Finite elements impact modelling of electric vehicle battery module

Climate change is driving the spread of electric vehicles in order to reduce gas emissions from combustion. Unlike conventional vehicles, electric ones introduce new safety requirements associated with their energy storage system. Batteries can ignite if subjected to impacts, high accelerations and external intrusions can lead to their short circuit. Crashworthiness study on battery mechanical integrity under impacts is of primary importance to ensure vehicle safety. This thesis focuses on the numerical part of a numerical/ experimental protocol for safe battery testing, including dummy and sensorized batteries. The objective of the thesis is to develop a reliable numerical model to simulate battery impact tests. A finite element model of a representative element of battery has been developed in Abaqus/Explicit. The model has been calibrated to be correlated with experimental impact tests performed on a 3D printed dummy battery. Tensile and compression tests have been performed to characterize the dummy structure material, thermoplastic polyurethane. Equivalent material models have been defined to describe the behavior of dummy battery materials. Numerical simulations captured with good accuracy the accelerations experienced by the battery and impactor, as well as the battery indentation undergone in the impact. Correlation between the experimental and numerical results made it possible to validate the modeling approach followed. The model has been used to study two possible battery structure upgrades, both of which provided a reduction in battery indentation.

Il cambiamento climatico sta spingendo la diffusione dei veicoli elettrici al fine di ridurre le emissioni di gas derivanti dalla combustione. A differenza dei veicoli convenzionali, quelli elettrici introducono nuovi requisiti di sicurezza associati al loro sistema di stoccaggio dell’energia. Le batterie possono incendiarsi se sottoposte a urti, accelerazioni elevate e intrusioni esterne possono provocarne il cortocircuito. Lo studio sulla resistenza agli urti per garantire l’integrità meccanica della batteria in caso di impatto è di primaria importanza per la sicurezza dei veicoli. Questa tesi si concentra sulla parte numerica di un protocollo numerico/sperimentale per il test sicuro delle batterie, che include batterie fittizie e sensorizzate. L’obiettivo della tesi è quello di sviluppare un modello numerico affidabile per simulare le prove di impatto delle batterie. È stato sviluppato in Abaqus/Explicit un modello a elementi finiti di un elemento rappresentativo della batteria. Il modello è stato calibrato per essere correlato con le prove di impatto sperimentali eseguite su una batteria fittizia stampata in 3D. Sono state eseguite prove di trazione e compressione per caratterizzare il materiale della struttura fittizia, il poliuretano termoplastico. Sono stati definiti modelli di materiale equivalenti per descrivere il comportamento dei materiali della batteria fittizia. Le simulazioni numeriche hanno catturato con buona precisione le accelerazioni subite dalla batteria e dall’impattatore, così come l’indentazione subita dalla batteria nell’impatto. La correlazione tra i risultati sperimentali e numerici ha permesso di convalidare l’approccio di modellazione seguito. Il modello è stato utilizzato per studiare due possibili miglioramenti della struttura della batteria, entrambi hanno permesso di ridurre l’indentazione della batteria nell’impatto.