謝 彬，孫嘉楠

（上汽大眾汽車有限公司，上海201800）

近幾年便攜電子設備以及電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，增加了對于高能量密度可循環(huán)電池的需求。基于新能源行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，要求動力電池有更高的能量密度以提升續(xù)航性能，更低廉的成本來降低價格，以及更穩(wěn)定的體系來提高安全性能[8]。目前新能源動力電池行業(yè)中，電池正極材料有三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等多種選擇，乘用車所采用的電池材料以三元材料和磷酸鐵鋰為主。三元材料的能量密度最高，但是安全性較差且成本高(三元材料約15萬元/噸)，高鎳三元電池還存在熱失控的風險。磷酸鐵鋰的安全性較好且成本較三元材料低(磷酸鐵鋰約6萬元/噸)，但受制于其能量密度較低，提升能量難度較大[11]。在眾多的電池電化學體系中，鋰硫電池在能量密度和成本方面具有明顯的優(yōu)勢[10,12]。鋰硫電池是以單質硫為正極，鋰金屬單質為負極，硫的市場價格為0.26～0.28萬元/噸，成本低廉，其理論能量密度高(2567 W·h/kg)[13-14]，硫元素與過渡金屬元素的正極材料相比，儲量豐富、安全可靠、環(huán)境友好，具有很好的應用前景[15-17]。鋰硫電池在實際應用中，其正極材料為硫與碳的復合材料，用以提升單質硫的電導率，其能量密度達到350 W·h/kg，仍遠高于目前所采用的三元材料，未來鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性提高后，將能滿足大量實際應用需求[4-6]。

動力電池模組是新能源汽車電池系統(tǒng)的核心組成部分，其設計的優(yōu)劣直接影響到整個動力電池系統(tǒng)的性能[7]。如圖1所示，動力電池模組是一個由電芯、隔熱件、絕緣件、機械結構件、高低壓連接件及接插件、熱管理組件等組成的復雜系統(tǒng)[6]。截至目前，以鋰硫電芯集成為動力電池模組的報道和研究較少。鋰硫電池具有高能量密度和重量輕的優(yōu)點，集成的模組比傳統(tǒng)的鋰離子電池模組的質量比能量更高、重量更輕[2]。另外，電芯的電化學體系不同于傳統(tǒng)的鋰離子電池，電化學反應過程與傳統(tǒng)的搖椅式鋰離子電池不同，屬于轉換反應，鋰硫電池的力學性能、熱性能以及電化學性能均與現(xiàn)有的鋰離子電池存在較大的差異[3]。因此，鋰硫電池模組中的各組件都要與鋰硫電池電芯的特性相匹配，這需要重新設計模組結構并配合相關的仿真技術以達到應用的各項工況要求[22]。根據(jù)汽車開發(fā)V 字模式，定義模組的需求邊界，并采用合理的仿真模型對高比能量鋰硫電池模組進行設計，然后結合機械安全性能測試結果的對比分析，完成了鋰硫電池模組結構設計，其比能量密度達250 W·h/kg，且能通過振動和沖擊測試，具有良好的安全性能，為未來鋰硫電池作為動力電池的實際應用提供了理論和實踐依據(jù)。

圖1 電池模組的結構爆炸圖Fig.1 Structural Explosion Diagram of Battery Module

1 鋰硫電池模組的開發(fā)設計要求

1.1 鋰硫電池模組的開發(fā)V模式

在汽車行業(yè)，V模式開發(fā)已經(jīng)是一種公認的高效模式，模組作為電汽車動力電池系統(tǒng)的關鍵零部件，其開發(fā)也遵循這個過程，如圖2所示。為了滿足電動車的應用要求，需要從整車的各項需求，比如性能、安全、質量、成本、制造、使用條件等諸多方面考慮模組的相關要求，然后從需求出發(fā)，對電池模組進行系統(tǒng)設計[4-5]。模組的整體需求進而分解為模組的各零部件的性能和結構的設計要求。在此基礎上，對模組的各零部件進行試制，接著是樣件的仿真與測試，從仿真和測試的結果對模組系統(tǒng)的需求設計再進行修正[2]。然后從樣件集成后的模組系統(tǒng)的仿真與測試結果反饋到系統(tǒng)的需求設計。最后，在保證模組系統(tǒng)的可靠性之后再集成到整車中，完成整車電池包系統(tǒng)的集成工作。

1.2 鋰硫電池電芯的選型和特征

1.2.1 鋰硫電池種類選型

鋰硫電池在充放電過程中，金屬鋰負極在垂直于負極表面的方向上體積變化較大，此外正極的單質硫轉化成固體硫化鋰之后，也會發(fā)生一定的體積膨脹[8]。雖然方形硬殼有較硬的金屬外殼，但是外殼形狀已經(jīng)固定，難以適應金屬鋰負極的體積變化，也不能承受過大的應力，而軟包裝電池可以隨金屬鋰充放電而變厚變薄，因此本文鋰硫電池電芯選擇軟包裝設計。

1.2.2 鋰硫電池熱特性

鋰硫電池的單質硫正極是電子和離子的絕緣體，其電子電導率只有4×10-30S/cm，需要導電性物質復合形成復合材料[9]，導致鋰硫電池內(nèi)阻相對較大，產(chǎn)熱量較高，因此在鋰硫電池模組的電芯與電芯之間加入導熱石墨片，提高使用過程中的熱擴散效率，增加電芯的散熱能力。

1.2.3 鋰硫電池循環(huán)特性

鋰硫電池的鋰金屬負極會隨著循環(huán)過程發(fā)生膨脹和粉化，而硫正極材料涂覆的黏接強度較低，均需要額外的壓力來控制膨脹并保持各界面的緊密接觸，因此壓力對于鋰硫電池的循環(huán)壽命有較大影響[9]，并且其影響會在模組中進一步得到放大，因此對鋰硫電池及其電池組提供持續(xù)壓力，并能夠適應電池體積變化裝置，可以解決金屬鋰負極壽命快速衰減的問題，從而提高鋰硫電池模組的循環(huán)壽命。

1.3 鋰硫電池模組的需求定義

模組作為動力電池系統(tǒng)的重要組成部分，其設計需求主要有結構設計、熱設計、低壓電氣設計、高壓電氣設計和安全設計等。在前期研發(fā)的設計中，鋰硫電池模組的設計主要兼顧以下4 個需求：為電池系統(tǒng)提供足夠能量；為電芯提供強度和預緊力；為電芯提供相匹配的熱設計；為高低壓連接、信號采集和電氣安全提供支持和保障。

在能量需求方面，目前電動車的一個關鍵問題是續(xù)航里程不足，不能滿足用戶長距離(≥500 km)的行駛需要，要達到500 km 以上的續(xù)航里程，電池系統(tǒng)的能量密度要求達到200 W·h/kg 以上，而電池電芯的能量密度要達到300 W·h/kg以上[20]；在結構強度和預緊力要求方面，電池模組除了必須滿足結構強度中的擠壓、震動、沖擊等要求之外，還需要兼顧電芯間預緊力的保持，用以提升鋰硫電池的循環(huán)性能。在熱設計方面，需要提高電芯在使用過程中的熱擴散效率，增加電芯的散熱能力，限制模組內(nèi)的溫差；在高低壓連接、信號采集和電氣安全方面，高低壓連接功能完整，考慮電氣安全以及信號采集線路功能完整。

圖2 電池模組的結構爆炸圖Fig.2 Structural explosion diagram of battery module

2 鋰硫電池模組的設計與仿真

根據(jù)設計的高比容量的鋰硫電池的軟包電芯的尺寸為97 mm×120 mm×9 mm，能量密度約為350 W·h/kg。為了適應電池包的應用和電芯的尺寸，并考慮到附加組件的空間，電池模組的尺寸設定為198 mm×138 mm×134 mm，在模組中鋰硫電芯采用2并8串的組合方式成組，額定輸出電壓為16.8 V，總能量為571 W·h，模組設計能量密度為250 W·h/kg。

2.1 鋰硫電池模組的設計

基于鋰硫電池軟包質量輕的特點，為了提高成組后模組的能量密度，同時保持足夠高的結構強度，模組結構如圖3所示。

圖3 鋰硫電池模組結構設計圖Fig.3 Lithium-sulfur battery module structural design

2.1.1 模組結構設計

鋰硫電芯為軟包電池，因此模組強度需要靠其他模組部件來提供，采用帶加強梁的一體式鎂合金回型框，在保證模組強度的同時也能減重，端板利用高強度塑料，并具備增強骨架的結構，來提高整體的強度。另外，采用注導熱結構膠的方式來填補鋰硫電池電芯和回形框之間的間隙，在固定電芯的同時，提升模組的整體性，防止其在振動沖擊過程中出現(xiàn)內(nèi)部組件的碰撞，減少對電芯的損傷。

2.1.2 模組熱設計

鋰硫電池電芯在模組內(nèi)部排列貼合在一起，中間加入帶硅膠邊框的導熱石墨片，用以提高使用過程中的熱擴散效率，增加電芯的散熱能力，防止熱量集中和溫度分布不均勻，硅膠邊框用于為電芯保持適當?shù)念A緊力，保護電芯。另外，注入的導熱結構膠也可以增加模組的整體散熱能力。

2.1.3 模組預緊力設計

在模組安裝過程中，端板提供的壓力值根據(jù)本項目對預緊力的研究，保持600～800 N 的壓力能夠顯著提升電芯的循環(huán)性能。端板與鋰硫電池電芯間為硅膠&硬質塑料復合墊片，在絕緣的同時，可以在循環(huán)過程中保持電芯間的壓力。鋰硫電芯之間的石墨墊片的硅膠邊框也具備相同的作用。

2.1.4 模組高低壓電氣設計

高低壓連接部分位于一個與電芯分離的高強度塑料Lead-frame 上，加入骨架和縱梁結構設計來增強結構強度，按照大眾標準中對電氣間隙的要求來設計高壓連接和低壓連接。

2.2 鋰硫電池模組的機械仿真

鋰硫電池模組結構的可靠性直接影響模組的使用性能，在模組設計開發(fā)時運用合理的機械仿真和分析可以減少資金投入和測試時間，對提高電池模組的開發(fā)效率有著重要的作用[15,19]。為分析模組的結構強度，需運用大眾的模組結構強度標準要求進行仿真分析，主要評估模組在沖擊、擠壓和隨機振動這三個測試狀態(tài)下的表現(xiàn)，來驗證模組結構設計的合理性。通過分析模組各部件在不同測試標準下的最大應力值和材料最大許用應力對比，以及電芯和模組的形變是否超過最大允許形變?yōu)橐罁?jù)，對鋰硫電池模組的結構強度和安全性進行評估。

本文采用Hypermesh 和ABAQUS 軟件，完成建模并對鋰硫電池模組進行沖擊，擠壓和隨機振動的CAE 仿真分析，模組主要部件的材料及物理屬性如表1所示。

表1 鋰硫電池模組主要部件材料及屬性Table 1 Materials and properties of components of lithium-sulfur battery module

2.2.1 鋰硫電池模組的沖擊仿真

圖4 鋰硫電池模組的沖擊仿真結果Fig.4 Mechanical shock simulation results of lithium-sulfur battery module

基于電池模組沖擊測試標準進行電池模組的沖擊仿真，圖4為鋰硫電池模組的沖擊仿真結果，從仿真結果可以看出，鋰硫電池模組的設計可以有效地保持模組在30 g、60 g和90 g三個方向條件下的穩(wěn)定性。模組所有組件在沖擊條件下，均沒有超過材料的最大許用應力要求，最大應力位置出現(xiàn)在鎂合金回型框的加強梁上，其最大應力值為32.1 MPa，低于鎂合金材料的最大許用應力值。據(jù)此，可以得出，鋰硫電池模組設計能夠滿足沖擊要求。

2.2.2 鋰硫電池模組的擠壓仿真

基于電池模組擠壓測試標準進行電池模組的擠壓仿真，圖5為鋰硫電池模組的擠壓仿真結果，從仿真結果可以看出，在剛性擠壓到50 mm，即擠壓距離達到電池模組的30%時最大擠壓力為22.7 kN，模組和電芯的變形較大，對擠壓測試的判斷需要和實際測試結合后進行判定。

2.2.3 鋰硫電池模組的隨機振動仿真

基于模組隨機振動測試進行電池模組的隨機振動，圖6為鋰硫電池模組的隨機振動仿真結果，模組的結構部件的最大應力值均未超過材料的許用應力值，但端板和鎂合金框之間黏接強度可能略低于仿真要求(-0.71 MPa)，但其他部件均能滿足仿真要求。據(jù)此，由鋰硫電池模組的隨機振動仿真結果可以看出，這樣的結構設計基本能夠滿足應用要求。

圖5 鋰硫電池模組的擠壓仿真結果Fig.5 Crush simulation results of lithium-sulfur battery module

根據(jù)隨機振動的仿真結果，針對鋰硫電池模組的結構薄弱點進行優(yōu)化，如圖7所示，增加了鋰硫電池模組的端板和鎂合金回型框之間黏接面積，從而提高鋰硫電池模組的強度，經(jīng)過仿真后，鋰硫電池模組各部件均未出現(xiàn)超出材料許用應力的情況，能夠滿足電池模組的強度要求。

圖6 鋰硫電池模組的隨機振動仿真結果Fig.6 Random vibration simulation results of lithium-sulfur battery module

圖7 鋰硫電池模組的結構優(yōu)化設計Fig.7 Structure optimization design of lithium-sulfur battery module

2.3 鋰硫電池模組樣件試制

2.3.1 鋰硫電池電芯

鋰硫電池電芯采用軟包形式，尺寸為97 mm×120 mm×9 mm，單邊出極耳的結構，電芯容量為20 A·h，能量密度達到350 W·h/kg[圖8(a)]。鋰硫電芯采用固態(tài)和凝膠態(tài)復合電解質改善與負極鋰金屬和硫碳復合正極材料的界面[圖8(b)]。固態(tài)電解質可以在一定程度上抑制循環(huán)過程中鋰枝晶的生長，凝膠態(tài)電解質能夠與復合正極良好接觸，同時能夠抑制生成的多硫化物的穿梭效應[23-25]，這種復合的電解質可以有效地提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性，其循環(huán)次數(shù)可以提高到90 次以上[圖8(c)]。

圖8 (a)鋰硫電芯外觀尺寸圖；(b)鋰硫電池內(nèi)部結構示意圖及各組分；(c)鋰硫電池的循環(huán)曲線Fig.8 (a)images of lithium sulfur battery;(b)schematic diagram of internal structure and components of lithium-sulfur batteries;(c)cycle curves of lithium-sulfur batteries

參考國標GB/T 31485—2015，鋰硫電池單體通過了短路、針刺、過充、加熱等多項安全測試，表現(xiàn)出很好的應用安全性，測試內(nèi)容如表2所示。

表2 鋰硫電池單體安全測試Table 2 Safe tests of lithium-sulfur cell

2.3.2 鋰硫電池模組

基于鋰硫電池模組的需求和仿真結構優(yōu)化，制作了模組的各結構零部件，包括鎂合金回型框、利用3D 打印技術制作的ABS+PC 端板、匯流排(Busbar)、Lead-frame、柔性低壓線束(FPC)、導熱片和絕緣片，模組的總重為2.50 kg，其能量密度達到250 W·h/kg，實物照片如圖9所示。

圖9 鋰硫電池模組的試制樣品Fig.9 Production sample of lithium-sulfur battery module

2.4 鋰硫電池模組樣件試制

經(jīng)過上述對鋰硫電池模組虛擬樣件的結構仿真分析，下文將采用大眾標準中規(guī)定的電池模組強度測試要求，對試制的鋰硫電池模組進行強度測試，對仿真結果進行驗證。

2.4.1 鋰硫電池模組的沖擊測試

對模組的三個方向(x、y、z 方向)分別進行機械沖擊測試，分別采用50 g 和60 g 的半正弦沖擊波，并監(jiān)測模組的沖擊響應信號。從圖10(a)、(b)可以看出，鋰硫電池模組經(jīng)過沖擊測試之后結構保持完整，模組外側沒有開裂和脫落，模組功能完整，圖10(c)～(e)的沖擊半正弦波曲線顯示，三個方向上的模組的50 g 沖擊響應曲線均在合理范圍內(nèi)。測試結果表明，基于仿真優(yōu)化后的鋰硫電池模組通過了沖擊測試，模組結構設計能夠保證模組的整體性。

2.4.2 鋰硫電池模組的擠壓測試

鋰硫電池模組擠壓測試結果如圖11所示，模組經(jīng)過擠壓測試后，與擠壓圓柱接觸的模組端板出現(xiàn)一定的破壞，另一端的端板脫離回型框[圖11(b)]。從變形和壓力隨時間變化的曲線可以看出，由于電池模組端板發(fā)生了斷裂，擠壓力達到10 kN時，模組的變形量已經(jīng)達到50%[圖11(c)]。從擠壓測試結果可以得出，端板和回型框的強度較低，端板與鎂合金回型框的連接強度還需提高，但鋰硫電池電芯&模組回型框、高低壓電氣連接部分連接牢固，根據(jù)模組測試結果來看，模組未出現(xiàn)HL4狀況，滿足VW標準的擠壓測試要求。

圖10 (a)沖擊測試前模組照片；(b)沖擊測試后模組照片；(c)～(e)x、y、z三個方向50 g半正弦波曲線Fig.10 (a)images of modules before shock test;(b)images of modules after shock test;(c)～(e)50 g semi-sinusoidal wave curves in three directions x,y,z

圖11 (a)鋰硫電池模組擠壓測試之前；(b)鋰硫電池模組擠壓測試之后；(c)鋰硫電池模組擠壓測試的變形與應力曲線Fig.11 (a)lithium-sulfur battery module before crush test;(b)lithium-sulfur battery module after crush test;(c)deformation and stress of lithium-sulfur battery module crush test

2.4.3 鋰硫電池模組的隨機振動測試

圖12 (a)鋰硫電池模組隨機振動仿真的功率譜密度曲線；(b)鋰硫電池模組隨機振動測試仿真效果圖；(c)鋰硫電池模組隨機振動測試功率譜密度曲線和實際采集的曲線；(d)隨機振動測試后的鋰硫電池模組照片F(xiàn)ig.12 (a)power spectral density curve of random vibration simulation of lithium-sulfur cell module;(b)simulation diagram of random vibration test of lithium-sulfur cell module;(c)power spectral density curve of random vibration test of lithium-sulfur cell module and actual collected curve;(d)photos of lithium-sulfur cell module after random vibration test

首先對所制作的鋰硫電池模組進行隨機振動測試，如圖12 所示，采用仿真過程相同的功率譜密度曲線(參考VW 80000)，分別對鋰硫電池模組進行隨機振動臺架試驗。從圖12(c)中可以看出，實際測試采集的隨機振動曲線基本與所給功率譜密度曲線吻合，沒有明顯的尖峰，說明模組的整體性強，內(nèi)部部件穩(wěn)固，在圖12(d)中測試后的鋰硫電池模組沒有明顯的結構破壞，說明這樣的模組結構設計可以有效保持模組振動中的結構穩(wěn)定性。

3 結 論

通過整理鋰硫電池模組設計需求和機械仿真優(yōu)化完成了鋰硫電池模組的成組結構設計，采用一體式鎂合金回型框作為外殼，高強度PC+ABS端板設計成增加有加強骨架和凹凸形貌的結構以增強結構穩(wěn)定性，電芯間夾一層帶硅膠回型框的導熱石墨片來提高模組使用過程中的熱擴散效率，這種輕量化的結構設計不僅可以提高模組的比能量，在保持鋰硫電芯間壓力的同時，還能保持足夠的結構強度和良好的散熱性?；诖蟊婋姵啬＝M強度測試標準進行測試評估，結果表明，鋰硫電池模組的設計能夠滿足大眾電池模組強度標準要求。此外，結構上模組的結構強度需要進一步的加強和優(yōu)化以適應鋰硫電池的實際應用和滿足現(xiàn)實復雜工況的需要。隨著電池技術的持續(xù)進步，具有高能量密度的鋰硫電池及其模組將在儲能電站和電動車領域得到廣泛應用。