LS-DYNA使用同一模型可以同时求解结构-热-电等多方面的多物理场问题，可以应用在电池的挤压和针刺方面，可一次性得到结构变形信息、热信息、电流电压及SOC剩余载荷等信息。多物理场电池挤压和针刺采用分布式等效电路模型，可以模拟电池的局部短路，模型中电池电的相关输入参数和热的输入参数可以与Fluent共用。

本系列将介绍LS-DYNA中电池结构分析相关的推荐材料模型，以及多物理场挤压、跌落和针刺案例。

LS-DYNA等效电路模型

厚壳单元建立的模型进行模组级别的仿真，计算速度相对较快。而现实中想要模拟pack级别（如整车电池包中），则需要更高的计算速度。LS-DYNA提供BatMac模型（实体单元），且针对每个节点进行了等效电路处理，拥有正极和负极，可直接应用于整车或者pack级别仿真，计算速度更快。

得益于电方面更少的等效电路数量，相对先前的厚壳单元模型，BatMac模型计算速度可提高约20倍。

LS-DYNA同时提供热失控模型，关键字为*EM_RANDLES_EXOTHERMIC_REACTION。用户可通过编写C语言函数定义化学反应的升热功率等参数。右侧案例分别为未考虑热失控以及考虑热失控的电池挤压仿真，可以看到考虑热失控的模拟温度比未考虑热失控的计算结果高出很多。

LS-DYNA R13版本计算该案例可能会遇到“Error10246”报错，需将*EM_MAT_001里的每一个材料修改为单独的材料卡。热失控模型报错可以将变量cur按报错提示改成current解决。多物理场电池模型下载链接：https://www.dynaexamples.com/em/bettery

使用Meshless模型对外部短路进行模拟，用一个等效电路描述一个电芯/模组/pack。

电芯多物理场四种建模方法：实体单元，厚壳单元，BatMac，Meshless，用户可根据不同的场景进行选择。

为满足整车的碰撞计算速度要求，电池仿真需要使用BatMac模型。由于电芯在受到挤压/碰撞的时间通常在100~200微秒之间，但后续的放热时间却相对较长。此时可采用刚柔转换功能，在碰撞之后将电芯转换成刚体进行后续的放热分析，包括热分布求解、热失控求解等。

针刺模型（当前的等效电路模型只能考虑针刺体为绝缘体）。关键字*MAT_ADD_EROSION定义失效，以及*CONTROL_IMPLICIT_GENERAL曲线控制针刺（显式计算）后显式转隐式计算（侵彻结束后结构部分长时间的放热转成隐式计算），以及关键字*EM_CONTROL_EROSION关键字需要同步考虑在内。

私信回复“锂电池”可获取电池多物理场跌落案例模型。

模组单元由两个电芯组成，每个电芯用关键字*EM_RANDLES_BATMAC定义，且每个电芯厚度方向有三层实体单元网格。

每个电芯包含热相关材料、电相关材料及结构变形材料。极耳使用关键字*EM_MAT_001定义电导率、结构材料、热材料。

上图展示了电路的连接，使用等势体定义和连接。

模组多物理场跌落案例。跌落的过程使用柔性体，跌落之后的长时间放热过程则使用关键字*DEFORMABLE_TO_RIGID_AUTOMATIC转变为刚体计算。

后处理软件中可以观测到SOC变化。

模组针刺导致内部短路温度上升的案例模型。

Pack级别跌落测试模型，包含四个模组。

涉水模型，LS-DYNA可实现ICFD、电、结构、热耦合计算。

LS-DYNA 从R13版本开始加入了电芯的厚度方向以及SOC的变化，可以考虑电池膨胀的情况。

电相关的单位制的转换可参考我们提供的excel。(私信回复“锂电池”获得的电池多物理场跌落案例模型里包含这个excel。)

冲击损失+振动疲劳损失案例。LS-DYNA R13版本开始可根据冲击带来的残余应变和损伤，进行后续的随机振动分析。

小结

LS-DYNA新能源锂电池可应用于：

• 电芯\模组\电池包级别的冲击、跌落、挤压等大变形工况；
• 多次冲击、多次跌落损伤累计；
• 橡胶大变形、胶粘大变形；
• 多物理场挤压、针刺、水中短路；
• 冲击后的残余应力和损伤对随机振动的影响；
• 卷绕分析

优势在于：

• LS-DYNA使用一个模型可以同时求解结构-热-电磁（EM）等多方面的多物理场问题，可以应用在锂电池的挤压、针刺、球击、遇水短路等工况，可一次性得到结构变形信息、热信息、电流电压及SOC剩余载荷等信息；
• 开放接触电阻、短路机制、热失控机制等接口，用户在模型中使用C语言方便自定义模型；
• 完善的断裂仿真方案：材料应变率效应、gissmo断裂损伤模型、断裂参数优化方法、SPG高精度不删网格的伽辽金断裂模拟方法；
• 集成短纤维材料映射到碰撞模型；
• 具有EFG算法可以模拟橡胶等柔性物体的极度大变形，易于收敛；
• 锂电池行业LS-DYNA用户众多，便于经验交流