดการณ์รอยร้าวที่ตั้งตรงกับ
สังเกตตำแหน่งของสั้นวงจรภายในของเซลล์

2012 สามารถนำเสนอสงวนลิขสิทธิ์ .
1 แนะนำปลั๊กอินไฮบริดยานพาหนะไฟฟ้า

( phev ) ระยะทางยานพาหนะไฟฟ้าแบตเตอรี่ ( Bev อีกครั้ง ) และบริสุทธิ์ยานพาหนะแบตเตอรี่ไฟฟ้า ( BEV
) มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในการจราจรถนน
อนาคตขึ้นอยู่กับคาดการณ์อนาคตการควบคุมสถานการณ์ [ 1 ] .
ในปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเทคโนโลยีของ
ดอกเบี้ยหลักกับอุตสาหกรรมยานยนต์ เนื่องจากมันมีหนึ่งใน ความหนาแน่นพลังงาน
ที่ดีที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน เช่น (
[ 2 ] )วัสดุที่ใช้มาตรฐานแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเซลล์คือ
แสดงโดยซ้อนกันหรือห่อชั้นของแผ่นวัสดุแคโทดและแอโนด
ซึ่งจะแยกทางร่างกายโดยมีรูพรุน แต่ประสิทธิภาพการแยก
ฟอยล์ เพื่อช่วยป้องกันการลัดวงจร
ภายในของเซลล์ ยานพาหนะไฟฟ้าแบตเตอรี่ระบบป้องกันการ

โดยมาตรการโครงสร้างขนาดใหญ่เพื่อที่จะเติมเต็มกฎหมายความผิดพลาดของการทดสอบการชนของผู้บริโภคและความต้องการอื่น ๆ

แม้จะมีความสำเร็จนี้ ความรู้ ของ
การจํากัดความสามารถในการปรับรูปของลิเธียมไอออนเซลล์ก่อนการลัดวงจร
* ที่สอดคล้องกันของผู้เขียน โทร . þ 49 5361 9 46562 ; โทรสาร : þ 49 5361 9 31549 .
อีเมล์ : [e-mail] ( L . กรีฟ ) , เคลเมน . fehenbach @
iwm.fraunhofer.de ( C . fehrenbach )
1 โทร .þ 49 761 5142 151 ; โทรสาร : þ 49 761 5142 510 .
เนื้อหารายการของที่ sciverse บริการ

วารสารวารสารของแหล่งพลังงาน : หน้าแรก www.elsevier . com / ค้นหา / jpowsour
0378-7753 / $ E ดูเรื่องหน้า
2012 สามารถนำเสนอสงวนลิขสิทธิ์ .
ดอย : 10.1016 / j.jpowsour . 2012.04.055
วารสาร แหล่งพลังงาน 377e385 214 ( 2012 )