田雯 沈川杰 葛偉 李克鋒 葛文罡 楊志云

摘? 要：鋰離子電池組結(jié)構(gòu)件重量占比偏大往往是造成鋰離子電池模組的比能量低下的重要原因之一。目前，常用的鋰離子電池組結(jié)構(gòu)包括箱體式、拉桿式或者夾板式，電池組成組結(jié)構(gòu)件比重在10%～30%之間，然而某鋰離子電池組要求結(jié)構(gòu)件比重小于5%。文章對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了超大幅度的減重，采用單面粘結(jié)懸掛固定鋰離子電池堆的方法將電池堆固定在近似圓形且鏤空的面板上，使得整體結(jié)構(gòu)件比重達(dá)到3.5～4.5%。針對該種結(jié)構(gòu)，文章基于ANSYS對電池組內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然特殊，但其內(nèi)部各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)力安全系數(shù)較大，同樣具有高的可靠性。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池;粘結(jié)懸掛;ANSYS;應(yīng)力分析

中圖分類號(hào)：TM912? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0028-02

Abstract： The large weight proportion of lithium-ion battery structure is often one of the important reasons for the low specific energy of lithium-ion battery module. At present， the commonly used lithium-ion battery pack structure includes box type， pull rod type or splint type. The proportion of battery components is between 10% and 30%. However， a lithium-ion battery pack requires that the specific gravity of the structure is less than 5%. In this paper， the weight of the structure is reduced by a great deal， and the battery stack is fixed on an approximately circular and hollowed-out panel by single-sided bonding and hanging， so that the specific gravity of the whole structure reaches 3.5% to 4.5%. In view of this kind of structure， the internal stress of the battery pack is analyzed based on ANSYS. The results show that although the structural design of the lithium-ion battery pack is special， its internal stress safety factor is large， and it also has high reliability.

Keywords： lithium-ion battery; bonding and suspension; ANSYS; stress analysis

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋰離子電池的應(yīng)用范圍越來越廣泛。用戶對鋰離子電池模組的比能量要求越來越高。然而模組結(jié)構(gòu)件重量占比偏大往往是造成鋰離子電池模組的比能量低下的重要原因之一。目前，常用的鋰離子電池組結(jié)構(gòu)包括箱體式、拉桿式或者夾板式，一般電池組結(jié)構(gòu)件比重在10%～30%之間，然而某鋰離子電池組要求其結(jié)構(gòu)件比重小于5%。本文對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了超大幅度的減重，采用單面粘接懸掛固定鋰離子電池堆的方法將電池堆固定在近似圓形且鏤空的面板上，使得整體結(jié)構(gòu)件比重達(dá)到3.5～4.5%[1]。該設(shè)計(jì)具有重量輕，比能量高的特點(diǎn)，然而同時(shí)也帶來了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足的風(fēng)險(xiǎn)。本文針對該種特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，并基于ANSYS對電池組內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行力學(xué)仿真，以確定該特殊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否足夠可靠。

2 電池組設(shè)計(jì)與制造[1]

單面粘結(jié)懸掛鋰離子電池組設(shè)計(jì)如圖1所示，主體采用硅橡膠GD-414對鋁合金板2A12-T4、環(huán)氧板3240、電池堆等粘結(jié)而成，其中，鋁合金板為承力結(jié)構(gòu)主體，環(huán)氧板為絕緣隔離體，電池堆為供電主體。鋰離子電池組采用硅橡膠均勻涂覆在鋁合金板平面上，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，采用硅橡膠均勻涂覆在環(huán)氧板上，涂覆面密度為25g/m2～50g/m2，控制有效粘接面積占比不小于30%。將鋁合金板與環(huán)氧板的涂膠面對接固定，施加壓力并保持12h以上固化粘結(jié)完成。環(huán)氧板另一面均勻涂覆硅橡膠，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，在電池堆的鎳片上均勻表面涂覆硅橡膠，涂覆面密度為75g/m2～150g/m2;將鋁合金板和環(huán)氧板的組合體平放且涂膠面向上，將電池堆涂膠面向下放置到環(huán)氧板上，調(diào)整位置使電池堆到達(dá)預(yù)定位置，對每個(gè)單體電池單獨(dú)施加20N～100N的壓力，控制有效粘接單體電池占比不小于30%，鋰離子電池組的組合體固化7天以上即可應(yīng)用。

3 模型簡化、設(shè)置及網(wǎng)格劃分

將單面粘結(jié)懸掛鋰離子電池組中的電池堆進(jìn)行簡化和網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖2所示。電池組受力支撐點(diǎn)位于底部，整體受到向下的重力，本文仿真按照1.0g的加速度值進(jìn)行仿真和討論，同時(shí)將電池堆的彈性模量設(shè)置為7.8MPa，確保其具有較好的柔性，可以模擬單體電池的粘結(jié)關(guān)系。

4 仿真結(jié)果及分析

通過ANSYS進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示，圖3（A）為總體外形變云圖，圖3（B）為鋁合金板應(yīng)力云圖，圖3（C）為環(huán)氧板應(yīng)力云圖，圖3（D）為電池堆應(yīng)力云圖。

從圖3（A）可以看到，電池組形變量非常小，主要發(fā)生在電池堆上，整體主要形變?yōu)閺澢膹椥孕巫?，該形變方向?qū)е抡w在垂直方向自動(dòng)建立了彈性的減震結(jié)構(gòu);從圖3（B）可以看到，鋁合金板應(yīng)力最大點(diǎn)集中在底部的兩側(cè)位置，約為29.8MPa，鋁合金板的拉伸強(qiáng)度為275MPa[2]，因此，鋁合金板的安全系數(shù)為9.2;從圖3（C）可以看到，環(huán)氧板最大應(yīng)力為3.98MPa，而環(huán)氧板的拉伸強(qiáng)度為216MPa[3]，因此環(huán)氧板的安全系數(shù)為54.2;從圖3（D）可以看到，電池堆最大受力點(diǎn)位于底部，最大應(yīng)力值為0.00371MPa，按照有效面積30%計(jì)算，實(shí)際內(nèi)部應(yīng)力約為0.01238MPa，而GD-414硅橡膠的剪切強(qiáng)度為1.5MPa[4]，因此電池堆的粘結(jié)安全系數(shù)為121.2;環(huán)氧板與鋁合金板之間的采用硅橡膠粘結(jié)，硅橡膠粘接層較為柔軟，受力相對均勻，按照鏤空比例40%和有效面積30%計(jì)算，環(huán)氧板與鋁合金板之間硅橡膠的最大應(yīng)力為0.03094MPa，此時(shí)環(huán)氧板與鋁合金板的粘結(jié)安全系數(shù)為48。

5 結(jié)論

本文基于ANSYS對單面粘結(jié)懸掛鋰離子電池組的內(nèi)部應(yīng)力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該鋰離子電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然特殊，結(jié)構(gòu)件占比僅為3.5～4.5，而其內(nèi)部各個(gè)部分應(yīng)力的安全系數(shù)較大，因此該特殊結(jié)構(gòu)具有非常高的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈川杰，李克鋒，等.一種水下裝置用輕量化鋰離子電池模組及制造方法[P].中國：201910555668.5.2019-06-25.

[2]孫玉福，等.實(shí)用工程材料手冊[M].北京：機(jī)械工程出版社，2014：443.

[3]華國強(qiáng)，等.非金屬材料手冊[M].中國航天集團(tuán)第八研究院，2002：247.

[4]成鋼，李堯.航天用RTVGD414硫化性能研究[J].真空與低溫，2013，19（01）：50～55.