磷酸鐵鋰軟包電池模組碰撞擠壓安全性實(shí)驗(yàn)

魯恒飛，朱世淋，田曉薇，何 帆

(合肥國(guó)軒高科動(dòng)力能源有限公司，安徽合肥 230066)

電池模組作為電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)的能量輸出最小單元，其安全性對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的安全性起到至關(guān)重要的作用，最近搭載比亞迪刀片電池系統(tǒng)的電動(dòng)車(chē)在正面碰撞后出現(xiàn)了起火的情況也進(jìn)一步證實(shí)了對(duì)電池模組正向碰撞(正向擠壓)進(jìn)行安全性研究的必要性和緊迫性。

為了保證電動(dòng)汽車(chē)在發(fā)生碰撞等意外情形下的安全性，相關(guān)國(guó)標(biāo)和企標(biāo)等均對(duì)電池模組抗擠壓性能提出了要求。國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)電芯和模組的擠壓失效機(jī)理、形式、實(shí)驗(yàn)設(shè)置等均進(jìn)行了相關(guān)研究。WANG 等[1]采用漸進(jìn)式壓痕實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了鋰離子電池的機(jī)械變形過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電池短路與電芯厚度變化相關(guān)；康華平等[2]對(duì)鋰離子電池模組設(shè)計(jì)了一系列碰撞擠壓實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)電池模組在碰撞工況下的力學(xué)特效及安全性具有方向性；胡海濤等[3]研究了不同碰撞工況對(duì)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的損傷影響，提出了一種有利于輕量化的電池防護(hù)設(shè)計(jì)方法。

某汽車(chē)集團(tuán)也對(duì)其搭載在其電池系統(tǒng)中的電池模組提出了擠壓安全性的要求。其中最為嚴(yán)苛的長(zhǎng)度方向擠壓要求是“擠壓頭沿著電池模組長(zhǎng)度擠壓模組端板，滿(mǎn)足120 kN擠壓力或15%形變情況下電池模組不起火不爆炸”。該擠壓要求主要是模擬電動(dòng)汽車(chē)發(fā)生碰撞時(shí)內(nèi)部電池模組受到正向擠壓的情況。

對(duì)于軟包電池模組來(lái)說(shuō)，模組長(zhǎng)度方向是電芯極耳伸出的方向，極耳部位受到擠壓后易引發(fā)電池模組外部短路及電芯內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致電池或整個(gè)模組起火失效。

國(guó)軒高科軟包模組項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)針對(duì)磷酸鐵鋰軟包電池模組抗擠壓性能，提出改進(jìn)電池模組結(jié)構(gòu)件材料強(qiáng)度等級(jí)、優(yōu)化端板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法，并對(duì)采用上述改進(jìn)方法的電池模組進(jìn)行抗擠壓性實(shí)驗(yàn)。

1 研究對(duì)象

由于整車(chē)對(duì)電池系統(tǒng)提出了輕量化要求，磷酸鐵鋰軟包電池模組也需滿(mǎn)足總體輕量化要求。磷酸鐵鋰軟包電芯安全性較好，能量密度相對(duì)較低。客戶(hù)對(duì)于磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的能量密度要求并不比三元電池系統(tǒng)的要求低多少，因此磷酸鐵鋰電池模組的輕量化設(shè)計(jì)更為重要。

圖1 是一款磷酸鐵鋰軟包電池模組外形示意圖，模組由國(guó)軒高科軟包模組團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。

圖1 一款軟包電池模組外形示意圖[4]

該模組結(jié)構(gòu)件主要部件包括模組上蓋板、模組下蓋板、前端板和后端板。模組上、下蓋板及前、后端板采用激光焊接[4]。

模組還有前后絕緣罩、上保護(hù)板(有采集模組電壓和溫度的電路)，它們一起與電芯構(gòu)成電芯總成。圖2 是一款典型的軟包電池模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)分解示意圖[5]。

圖2 軟包電池模組分解示意圖[5]

由于輕量化的要求，該軟包電池模組的上、下蓋板及前、后端板相比于同尺寸的三元軟包電池模組均作了較大的減重設(shè)計(jì)，相比于同尺寸規(guī)格的三元軟包電池模組，上下蓋板結(jié)構(gòu)件質(zhì)量減少30%～40%。前后端板質(zhì)量減少40%～50%。結(jié)構(gòu)件減重后，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)降低，會(huì)影響電池模組抗碰撞擠壓的性能。

2 實(shí)驗(yàn)

圖3 是電池模組進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)的示意圖。實(shí)驗(yàn)用模組擠壓方向的長(zhǎng)度590 mm。

圖3 電池模組正向擠壓實(shí)驗(yàn)示意圖

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，電池模組置于水平臺(tái)上，且另一端抵住鋼板墻壁，由直徑150 mm 的擠壓頭沿著模組長(zhǎng)度方向朝著模組前端板進(jìn)行擠壓(模擬電池模組的正向擠壓碰撞)，實(shí)驗(yàn)通過(guò)的判定條件是擠壓過(guò)程中擠壓力達(dá)到120 kN 或電池模組形變達(dá)到15%的情況下電池模組不起火不爆炸，執(zhí)行的參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是PV 8550《EN 模組測(cè)試》。

3 分析及優(yōu)化

通過(guò)CAD 機(jī)械性能仿真軟件對(duì)該軟包電池模組數(shù)模進(jìn)行材料性能設(shè)定、網(wǎng)格建立、施加載荷來(lái)模擬正向擠壓條件，運(yùn)行模擬擠壓過(guò)程，計(jì)算出電池模組特別是端板的應(yīng)力、應(yīng)變曲線[6]。

擠壓過(guò)程中形變接近10%～15%的，屬于非線性變形。現(xiàn)有CAE 仿真分析軟件在非線性大形變仿真時(shí)存在仿真計(jì)算精度不滿(mǎn)足要求的情況。

為了規(guī)避此問(wèn)題，首先構(gòu)建包含模組上、下蓋板和前、后端板(內(nèi)部無(wú)電芯等部件)的電池模組外框，利用CAE 仿真軟件對(duì)其進(jìn)行正向擠壓效果分析。同時(shí)對(duì)焊接好電池模組外框進(jìn)行正向擠壓實(shí)驗(yàn)。把仿真分析結(jié)果和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值標(biāo)定，從而獲得較高仿真分析精度。

根據(jù)輕量化要求，選擇比強(qiáng)度相對(duì)較高的鋁合金作為模組上、下蓋板和端板的材質(zhì)。材料拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和斷裂延伸率等數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 模組上下蓋板、端板力學(xué)性能

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 第一次實(shí)驗(yàn)

4.1.1 實(shí)驗(yàn)

滿(mǎn)足輕量化設(shè)計(jì)要求的磷酸鐵鋰電池模組在第一次正向擠壓實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，擠壓力達(dá)到120 kN，擠壓模組形變超過(guò)70 mm，擠壓頭撤出電池模組過(guò)程中，電池模組起火失效。圖4 是第一次實(shí)驗(yàn)擠壓力與形變曲線。

圖4 第一次正向擠壓實(shí)驗(yàn)擠壓力與形變曲線

4.1.2 分析

實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，模組端板和上、下蓋板均未斷裂，第一次擠壓力峰值49 kN。前端板強(qiáng)度不足，需對(duì)前端板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與加強(qiáng)。

4.1.3 前端板設(shè)計(jì)優(yōu)化

第一次實(shí)驗(yàn)雖未通過(guò)，但距離成功僅一步之遙。對(duì)前端板加強(qiáng)后，應(yīng)能使擠壓形變減小。前端板整體加強(qiáng)措施有：前端板主體厚度由5 mm 加厚到8 mm，取消四個(gè)排氣孔，兩個(gè)引出端增大過(guò)渡圓角，結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。圖5 是加厚之后前端板。

圖5 加厚的前端板結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 第二次實(shí)驗(yàn)

4.2.1 實(shí)驗(yàn)

端板加厚磷酸鐵鋰電池模組第二次正向擠壓實(shí)驗(yàn)擠壓力和形變曲線見(jiàn)圖6。

圖6 第二次正向擠壓實(shí)驗(yàn)擠壓力和形變曲線

第二次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擠壓力達(dá)到120 kN 時(shí)，電池模組變形量55 mm。撤出擠壓頭，靜置1 h 未發(fā)生起火等現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)通過(guò)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，電池模組變形55 mm，與第一次實(shí)驗(yàn)發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)變形(70 mm)相比，有15 mm 形變余量，據(jù)此可對(duì)加厚端板作出適當(dāng)減薄和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4.2.2 對(duì)加厚端板優(yōu)化

對(duì)在正向擠壓時(shí)前端板內(nèi)部應(yīng)力水平相對(duì)低區(qū)域(端板內(nèi)部?jī)蓚?cè))做減薄處理(減薄5 mm)；主體厚度、增大的過(guò)渡圓角等均維持不變，如圖7 所示。

圖7 加厚前端板結(jié)構(gòu)減薄位置示意圖

4.3 第三次實(shí)驗(yàn)

4.3.1 實(shí)驗(yàn)

第一步，加厚端板優(yōu)化后與模組上下蓋板焊接成空框，進(jìn)行擠壓測(cè)試。將測(cè)試結(jié)果與加厚端板空框擠壓測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比對(duì)。

第二步，用優(yōu)化的加厚端板組裝磷酸鐵鋰軟包電池模組，再按照正向擠壓實(shí)驗(yàn)條件按做擠壓實(shí)驗(yàn)。

4.3.2 結(jié)果

第3 次擠壓實(shí)驗(yàn)擠壓力與形變曲線見(jiàn)圖8。

圖8 第三次正向擠壓實(shí)驗(yàn)擠壓力和形變曲線

從圖中可以看到，120 kN 擠壓力下，電池模組變形量約為62 mm。前端板進(jìn)行優(yōu)化減薄，質(zhì)量輕了140 g。

三次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 三次正向擠壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)軒高科開(kāi)發(fā)的一款磷酸鐵鋰軟包電池模組，按照某汽車(chē)集團(tuán)客戶(hù)測(cè)試手冊(cè)要求，進(jìn)行各項(xiàng)安全實(shí)驗(yàn)。在第一次正向擠壓實(shí)驗(yàn)中，發(fā)生了滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)截止條件后電池模組起火失效的情況，參照實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)行有限元分析及空框?qū)嵨飻D壓，提出電池模組前端板加厚的技術(shù)措施，第二次正向擠壓實(shí)驗(yàn)通過(guò)，具備較大安全邊界余量。

為實(shí)現(xiàn)電池模組輕量化，對(duì)加厚端板深度優(yōu)化，對(duì)擠壓時(shí)應(yīng)力變化較小區(qū)域(端板內(nèi)部?jī)蓚?cè))做減薄處理，并將深度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)做有限元仿真分析和空框?qū)嶓w擠壓實(shí)驗(yàn)，確定最終的前端版優(yōu)化方案，第三次擠壓實(shí)驗(yàn)順利通過(guò)。

對(duì)磷酸鐵鋰軟包電池模組碰撞擠壓安全性實(shí)驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，可用于磷酸鐵鋰軟包電池模組批量化生產(chǎn)。