Development of numerical and experimental approach for the impact response of electric battery modules

Protection of storage systems of electrical vehicles is constantly growing in importance as the market of electrical automotive is expanding. Battery cells tend to ignite if they are subjected to a short circuit and therefore resistance to impact and external intrusion in the battery module is of paramount importance. In this work numerical and experimental models for the simulation of battery cells and modules in shock and impact conditions have been developed. Sensorized and dummy cells for safe testing have been designed and mechanically characterized with axial compression, lateral indentation, and three-point bending. Several impact tests have been performed on an exemplificative volume of a standard battery module that includes cells, cooling system and sensorized cells. A numerical model with same materials and geometry has been set up using SIMULIA/Abaqus explicit FEM algorithm. Moreover, preliminary research has been performed on an innovative module structure based on cellular auxetic meta-materials for the increase of resistance upon impact. The designed dummy cells resulted in having a behaviour in line with literature data about real cells and thus to be a good compromise between accuracy and safety. Sensorized cells allow an evaluation of the mechanical shocks undergone by the cells and a more precise correlation with numerical models. The results of numerical simulations of impact tests show a satisfactory correlation with the experimental data for both the acceleration and the damage experienced by the cells. The numerical analysis of the innovative chiral module shows a significative reduction of the acceleration of the cells for both the first peak and the subsequent oscillations. This indicates that the use of this kind of innovative structures could be very promising in the future of battery protection.

Negli ultimi anni il mercato dei veicoli elettrici sta subendo una rapida crescita mettendo in evidenza le problematiche relative alla sicurezza dei pacchi batteria. Infatti, le celle delle batterie hanno la tendenza a surriscaldarsi e bruciare nel caso in cui siano soggette a corto circuiti. Per questo motivo la resistenza a intrusioni e la tolleranza a shock meccanici dei moduli delle batterie è di fondamentale importanza. In questo lavoro è stato sviluppato un metodo numerico e sperimentale per la simulazione di celle e moduli sottoposti a shock e impatti. In particolare, sono state progettate delle rappresentazioni reali e numeriche di celle strumentalizzate con accelerometri per effettuare test di impatto in sicurezza. Queste celle sono state caratterizzate meccanicamente con test di compressione assiale, indentazione laterale e flessione a tre punti. Successivamente sono stati effettuati test di impatto su una porzione rappresentativa di un modulo attualmente utilizzato, comprendente di celle, sistema di raffreddamento e celle sensorizzare. La stessa geometria e gli stessi materiali sono stati utilizzati per sviluppare una rappresentazione numerica del modulo utilizzando l’algoritmo FEM esplicito di SIMULA/Abaqus. In aggiunta sono stati effettuati degli studi preliminari sull’introduzione di un modulo innovativo basato su meta-materiali cellulari auxetici con l’obbiettivo di aumentare la resistenza agli urti del modulo. Le celle fittizie hanno dimostrato di riuscire a simulare le proprietà meccaniche di celle reali e di correlare con successo gli shock meccanici sperimentali a quelli simulati, fornendo una comparazione precisa con i modelli numerici. I risultati dei test di impatto sperimentali hanno mostrato una buona correlazione con il modello numerico, confermandone la validità. Inoltre le analisi numeriche sull’innovativo modulo chirale hanno mostrato una notevole riduzione delle accelerazioni delle celle sia per i picchi massimi, sia per le successive oscillazioni rispetto ad una geometria più convenzionale. Questi risultati mostrano come l’utilizzo di queste strutture innovative possa essere molto importante per il futuro della sicurezza dei pacchi batteria.