某電池包內(nèi)部布置對(duì)擠壓性能的影響與優(yōu)化改進(jìn)

彭和飄，賁立志，宋鈺青

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

隨著能源的緊缺和汽車排氣對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的日益加劇，新能源汽車成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。安全、環(huán)保、節(jié)能型已成為當(dāng)前汽車技術(shù)發(fā)展的方向。和其他交通工具一樣，電動(dòng)汽車必須綜合考慮各部件的安全性及使用壽命。電池箱作為電池系統(tǒng)的重要部件，是保證系統(tǒng)安全的重要屏障。國(guó)標(biāo)GB/T 31467.3-2015[1]電動(dòng)汽車用鋰離子動(dòng)力蓄電池包和系統(tǒng)第三部分：安全性要求與測(cè)試方法及其第1 號(hào)修改單中給出了電池系統(tǒng)安全性測(cè)試的具體方法。據(jù)反饋電池包擠壓測(cè)試經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)箱體失穩(wěn)或嚴(yán)重變形導(dǎo)致的電池模組短路現(xiàn)象，從而引起電池包爆炸起火，是安全性測(cè)試中通過(guò)率較低的項(xiàng)目。而目前新能源汽車對(duì)電池包能量密度要求越來(lái)越高，電池包內(nèi)部合理化布置，提高性能、空間利用率及電池包輕量化等勢(shì)在必行。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和算方法的快速發(fā)展，基于有限元理論的CAE 分析技術(shù)在動(dòng)力電池系統(tǒng)安全領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與實(shí)踐。如電池包在極限工況下的靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、振動(dòng)沖擊分析、疲勞耐久分析、擠壓跌落碰撞分析等[2]。

本文針對(duì)某純電動(dòng)汽車電池包進(jìn)行有限元分析模型搭建，通過(guò)對(duì)電池包模型的擠壓仿真分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、集成電路控制器件、高低壓線束布置等存在的相互擠壓引起線路短接系統(tǒng)著火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，然后找出存在風(fēng)險(xiǎn)的原因進(jìn)行元器件布置上的優(yōu)化，在盡可能不影響電池包擠壓力下，降低存在爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該優(yōu)化方案的可行性，可為同類電池系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)提供有益參考。

1 電池包擠壓分析

1.1 電池包擠壓分析建模

在電池包設(shè)計(jì)的前期，設(shè)計(jì)者由于沒(méi)有對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能摸底和對(duì)標(biāo)，或沒(méi)有考慮降低試驗(yàn)成本等因素，而對(duì)電池包前期設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有限元分析介入，就可以發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存在的風(fēng)險(xiǎn)，并進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

利用前處理軟件HyperMesh 進(jìn)行電池包有限元模型搭建。電池包的鈑金件用shell（殼）單元建模模擬，單元尺寸為5 ～7 mm，不同鈑金件間的螺栓、燒焊連接通過(guò)rigid 命令建立RgdBody 連接模擬。電池包模組鑄鋁隔板及其長(zhǎng)螺栓采用Solid（實(shí)體）單元建模模擬，單元尺寸為4～5 mm。焊點(diǎn)采用直徑為6 mm 的Solid 單元進(jìn)行模擬。電池模組采用實(shí)體單元模擬，電池包中薄壁塑料件也用shell（殼）單元模擬，而一些復(fù)雜的塑料件、卡扣、絕緣件等非金屬件均做簡(jiǎn)化處理，后續(xù)通過(guò)add mass 進(jìn)行有限元配重，使模型質(zhì)量參數(shù)與實(shí)際質(zhì)量參數(shù)基本一致。

電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示（電池包的上蓋未顯示）。電池包本體分為前后兩個(gè)部分，后部主要安裝用于安裝電池模組，前部主要為基礎(chǔ)電路控制器件、高壓線束、低壓線束（未建模，只建了低壓線束的接頭位置）及各種支架。

圖1 電池包結(jié)構(gòu)

1.2 電池包擠壓工況邊界條件加載

按照國(guó)標(biāo)GB/T 31467.3-2015 的試驗(yàn)方法（本文僅針對(duì)X向加載）對(duì)電池包進(jìn)行約束加載如圖2 所示。擠壓板半徑75 mm 的半圓柱體，其長(zhǎng)度為1 m，擠壓板只留下X向平動(dòng)自由度未約束，其他5 個(gè)自由度全部約束，擠壓板沿著X向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為1.5 mm/ms，加載時(shí)間為33.34 ms。剛性擋板6 個(gè)自由度全部約束，不可發(fā)生任何的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。用LS-DYNA 求解器進(jìn)行求解計(jì)算，輸出擠壓板與電池包的作用力、鈑金件應(yīng)變等。

圖2 電池包約束加載示意圖

2 分析結(jié)果存在的風(fēng)險(xiǎn)并確定改進(jìn)工藝

2.1 分析結(jié)果存在的風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 31467.3-2015 擠壓試驗(yàn)要求：當(dāng)擠壓力到達(dá)100 kN 時(shí)，蓄電池包或系統(tǒng)無(wú)自燃、爆炸等現(xiàn)象。為確保電池包安全，在電池包設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求其模組不能與周圍金屬件發(fā)生接觸，線束不發(fā)生短路，控制模塊間不發(fā)生相互擠壓造成短路，電池箱主要承力部件在承受規(guī)定壓力時(shí)不發(fā)生斷裂失效等現(xiàn)象。

由圖3 可以看出，當(dāng)電池包被擠壓變形量為43.9 mm 時(shí)，擠壓板擠壓作用力達(dá)到100 kN。為降低模組與周圍金屬件接觸、控制模塊間相互擠壓短路風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)該控制電池包被擠壓變形量小于或等于40 mm[3]。性能指標(biāo)項(xiàng)見(jiàn)表1。

圖3 擠壓板受電池包反作用力曲線

表1 電池包性能指標(biāo)項(xiàng)

2.2 確定改進(jìn)方案

首先，由于電池包內(nèi)部存在電極短接及集成電路控制器相互擠壓的風(fēng)險(xiǎn)，因此在盡可能不增加成本的原則下，充分利用電池包內(nèi)部空間，分別對(duì)高壓線束、集成電路控制器的布設(shè)進(jìn)行合理調(diào)整，在擠壓縮方向上重疊的零件進(jìn)行錯(cuò)位處理與降低易損件的空間跨距，增加可變形空間，降低存擠壓短路的風(fēng)險(xiǎn)。其次，通過(guò)電池箱結(jié)構(gòu)的局部?jī)?yōu)化，提高承載力，降低鈑金失效導(dǎo)致電池包擠壓變形而進(jìn)一步增加風(fēng)險(xiǎn)。

3 電池包改進(jìn)分析及驗(yàn)證

3.1 仿真改進(jìn)方案分析

3.1.1 高壓線束布置改進(jìn)方案

在電池包受加載擠壓板X向擠壓變形時(shí)，電源接口的負(fù)極受擠壓向后移動(dòng)無(wú)限靠近接線座的正極，且接線口處無(wú)絕緣材料保護(hù)，存在短接起火的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)方案把接線座向+Y移動(dòng)45 mm，如圖4，降低擠壓時(shí)正負(fù)極短接的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 高壓電源接口正負(fù)極接線柱布置改進(jìn)方案（虛線為原狀態(tài)）

3.1.2 集成電路控制器布置改進(jìn)方案

在電池包受加載擠壓板X向擠壓變形時(shí)，由于原始狀態(tài)BMS 主控模塊與橫向垂直面成一定夾角，降低了可壓縮空間，增加了BMS 主從控模塊間相互擠壓作用力，從而提高了存在短路起火的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)方案把BMS主控模塊與橫向垂直面平行且與電池箱內(nèi)壁保持一定距離空間，增加電池包內(nèi)部的可壓縮空間，如圖5，降低BMS 主從控模塊間相互擠壓作用力和存在短路起火的風(fēng)險(xiǎn)。且BMS 主控模塊支架減重約0.09 kg（約25%）。

圖5 BMS 主控模塊布置改進(jìn)方案（虛線為原狀態(tài)）

3.1.3 電池包局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在電池包擠壓試驗(yàn)過(guò)程中，電池箱始終起到主要承受擠壓板擠壓力的部件。如果其本身存在失效斷裂，那電池包將承受進(jìn)一步的擠壓直至擠壓板的擠壓力到達(dá)100 kN，而整個(gè)電池包被擠壓變形量也將無(wú)法得到有效的控制，其內(nèi)部模組、高低壓線束、集成電路控制器件（主要指BMS 主從控制模塊）的空間也將受到進(jìn)一步的擠壓，增大失效、短路著火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。所以，為了增加電池箱前部抗擠壓能力，降低其失效斷裂風(fēng)險(xiǎn)。如圖6，在電池箱兩側(cè)增加一塊方形（尺寸約為：40 mm×160 mm）的1.5 mm 厚金屬板材（約增重0.15 kg）。

圖6 增加加強(qiáng)板改進(jìn)方案

3.2 優(yōu)化方案仿真結(jié)果

由圖7 可以看出，當(dāng)改進(jìn)方案電池包被擠壓變形量為39.8 mm 時(shí)，擠壓板擠壓作用力達(dá)到100 kN，較原狀態(tài)電池包被擠壓變形量（43.9 mm）降低了4.1 mm，減小了電池包內(nèi)部存在相互接觸擠壓造成著火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。改進(jìn)方案的其他性能指標(biāo)項(xiàng)見(jiàn)表2。

圖7 擠壓板受電池包反作用力方案對(duì)比曲線

表2 電池包改進(jìn)方案的的性能指標(biāo)項(xiàng)

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試制了改進(jìn)方案的電池包樣件，按照國(guó)標(biāo)GB/T 31467.3-2015 擠壓試驗(yàn)要求進(jìn)行改進(jìn)方案電池包試驗(yàn)。如圖8，改進(jìn)方案仿真結(jié)果與樣件試驗(yàn)結(jié)果擠壓板擠壓力趨勢(shì)基本一致，當(dāng)擠壓板擠壓力達(dá)到100 kN 時(shí)，電池包的變形量為40.5 mm，與仿真值差別較小。如圖9、10，仿真與試驗(yàn)電池包變形形式也基本一致。

圖8 擠壓板受電池包反作用力試驗(yàn)對(duì)比曲線

圖9 仿真改進(jìn)方案電池包擠壓變形

試驗(yàn)結(jié)果：試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)著火爆炸等現(xiàn)象，符合法規(guī)要求。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，同時(shí)也驗(yàn)證了改進(jìn)方案的有效性。

圖10 試驗(yàn)試制樣件電池包擠壓變形

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電池包的擠壓仿真分析，發(fā)現(xiàn)電池包設(shè)計(jì)前期內(nèi)部布置存在短路著火爆炸的風(fēng)險(xiǎn)及強(qiáng)度不足等問(wèn)題。然后進(jìn)行原因分析，提出改進(jìn)思路，對(duì)電池包進(jìn)行布置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低電池包擠壓試驗(yàn)不合格的風(fēng)險(xiǎn)，為電池包內(nèi)部集成電路控制器件、高低壓線束等布置安全設(shè)計(jì)提供了參考。

通過(guò)試制樣件試驗(yàn)，改進(jìn)方案電池包擠壓試驗(yàn)結(jié)果符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)無(wú)著火爆炸等現(xiàn)象的要求。這證明了有限元CAE 模型仿真分析的有效性，減少了電池包的試驗(yàn)次數(shù)及成本，也縮短了電池包設(shè)計(jì)周期。