Development of numerical models for the crashworthiness of battery modules in electric vehicles

The purpose of this thesis is to develop a numerical method for crashworthiness of battery modules. The recent diffusion of electric vehicles due to environmental and fuel problems leads to considerations of safety issues, for which several solutions are available. The most critical component for safety is the battery, in particular in this work are considered lithium ions batteries, which after a crash, so a mechanical abuse, can present internal short circuits that may lead to fire and explosions. In the first part of the work was calibrated on Abaqus FEM the behaviour of a dummy cell tested under lateral indentation. The filling of cells in experiments was made by cotton and steel spheres to get same mass characteristics of real cells avoiding safety risks. In the numerical model FE model was used an aluminium foam to correctly reproduce the behavior of dummy cell, comparing its response with that of a real cell. After this part are presented the six indentation tests performed on a representative element of a thermoplastic polyurethane (TPU) battery module given by a car maker and 3D printed. Then was evaluated the FE model with a focus on materials modelling, in particular TPU, for which three versions were proposed and tested by calibrating constitutive laws present on Abaqus/Explicit solver. After a parameters tuning, were then performed analysis of all the tests with the three material models. Experimental numerical correlation have been done both at level of impact force, and analysing accelerations experienced by three dummy cells in the module. The experimental numerical correlation at the end of model tuning appears satisfying and allows to validate the followed modelling approach.

Lo scopo di questa tesi è sviluppare un metodo numerico per la resistenza agli urti dei moduli batteria. La recente diffusione dei veicoli elettrici a causa di problemi ambientali e legati ai combustibili fossili porta a considerazioni sulla sicurezza, per le quali sono disponibili diverse soluzioni. Il componente più critico per la sicurezza è la batteria, in particolare in questo lavoro sono considerate batterie agli ioni di litio, che dopo un urto, quindi un abuso meccanico, possono presentare cortocircuiti interni che possono portare a incendi ed esplosioni. Nella prima parte del lavoro è stato calibrato il comportamento di una cella fittizia testata sotto indentazione laterale su Abaqus FEM. Il riempimento delle celle negli esperimenti era costituito da cotone e sfere acciaio per ottenere le medesime caratteristiche di massa delle celle reali evitando rischi per la sicurezza. Nel modello numerico FE è stata utilizzata una schiuma di alluminio per riprodurre il comportamento della cella fittizia, confrontandone la risposta con quella di una cella reale. Dopo questa parte sono presentati i sei test di indentazione eseguiti su un elemento rappresentativo di un modulo batteria in poliuretano termoplastico (TPU) fornito da un’azienda automobilistica e stampato 3D. Successivamente è stato valutato il modello FE con particolare attenzione alla modellizzazione dei materiali, in particolare il TPU, per il quale sono stati proposti e testati tre versioni calibrando leggi costitutive presenti nel solutore Abaqus/Explicit. Dopo una messa a punto dei parametri, sono poi sono state eseguite le analisi di tutti i test diversi modelli di materiale. La correlazione numerico sperimentale è stata svolta sia a livello di forza di impatto, sia analizzando le accelerazioni sperimentate da tre celle fittizie nel modulo, strumentate con accelerometri. La correlazione numerico-sperimentale al termine della messa a punto del modello appare soddisfacente e permette di validare l’approccio di modellazione seguito.