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Virtual Vehicle Research GmbH 使用 ZwickRoell 進行電瓶安全優化研究

個案探討

  • 客戶: 奧地利虛擬車輛研究中心(Virtual Vehicle Research GmbH)
  • 地點:奧地利格拉茨(Graz)
  • 產業: 汽車產業
  • 主題: 測試電池安全:電池單元組件的機械特性,以獲取有限元素電池模擬模型的參數化。

2024 年七月

Virtual Vehicle Research GmbH 使用 ZwickRoell 測量技術為 FE 電池模擬模型建立參數,以精確描述電池元件在變形時的材料行為。實際應用:這些模型用於預測電池內部的短路情況,從而提高電池的安全性。機械測試的結果構成了模擬電池組在衝擊負載下的基礎。

任務 能力 解決方案 結果 產品

奧地利虛擬車輛研究中心對未來的移動能力進行了研究

Virtual Vehicle Research GmbH 是一間專門研究未來車輛科技與移動出行的國際研發中心。該公司設立於奧地利格拉茨(Graz),與工業合作夥伴、大學及研究機構開發創新技術及方法。其焦點在於數位化和虛擬化的開發流程,車輛的安全性和效率以及永續的交通發展。

Virtual Vehicle Research GmbH 的核心能力包括車輛組件的模擬與驗證、輔助系統的開發以及動力系統的優化。該公司專注於跨學科研究和實際的解決方案,為汽車產業的進一步發展做出了重大貢獻,並支持了向智慧和環保移動概念的轉型。

ZwickRoell 在電池安全測試方面具有頂尖能力

  • 針對電池安全測試產生可重複的測試結果
  • 試驗機的精度及測量準確度
  • 提升時間效率
  • 優秀的專案與合作夥伴溝通
  • 謹慎處理電池組件
  • 創新產品及解決方案

任務

電池單元:實際條件下的機械組件表徵

鋰離子電池(LIBs)含有毒性且易燃的液態有機電解液。此電解質使離子在電極之間流動,因而確保鋰離子電池功能的重要組成部分。電解質主要基於導電鹽(通常為六氟磷酸鋰)溶解於不同的有機碳酸鹽中,如碳酸亞乙酯(EC)或碳酸二甲酯(DMC)。

為待測材料創建一個真實的試驗環境,對 Virtual Vehicle Research GmbH 而言,在電解質濕潤的狀態下進行組件測試是非常重要的。為符合測試實驗室的安全規定,使用不需要六氟磷酸鋰(LiPF6)的替代電解液進行試驗。

ZwickRoell 的核心任務是在實際條件下,對電池單元的所有單獨組件電池進行機械表徵。一個主要的挑戰是如何夾持濕潤的電解液試樣,如電池隔膜,因其通常非常薄(大約 20 µm)且柔韌。最重要的是,這需要精細的處理及耐心。

ZwickRoell 電池安全測試解決方案

用於描述機械特性的拉伸及壓縮測試

其首要任務是生產合適的電池組件試樣。 ZwickRoell 使用冲裁工具切割長方形的鋰電池隔膜試樣。 關鍵是在陶磁塗層的隔膜上。原因在於其在防止短路方面的關鍵作用。隔膜的任務是將電極在電氣和空間上彼此分隔。隔膜試樣一方面在乾燥狀態下進行測試,另一方面在電解質浸泡(“濕的”)狀態下進行測試。而透過這些測試,在隔膜上的不同故障行為將會被呈現出來。

壓縮測試的試樣共計由100 個相互堆疊的單獨層所組成。執行此程序的原因:這提高了測試過程中長度變化的測量準確度。試樣上施加的預緊力用以使各層之間的間隙更為密合。為確保試驗結果的可再現性,在每個測試配置共進行五次測試。使用的設備為配備 Xforce 100 kN 荷重元

ZwickRoell Z100 AllroundLine 試驗機。在壓縮試驗時,考量試驗機剛性,使用橫樑位移量測系統測量位移。影像式延伸計用於在拉伸測試中進行應變測量

有關 ZwickRoell 電池測試的更多資訊

「特別值得一提的是全面且包含試驗數據的專業測試報告可被迅速提供準備。它既體現對單一電池組件的謹慎處理,也體現了試驗機的高精度。儘管面臨著重大挑戰-在模擬真實環境條件的電解質潤濕狀態下處理單個非常薄的電池組件,ZwickRoell 測試工程師仍能做出可再現且可靠的測試結果。」


Patrick Kolm 博士,資深研究員 │ 電池碰撞安全

測試結果

隔膜機械變形行為的研究結果

拉伸測試:
圖 1 顯示了拉伸速度(10 mm/min、100 mm/min 及 500 mm/min)及電解質在隔膜試樣上的影響-以橫向試驗為例。在測試前,立即將「濕」測試的隔膜從替代的電解質浴(碳酸二亞乙酯和碳酸亞乙酯的混合物)中取出。該試驗結果顯示了「濕潤」的隔膜試樣比「乾燥」狀態的試樣具有更高的剛性。

一般而言,可以觀察到電解質浸漬的陶瓷塗層隔膜在受到拉伸應力時表現出更大的剛性。在隔膜上塗覆 Al2O3,表面會形成粗糙且多孔的結構。形成較高的變形抗力一個可能原因可能為塗層和電解質之間基於黏附力的相互作用。

壓縮測試:
圖 2顯示了電解質對隔膜疊層機械變形行為的影響。它顯示了先前浸泡在替代電解質(碳酸二亞乙酯和碳酸亞乙酯的混合物)中的濕隔膜疊層,與「乾」疊層的兩者力行程曲線比較。試驗結果顯示了「濕潤」的隔膜疊層產生的力增量明顯低於「乾燥」的堆層。一般而言,可以觀察到經電解質浸泡後的隔膜在壓縮負載下表現出較低的剛性。這些發現證實,方向相關的特性對於電池模擬模型中隔膜的實際參數化至關重要。

前景:
虛擬車輛研究中心與 ZwickRoell 之間的合作目前正透過創新測試方法的應用進一步深化,以研究壓縮負載下電池組件的機械特性。作為科學專案的一部份,高精度的 ZwickRoell 測量技術被用於表徵在壓縮負載下非常薄(μm 範圍)的單層組件試樣,以持續提高模擬試驗用的材料數據質量。

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