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車用鋰離子動力電池碰撞安全 版權信息
- ISBN：9787568097796
- 條形碼：9787568097796 ; 978-7-5680-9779-6
- 裝幀：精裝
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
車用鋰離子動力電池碰撞安全 本書特色
深入剖析車用鋰離子動力電池碰撞安全技術與方法，讓你成為電池安全專家！
車用鋰離子動力電池碰撞安全 內容簡介
本書為“節能與新能源汽車關鍵技術研究叢書”建設的重要組成部分，集中體現了在科技部中美清潔汽車聯盟合作專項（2016YFE0102200）、國家自然科學基金項目“循環老化鋰離子動力電池的碰撞安全性研究”（52172405）、“鋰離子動力電池碰撞失效機理和表征模擬研究”（51675294）和“動力電池熱失控的誘發與擴展機制、模型及抑制方法”（U1564205）支持下取得的研究成果。在車用動力電池系統能量密度提升和結構輕量化的發展趨勢下，作為儲能與供能的主體，動力電池組和車身結構的集成程度越來越高。在電動汽車碰撞這類特別工況的安全評估與結構設計問題中，動力電池既被視為保護對象，也需要在適當的變形容限范圍內考慮其分攤外來沖擊能量的可能性，充分優化碰撞能量吸收的路徑。鑒于此，本書從動力電池碰撞安全設計的視角出發，從電池結構大變形力學分析入手，系統介紹了電池組分材料、電池單體、電池模組多個層級的測試和表征方法，詳細闡述了機械載荷作用下的動力電池結構力學響應和失效行為特征，深入剖析了大變形破壞情況下的動力電池力、電、熱響應的關聯性；對應于不同應用層級，全面介紹了動力電池的結構力學仿真建模方法，并圍繞動力電池多物理場建模的關鍵技術進行了細化討論；結合試驗和建模分析，從機理上揭示了若干內外因素對鋰離子電池變形響應和失效行為的影響規律；*后，結合新能源車輛的典型碰撞工況和結構輕量化需求，介紹了幾種具有代表性的動力電池碰撞防護結構改進設計思路。本書可作為車輛專業研究生和本科生開展電動汽車碰撞安全研究和動力電池系統安全分析的參考資料，也可為新能源汽車設計、安全性能評估和制造以及動力電池研制等相關企業研發工程師的工作提供參考。
車用鋰離子動力電池碰撞安全 目錄
第1章電動汽車碰撞事故和碰撞安全設計需求1
1.1電動汽車典型碰撞工況分析1
1.2輕量化電池包的碰撞安全設計需求7
本章參考文獻9
第2章電池多層級機械加載試驗方法12
2.1鋰離子電池機械加載試驗概述12
2.2電池組分材料機械性能試驗方法14
2.2.1組分材料的壓縮性能測試16
2.2.2組分材料的拉伸性能測試17
2.2.3組分材料的穿孔測試20
2.2.4電極的箔材涂層界面強度測試20
2.3電池單體機械性能試驗方法25
2.3.1電池單體準靜態機械加載測試27
2.3.2電池單體動態機械加載測試29
2.4電池模組機械性能試驗方法31
2.5本章小節32
本章參考文獻33
第3章電池單體組分材料的力學性能分析和表征35
3.1組分材料基本力學特性概述35
3.2金屬集流體的力學行為表征36
3.2.1金屬集流體箔材的本構描述36
3.2.2金屬集流體箔材力學測試結果與力學行為表征42
3.3活性涂層的力學行為表征49
3.3.1活性涂層孔隙材料的本構描述49
3.3.2活性涂層材料力學測試結果與力學行為表征54
3.4電極集流體箔材活性涂層界面強度表征63
3.5隔膜材料的力學行為表征65
3.5.1隔膜材料的本構描述65
3.5.2隔膜材料力學測試結果與力學行為表征69
3.6電池單體的封裝材料79
3.7本章小結81
本章參考文獻82
第4章受擠壓電池的力學響應和變形失效特征86
4.1單體變形與失效特征86
4.1.1圓柱電池單體的變形與失效特征87
4.1.2軟包電池單體的變形與失效特征90
4.1.3方殼電池單體的變形與失效特征97
4.2模組變形與失效特征100
4.2.1軟包電池模組100
4.2.2方殼電池模組109
4.3本章小結112
本章參考文獻113
第5章面向機械載荷工況的電池仿真建模方法115
5.1電池單體建模方法概述115
5.2電池單體的均質化模型116
5.2.1蜂窩材料模型的改進117
5.2.2DeshpandeFleck模型的改進127
5.2.3電芯均質化模型的電池模組仿真應用133
5.3非均質簡化模型136
5.4精細化模型138
5.4.1精細化模型構建138
5.4.2模型計算結果139
5.5基于仿真大數據的碰撞失效預測模型142
5.5.1多工況參數化電池精細模型143
5.5.2電池單體碰撞擠壓工況的多參數組合仿真矩陣145
5.5.3電池單體多工況碰撞失效仿真結果分析147
5.5.4基于仿真大數據的電池碰撞失效預測分類模型149
5.5.5基于仿真大數據的電池單體碰撞擠壓失效回歸模型155
5.6本章小結158
本章參考文獻158
第6章擠壓工況電池單體的力電熱響應161
6.1不同壓頭擠壓工況的電池單體力電熱響應161
6.1.1電池單體機械響應與電熱響應的關聯性161
6.1.2內短路后電池單體的電熱響應163
6.1.3變形和斷裂模式165
6.1.4斷裂模式對電池電壓和溫度變化的影響168
6.2不同擠壓方向下的電池單體力電熱響應169
6.2.1不同擠壓方向下的電池單體機械響應特征169
6.2.2不同方向擠壓下電池單體內短路和產熱特性172
6.2.3不同擠壓方向下的電池單體內部失效特征175
6.2.4斷裂模式對開路電壓和溫度場的影響176
6.3機械載荷下電池單體的力電熱多場仿真框架178
6.4本章小結186
本章參考文獻187
第7章電池擠壓力學響應的荷電狀態敏感性192
7.1電池單體力學響應的荷電狀態敏感性測試192
7.2組分材料力學性能的荷電狀態相關性195
7.2.1高荷電狀態的組分材料樣品制備和拉伸測試方法195
7.2.2不同SOC電池的組分材料拉伸性能變化和空氣暴露效應197
7.2.3高荷電狀態的組分材料微觀結構特征201
7.3荷電狀態相關性的機理分析203
7.3.1兩種電池的卷芯擠壓試驗204
7.3.2外部約束下軟包電池的擠壓試驗204
7.4軟包電池自由膨脹和約束反力207
7.4.1無約束軟包電池單體的體積膨脹207
7.4.2約束單體反作用力的測量209
7.4.3電池膨脹內應力的解析模型210
7.5電池大變形力學行為的荷電狀態影響機理214
7.5.1用于估算組分材料影響的解析模型214
7.5.2用于活性涂層壓縮性能分析的離散元模型216
7.5.3考慮膨脹內應力的代表體元模型220
7.5.4考慮膨脹內應力的連續介質涂層模型222
7.5.5荷電狀態相關的DPC模型224
7.6本章小結226
本章參考文獻226
第8章電池碰撞擠壓響應的動態效應228
8.1電池單體的動態擠壓試驗228
8.2電池結構剛度的動態增強效應229
8.2.1樣品制備與層疊壓縮試驗230
8.2.2干、濕狀態電池樣品層疊壓縮試驗結果230
8.3電池剛度動態增強的解析模型232
8.4電池結構剛度動態增強效應的仿真研究236
8.4.1基于光滑粒子流體動力學（SPH）的模型236
8.4.2基于孔隙力學的有限元模型239
8.5電池擠壓斷裂的動態特征分析243
8.5.1基于等效模型的結構失效仿真分析244
8.5.2動態失效機理的試驗驗證245
8.5.3電池多層結構的斷裂次序246
8.6本章小結249
本章參考文獻250
第9章動力電池碰撞防護結構252
9.1動力電池的輕量化防護設計現狀252
9.2電池模組結構優化設計254
9.2.1三明治夾層結構高度的影響255
9.2.2三明治結構截面構型設計256
9.3電池包結構的碰撞安全設計260
9.3.1電池包底部護板的結構形式261
9.3.2底部護板的聚合物涂覆設計265
9.4本章小結274
本章參考文獻274
1.1電動汽車典型碰撞工況分析1
1.2輕量化電池包的碰撞安全設計需求7
本章參考文獻9
第2章電池多層級機械加載試驗方法12
2.1鋰離子電池機械加載試驗概述12
2.2電池組分材料機械性能試驗方法14
2.2.1組分材料的壓縮性能測試16
2.2.2組分材料的拉伸性能測試17
2.2.3組分材料的穿孔測試20
2.2.4電極的箔材涂層界面強度測試20
2.3電池單體機械性能試驗方法25
2.3.1電池單體準靜態機械加載測試27
2.3.2電池單體動態機械加載測試29
2.4電池模組機械性能試驗方法31
2.5本章小節32
本章參考文獻33
第3章電池單體組分材料的力學性能分析和表征35
3.1組分材料基本力學特性概述35
3.2金屬集流體的力學行為表征36
3.2.1金屬集流體箔材的本構描述36
3.2.2金屬集流體箔材力學測試結果與力學行為表征42
3.3活性涂層的力學行為表征49
3.3.1活性涂層孔隙材料的本構描述49
3.3.2活性涂層材料力學測試結果與力學行為表征54
3.4電極集流體箔材活性涂層界面強度表征63
3.5隔膜材料的力學行為表征65
3.5.1隔膜材料的本構描述65
3.5.2隔膜材料力學測試結果與力學行為表征69
3.6電池單體的封裝材料79
3.7本章小結81
本章參考文獻82
第4章受擠壓電池的力學響應和變形失效特征86
4.1單體變形與失效特征86
4.1.1圓柱電池單體的變形與失效特征87
4.1.2軟包電池單體的變形與失效特征90
4.1.3方殼電池單體的變形與失效特征97
4.2模組變形與失效特征100
4.2.1軟包電池模組100
4.2.2方殼電池模組109
4.3本章小結112
本章參考文獻113
第5章面向機械載荷工況的電池仿真建模方法115
5.1電池單體建模方法概述115
5.2電池單體的均質化模型116
5.2.1蜂窩材料模型的改進117
5.2.2DeshpandeFleck模型的改進127
5.2.3電芯均質化模型的電池模組仿真應用133
5.3非均質簡化模型136
5.4精細化模型138
5.4.1精細化模型構建138
5.4.2模型計算結果139
5.5基于仿真大數據的碰撞失效預測模型142
5.5.1多工況參數化電池精細模型143
5.5.2電池單體碰撞擠壓工況的多參數組合仿真矩陣145
5.5.3電池單體多工況碰撞失效仿真結果分析147
5.5.4基于仿真大數據的電池碰撞失效預測分類模型149
5.5.5基于仿真大數據的電池單體碰撞擠壓失效回歸模型155
5.6本章小結158
本章參考文獻158
第6章擠壓工況電池單體的力電熱響應161
6.1不同壓頭擠壓工況的電池單體力電熱響應161
6.1.1電池單體機械響應與電熱響應的關聯性161
6.1.2內短路后電池單體的電熱響應163
6.1.3變形和斷裂模式165
6.1.4斷裂模式對電池電壓和溫度變化的影響168
6.2不同擠壓方向下的電池單體力電熱響應169
6.2.1不同擠壓方向下的電池單體機械響應特征169
6.2.2不同方向擠壓下電池單體內短路和產熱特性172
6.2.3不同擠壓方向下的電池單體內部失效特征175
6.2.4斷裂模式對開路電壓和溫度場的影響176
6.3機械載荷下電池單體的力電熱多場仿真框架178
6.4本章小結186
本章參考文獻187
第7章電池擠壓力學響應的荷電狀態敏感性192
7.1電池單體力學響應的荷電狀態敏感性測試192
7.2組分材料力學性能的荷電狀態相關性195
7.2.1高荷電狀態的組分材料樣品制備和拉伸測試方法195
7.2.2不同SOC電池的組分材料拉伸性能變化和空氣暴露效應197
7.2.3高荷電狀態的組分材料微觀結構特征201
7.3荷電狀態相關性的機理分析203
7.3.1兩種電池的卷芯擠壓試驗204
7.3.2外部約束下軟包電池的擠壓試驗204
7.4軟包電池自由膨脹和約束反力207
7.4.1無約束軟包電池單體的體積膨脹207
7.4.2約束單體反作用力的測量209
7.4.3電池膨脹內應力的解析模型210
7.5電池大變形力學行為的荷電狀態影響機理214
7.5.1用于估算組分材料影響的解析模型214
7.5.2用于活性涂層壓縮性能分析的離散元模型216
7.5.3考慮膨脹內應力的代表體元模型220
7.5.4考慮膨脹內應力的連續介質涂層模型222
7.5.5荷電狀態相關的DPC模型224
7.6本章小結226
本章參考文獻226
第8章電池碰撞擠壓響應的動態效應228
8.1電池單體的動態擠壓試驗228
8.2電池結構剛度的動態增強效應229
8.2.1樣品制備與層疊壓縮試驗230
8.2.2干、濕狀態電池樣品層疊壓縮試驗結果230
8.3電池剛度動態增強的解析模型232
8.4電池結構剛度動態增強效應的仿真研究236
8.4.1基于光滑粒子流體動力學（SPH）的模型236
8.4.2基于孔隙力學的有限元模型239
8.5電池擠壓斷裂的動態特征分析243
8.5.1基于等效模型的結構失效仿真分析244
8.5.2動態失效機理的試驗驗證245
8.5.3電池多層結構的斷裂次序246
8.6本章小結249
本章參考文獻250
第9章動力電池碰撞防護結構252
9.1動力電池的輕量化防護設計現狀252
9.2電池模組結構優化設計254
9.2.1三明治夾層結構高度的影響255
9.2.2三明治結構截面構型設計256
9.3電池包結構的碰撞安全設計260
9.3.1電池包底部護板的結構形式261
9.3.2底部護板的聚合物涂覆設計265
9.4本章小結274
本章參考文獻274
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車用鋰離子動力電池碰撞安全 作者簡介
夏勇，清華大學車輛與運載學院副研究員，博士生導師。兼任International Journal of Impact Engineering編委、國際自動機工程師學會（SAE International）車輛安全與網絡安全技術分會共同主席、SAE International Journal of Materials and Manufacturing副主編、中國汽車工程學會汽車安全技術分會副秘書長、汽車輕量化技術創新戰略聯盟專家委員會委員。主要從事材料與結構大變形失效、動力電池碰撞安全和行人碰撞安全等研究。1998年獲中國科學技術大學高分子物理學士學位；2004年獲中國科學技術大學固體力學博士學位；2013—2014年在美國麻省理工學院訪學期間開始動力電池碰撞安全方面的研究工作。主持和參與多項國家重點研發計劃課題和國家自然科學基金課題，與通用、福特、大眾、豐田等企業長期開展合作研究。發表學術論文100余篇，獲國內外發明專利10余項。周青，清華大學車輛與運載學院教授，博士生導師。兼任中國汽車工程學會汽車安全技術分會主任委員，International Journal of Impact Engineering副主編，International Research Council on Biomechanics of Injury (IRCOBI) 理事。研究領域為汽車安全、人體碰撞保護、材料和結構大變形失效、電池碰撞安全等。主持過多項國家縱向課題及國際合作項目，發表學術論文100余篇，并獲得數十項中國和美國發明專利，主講“汽車碰撞安全基礎”課程，該課程獲得“清華大學精品課程”稱號及*首批*一流本科課程和“國家精品慕課”認定。1985年本科畢業于北京大學力學專業，1994年獲得麻省理工學院（MIT）博士學位，1994年至1999年就職于美國通用汽車公司研發中心，1999年至2003年就職于美國聯邦政府交通部Volpe研究中心，2003年開始在清華大學任教。夏勇，清華大學車輛與運載學院副研究員，博士生導師。兼任International Journal of Impact Engineering編委、國際自動機工程師學會（SAE International）車輛安全與網絡安全技術分會共同主席、SAE International Journal of Materials and Manufacturing副主編、中國汽車工程學會汽車安全技術分會副秘書長、汽車輕量化技術創新戰略聯盟專家委員會委員。主要從事材料與結構大變形失效、動力電池碰撞安全和行人碰撞安全等研究。1998年獲中國科學技術大學高分子物理學士學位；2004年獲中國科學技術大學固體力學博士學位；2013—2014年在美國麻省理工學院訪學期間開始動力電池碰撞安全方面的研究工作。主持和參與多項國家重點研發計劃課題和國家自然科學基金課題，與通用、福特、大眾、豐田等企業長期開展合作研究。發表學術論文100余篇，獲國內外發明專利10余項。周青，清華大學車輛與運載學院教授，博士生導師。兼任中國汽車工程學會汽車安全技術分會主任委員，International Journal of Impact Engineering副主編，International Research Council on Biomechanics of Injury (IRCOBI) 理事。研究領域為汽車安全、人體碰撞保護、材料和結構大變形失效、電池碰撞安全等。主持過多項國家縱向課題及國際合作項目，發表學術論文100余篇，并獲得數十項中國和美國發明專利，主講“汽車碰撞安全基礎”課程，該課程獲得“清華大學精品課程”稱號及*首批*一流本科課程和“國家精品慕課”認定。1985年本科畢業于北京大學力學專業，1994年獲得麻省理工學院（MIT）博士學位，1994年至1999年就職于美國通用汽車公司研發中心，1999年至2003年就職于美國聯邦政府交通部Volpe研究中心，2003年開始在清華大學任教。
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