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編輯推薦：
深入剖析车用锂离子动力电池碰撞安全技术与方法，让你成为电池安全专家！
內容簡介：
本书为“节能与新能源汽车关键技术研究丛书”建设的重要组成部分，集中体现了在科技部中美清洁汽车联盟合作专项（2016YFE0102200）、国家自然科学基金项目“循环老化锂离子动力电池的碰撞安全性研究”（52172405）、“锂离子动力电池碰撞失效机理和表征模拟研究”（51675294）和“动力电池热失控的诱发与扩展机制、模型及抑制方法”（U1564205）支持下取得的研究成果。在车用动力电池系统能量密度提升和结构轻量化的发展趋势下，作为储能与供能的主体，动力电池组和车身结构的集成程度越来越高。在电动汽车碰撞这类极端工况的安全评估与结构设计问题中，动力电池既被视为保护对象，也需要在适当的变形容限范围内考虑其分摊外来冲击能量的可能性，充分优化碰撞能量吸收的路径。鉴于此，本书从动力电池碰撞安全设计的视角出发，从电池结构大变形力学分析入手，系统介绍了电池组分材料、电池单体、电池模组多个层级的测试和表征方法，详细阐述了机械载荷作用下的动力电池结构力学响应和失效行为特征，深入剖析了大变形破坏情况下的动力电池力、电、热响应的关联性；对应于不同应用层级，全面介绍了动力电池的结构力学仿真建模方法，并围绕动力电池多物理场建模的关键技术进行了细化讨论；结合试验和建模分析，从机理上揭示了若干内外因素对锂离子电池变形响应和失效行为的影响规律；*后，结合新能源车辆的典型碰撞工况和结构轻量化需求，介绍了几种具有代表性的动力电池碰撞防护结构改进设计思路。本书可作为车辆专业研究生和本科生开展电动汽车碰撞安全研究和动力电池系统安全分析的参考资料，也可为新能源汽车设计、安全性能评估和制造以及动力电池研制等相关企业研发工程师的工作提供参考。
關於作者：
夏勇，清华大学车辆与运载学院副研究员，博士生导师。兼任International Journal of Impact Engineering编委、国际自动机工程师学会（SAE International）车辆安全与网络安全技术分会共同主席、SAE International Journal of Materials and Manufacturing副主编、中国汽车工程学会汽车安全技术分会副秘书长、汽车轻量化技术创新战略联盟专家委员会委员。主要从事材料与结构大变形失效、动力电池碰撞安全和行人碰撞安全等研究。1998年获中国科学技术大学高分子物理学士学位；2004年获中国科学技术大学固体力学博士学位；2013—2014年在美国麻省理工学院访学期间开始动力电池碰撞安全方面的研究工作。主持和参与多项国家重点研发计划课题和国家自然科学基金课题，与通用、福特、大众、丰田等企业长期开展合作研究。发表学术论文100余篇，获国内外发明专利10余项。周青，清华大学车辆与运载学院教授，博士生导师。兼任中国汽车工程学会汽车安全技术分会主任委员，International Journal of Impact Engineering副主编，International Research Council on Biomechanics of Injury (IRCOBI) 理事。研究领域为汽车安全、人体碰撞保护、材料和结构大变形失效、电池碰撞安全等。主持过多项国家纵向课题及国际合作项目，发表学术论文100余篇，并获得数十项中国和美国发明专利，主讲“汽车碰撞安全基础”课程，该课程获得“清华大学精品课程”称号及*首批*一流本科课程和“国家精品慕课”认定。1985年本科毕业于北京大学力学专业，1994年获得麻省理工学院（MIT）博士学位，1994年至1999年就职于美国通用汽车公司研发中心，1999年至2003年就职于美国联邦政府交通部Volpe研究中心，2003年开始在清华大学任教。
目錄
第1章电动汽车碰撞事故和碰撞安全设计需求1
內容試閱
以道路车辆为代表的交通运载工具发展过程中，碰撞安全始终是贯穿其中的重要问题，随着技术革新，碰撞安全也不断被赋予新的内容。在车辆电动化与智能化转型的今天，作为新型动力源的动力电池，其安全性评价与设计已成为业界务必解决的关键难题。实际道路交通事故中屡屡出现的新能源车辆碰撞起火案例，则不断把动力电池碰撞安全问题推到台前。提升动力电池碰撞安全设计水平已刻不容缓。可以看到，近十多年来国际上动力电池安全研究领域不断推出突破性的技术成果和崭新理念，例如，清华大学欧阳明高院士领衔的电池安全研究团队在动力电池安全性和耐久性研究方面所做的卓越贡献，美国阿岗国家实验室等为代表的研究单位在先进电池材料等方面的重要研究突破，为新能源车辆的持续性发展提供了充足的技术支撑。聚焦碰撞安全，国际上较早的动力电池碰撞挤压安全研究起始于麻省理工学院Wierzbicki教授团队，国内则由著者所在的清华大学车辆安全与轻量化团队率先开展电池碰撞安全课题研究。十多年来两个团队在这一领域保持着紧密合作，针对动力电池的多层级、多尺度特点，在测试分析方法和模型开发技术等方面开展了系统研究，为电池碰撞安全技术发展奠定了较为坚实的基础。随着时间的推移，越来越多的国内外团队关注并致力于动力电池碰撞安全研究，在新模型、新技术不断涌现的同时，业界的新能源车辆安全设计技术水平取得有效提升、跃上新台阶，也推动了电池安全相关法规标准的不断补充和完善。在与相关企业合作开发和沟通交流中，我们感到有必要对过往的动力电池碰撞安全研究成果进行适当的梳理和总结，以帮助工程技术人员和研究人员系统掌握电池碰撞安全相关分析设计的基础知识，明确和把握研究思路和技术主线，快速了解具有代表性的研究进展。在指导研究生进行动力电池碰撞安全相关课题研究的时候，我们也时常琢磨，如果有一本关联性较强的参考书，或许可以更为有效地帮助他们吃透前人的研究成果，掌握重要的分析方法和关键的建模技术，针对新的研究目标制定更为合理的技术方案。这大概是我们三年前着手撰写本书的初衷。本书的完成幸得课题组的研究生、博士后相助，从整理素材、搭建框架、撰写文字、润色图表到调整修改，无不体现团队合作与努力；书中的原始素材和成果也离不开课题组若干博士和硕士毕业生的学术贡献。从*先分析小型电动车辆碰撞安全的硕士毕业生张颂安（后获得密西根大学博士学位）开始，到深入探究电池挤压失效特征和模型开发的罗海灵博士、李威博士、潘哲鑫博士、祝凌霄博士，还有其间在不同层级开展测试、表征和模拟工作的硕士毕业生蒋旭乾、陈冠华、石子彤、肖飞宇、赵天琪等，这些同学的学位论文构成了课题组在电池碰撞安全研究领域的丰富积累，系统性的研究成果为本书提供了宝贵素材。同时，对目前在美国东北大学任教的朱俊儿博士致以谢意，本书部分章节的素材来自双方多年的紧密合作。本书的撰写要特别感谢李威博士，他在本书的前期整理汇集阶段花费了大量时间和精力，也要特别感谢邢伯斌和敖文宏两位博士后，两位在本书各章节的修改完善阶段付出了辛勤的劳动。本书主体结构如下。第1章归纳总结典型的电动汽车碰撞事故特征，指出碰撞挤压条件和动力电池系统构型差异共同造成电池碰撞工况的复杂性，轻量化需求则给动力电池安全设计带来新挑战。第2章介绍电池组分材料、电池单体和电池模组三个层级的机械加载测试方法，这些方法服务于后续各章节的具体分析研究，为不同对象的力学行为分析和表征建模提供可靠的方法和数据支撑。第3章分析了电池单体关键组分材料的力学特性，介绍了具有代表性的组分材料模型和参数识别方法。第4章介绍了电池单体和电池模组的挤压力学响应和失效特征，为建立电池碰撞挤压安全性评估判据提供了重要参考依据。第5章重点介绍电池单体机械挤压工况的建模方法和仿真应用案例，涵盖精细化建模和均质化建模方法，同时介绍了基于高精度仿真数据和机器学习算法建立电池机械加载失效快速预测模型的方法。第6章重点分析不同挤压模式下电池单体的力电热响应，考察电池结构变形、损伤和失效模式，分析对应的内短路行为和产热效应，也概述了电池机械挤压工况的力电热多物理场仿真方法。第7章和第8章报告了两个专题研究，分别关注荷电状态对电池机械加载响应的影响，以及电池动态挤压的力学响应特征及内在机理分析。前者分析了荷电状态、电池结构与卷芯膨胀内应力间的联系，强调了内应力机制对电池宏观挤压响应的影响；后者总结了电池动态挤压响应的显著变化，揭示了动态效应与电解液的黏性耗散密不可分。*后，在第9章中给出电池包层级碰撞安全性能分析的技术框架，描述了若干针对典型整车碰撞工况的防护设计思路，结合结构优化和材料匹配，开展电池包结构抗撞性与轻量化多目标优化，以降低动力电池变形失效风险。本书内容的整理基本涵盖了我们团队2021年之前的研究积累。近一两年的新进展，包括刘原杰博士在电池老化影响方面的分析发现、陈柏彣博士在电池排布构型影响方面的深入分析及设计理念，还有在读研究生的一些重要研究结果，尚未包含在内。根据相关研究的推进和完善情况，在后续版本的内容组织上我们将加以考虑并更新。希望本书能为新能源车辆安全领域和动力电池研发领域的工程师、相关专业的高年级本科生与研究生的学习工作提供参考。限于著者水平，本书可能存在错误和不当之处，恳请读者不吝指正。周青夏勇2023年5月于清华园
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