仿真分析在蓄電池組結構材料優化方面的應用

師振中

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

仿真分析在蓄電池組結構材料優化方面的應用

師振中

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

通過有限元仿真分析，采用基于模態疊加的計算方法對隨機振動環境下硬鋁合金與鑄鎂合金兩種材料構成的電池組結構件的安全裕度進行計算對比，并結合工程樣件的實物驗證實驗，證明仿真分析可以快速、低成本地解決電池組在需要減重的趨勢下優化結構材料的問題。

鋰離子電池組減重；材料優化；安全裕度；仿真分析

鋰離子蓄電池是一種在空間應用且獲得高比能量(120 kW/kg)的電池，單體電壓達3.6 V，是鎘鎳電池的3倍，用鋰離子電池代替鎘鎳電池，質量可減輕1/3～1/2。國際上往往用質量比功率作為衡量衛星水平高低的指標之一，比較高水平的衛星可達3～5 W/kg。電源分系統是衛星的質量大戶，大部分衛星的電源分系統的質量占整星總質量的20%～25%，先進的衛星系統可降到10%以下，這其中蓄電池的質量占到電源分系統質量的50%左右。千方百計提高電源分系統的比功率，有效地減輕分系統各部件的質量，尤其是蓄電池的質量，將對減輕衛星的質量、提高衛星的比功率做出貢獻[1]。

目前用于電池組結構件的材料主要是硬鋁合金，此材料具備高強度及耐溫性能良好的特點，但由其構成結構件的質量仍占到電池組質量的20%。為了進一步減輕電池組質量，某型號鋰離子電池組擬采用鑄鎂合金材料[2]，它有如下兩大優點：

(1)鑄鎂合金比硬鋁合金輕36%，鑄鎂合金的強度與質量之比高，具有一定的承載能力。鑄鎂合金比強度略低于鈦合金及合金結構鋼，但明顯高于硬鋁合金。

(2)鑄鎂合金的減震性明顯高于硬鋁合金，約為硬鋁合金的25倍，在衛星發射升空過程中，要達到7.9 km/s的速度，幾分鐘入軌道，加速度非常大，沖擊、震動較強烈，鑄鎂合金具有優良的吸收振動特性，比硬鋁合金更能減小振動對電池的影響。

本文采用ANSYS Workbench 13.0仿真分析及實驗驗證，比較鑄鎂合金與硬鋁合金兩種材料應用于電池組結構件后的力學性能，從而為電池組輕量化設計提供依據。

1 電池組結構及安全裕度計算

1.1 結構形式

某型號衛星用鋰離子電池組采用“7串”的構型。針對鋰離子單體電池的結構特點，7只串聯的鋰離子蓄電池單體裝入一個一體式的套筒結構中，采用UNIGRAPHIC NX 2.0軟件設計，如圖1所示。

圖1 電池組結構

1.2 安全裕度計算

結構強度是指結構抵抗破壞或塑性變形的能力(航天器上的結構一般是不允許塑性變形的)，以結構受載后產生的應力量值來度量，用符號σ來表示，它的單位是MPa。結構強度與結構構型、材料、壁厚和連接等因素有關。提高結構強度的措施主要有：

(1)選擇比強度(σb/ρ)大的材料(σb為抗拉強度，ρ為材料密度)；

(2)構型合理，設計中要避免有薄弱的環節，盡量避免應力集中的結構。

航天產品的結構設計中要選取安全系數f，即在各種給定的環境載荷得出的計算應力乘以一定的加倍因子 (安全系數)作為最終的應力水平，來進行安全裕度的計算。按照《衛星平臺設計與建造規范》，結構強度校核安全系數取1.5。安全裕度是表示結構部件強度的剩余系數。安全裕度MS計算如下[1]：

式中：[σ]為許用應力，脆性材料取強度極限σb，其它材料取彈性極限σ0.2，本文中硬鋁合金與鑄鎂合金均為非脆性材料，其彈性極限σ0.2分別為260.9和200 MPa；σmax為計算應力，是在各種載荷(各種動態、最大準靜態載荷)作用下計算得到結構上的最大應力值；如果結構件某處的安全裕度MS＜0，說明此處強度不夠，有可能破壞或產生較大變形。

1.3 有限元模型

本文中的仿真分析采用Ansys Workbench 14.5有限元軟件，單體電池采用質心位置與質量均與真實電池相同的模擬電池代替。采用實體單元對整個電池組模型進行網格劃分，有限元模型中節點總數為84 796，單元總數為41 757，如圖2所示。

圖2 電池組有限元模型

1.4 振動分析載荷條件

鋰離子電池組的鑒定級隨機振動實驗最為嚴酷，能有效地評價結構能否承受航天器發射過程中所經歷的力學環境考驗。因此本文對電池組采用有限元分析，并進行安全裕度的計算。其中隨機振動的輸入載荷按表1中的條件施加。方向定義：X、Y方向為水平方向，Z方向沿蓄電池軸向。

表1 隨機振動實驗條件

2 硬鋁合金算例

2.1 模態分析

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼和模態振型，模態分析是隨機振動分析的基礎。本文中電池組結構的隨機振動分析采用模態迭加法，對電池組進行前15階模態計算，如表2所示，并列出模態有效質量大于10%的各階振型，如圖3所示。

表2 電池組前15階頻率及有效質量比

圖3 硬鋁合金各階模態振型

2.2 安全裕度值計算

X方向強度校核結果：該結構的最大應力值為31.3 MPa,位置為模塊安裝耳處，選取安全系數f=1.5，則安全裕度為：MS=260/(31.3×1.5)－1=4.5。可見該結構在X方向上能滿足設計要求，如圖4(a)所示。

Y方向強度校核結果：該結構的最大應力值為31.6 MPa，位置為模塊安裝耳處，選取安全系數f=1.5，則安全裕度為：MS=260/(31.6×1.5)－1=4.4。可見該結構在Y方向上能滿足設計要求，如圖4(b)所示。

Z方向強度校核結果：該結構的最大應力值為7.99 MPa,位置為安裝耳處，選取安全系數f=1.5，則安全裕度為：MS= 260/(7.99×1.5)－1=20.6。可見該結構在Z方向上能滿足設計要求，如圖4(c)所示。

圖4 硬鋁合金各方向應力分布

3 鑄鎂合金算例

3.1 模態分析

針對采用鑄鎂合金結構件的電池組進行前15階模態計算，如表3所示。并列出模態有效質量大于10%的各階振型，如圖5所示。

表3 電池組的前15階頻率

圖5 鑄鎂合金各階模態振型

3.2 安全裕度值計算

X方向強度校核結果：該結構的最大應力值為28.01 MPa,位置為模塊安裝耳處，選取安全系數f=1.5，則安全裕度為：MS=200/(28.01×1.5)－1=4.7。可見該結構在X方向上能滿足要求，如圖6(a)所示。

Y方向強度校核結果：該結構的最大應力值為28.04 MPa，位置為模塊安裝耳處，選取安全系數f=1.5，則安全裕度為：MS=200/(28.04×1.5)－1=3.6。可見該結構在Y方向上能滿足要求，如圖6(b)所示。

Z方向強度校核結果：該結構的最大應力值為7.28 MPa,位置為安裝耳處，選取安全系數f=1.5，則安全裕度為：MS= 200/(7.28×1.5)－1=17.3。可見該結構在Z方向上能滿足要求，如圖6(c)所示。

圖6 鑄鎂合金各方向應力分布

4 實驗驗證

4.1 實驗條件

為評價鋰離子電池組模型的合理性及驗證仿真分析的正確性和可靠性，對采用硬鋁合金與鑄鎂合金的工程樣件分別進行了力學實驗驗證，即按照表1條件在電子振動臺上進行隨機振動考核，并在單體電池和套筒處分別粘貼加速度傳感器，用來評測采用兩種材料結構件的電池組模態變化。圖7左側為水平實驗工況，右側為垂直方向實驗工況。

圖7 工程樣件實驗

4.2 實驗結果分析

實驗后電池組結構無變形、無損傷。單體電池處振動響應測試結果如圖8所示，可見一階頻率由260.9 Hz變為202.9 Hz。套筒處振動響應測試結果如圖9所示，可見一階頻率由404.7 Hz變為377.8 Hz。兩處響應傳感器測試結果表明采用鑄鎂合金結構件的電池組的基頻比采用硬鋁合金結構件的電池組稍低，但仍遠遠大于整星建造規范提出的大于140 Hz的要求[3]，且驗證實驗結果與仿真分析計算的結果基本吻合，由于仿真分析中接觸方式均設置為綁定約束，導致電池組整體剛度偏大，因此造成計算與實驗的結果有少許誤差。

圖8 單體電池處響應圖譜

5 結論

針對采用硬鋁合金與鑄鎂合金兩種材料結構件的電池組，本文采用ANSYS Workbench 14.5有限元仿真軟件計算了兩種電池組在隨機振動環境下的應力應變，結果表明兩種電池組均能很好地滿足航天產品安全裕度的規范要求，并且通過了工程樣件的實驗驗證，證明采用鑄鎂合金的結構件在不影響強度的前提下可以大大減輕電池組的質量，實現電池組的輕量化設計。在衛星鋰離子電池組的設計過程中，采用有限元仿真軟件可以快速、低成本地獲取設計更改所帶來的影響，為結構件的材料實現優化提供有力的依據。

圖9 套筒處響應圖譜

[1]徐福祥.衛星工程[M].北京：中國宇航出版社，2002.

[2]趙程，楊建民.機械工程材料[M].北京：機械工業出版社，2007.

[3]柯受全.衛星環境工程和模擬試驗[M].北京：宇航出版社，1993.

Application of simulation analysis in structure and material optimization of lithium ion battery

SHI Zhen-zhong
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

Through the finite element simulation analysis,the safety margin of battery composition for aluminum alloy and magnesium alloy under random vibration environment was calculated and compared based on the model superposition method. Combined with physical verification test of prototype, the simulation result shows the optimization problem of the structure material in the trend of reducing battery mass can be fast solved in low cost.

lithium ion battery mass reducing;material optimization;margin of safety;simulation analysis

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1632-04

2015-01-20

師振中(1980—)，男，山西省人，碩士研究生，工程師，主要研究方向為鋰離子蓄電池組。