鋰離子動力電池包連接排緩沖設(shè)計

關(guān)鍵詞：動力電池包；連接排；緩沖部；熱應(yīng)力

0前言

鋰離子電池因其具有能量密度高、功率密度大和使用壽命長等優(yōu)點正逐步替代傳統(tǒng)電池，成為新能源行業(yè)中使用最廣泛的電池之一，無論是作為動力電池還是儲能電池，其應(yīng)用均非常廣泛。

受電池性能的影響，鋰離子電池必須采取大量連接排方式進(jìn)行連接。受環(huán)境溫度和電池自身充放電發(fā)熱的影響，連接排始終處于高低溫循環(huán)沖擊的狀態(tài)，導(dǎo)致其不斷伸縮。受空間成組效率的限制，在連接排與電池的連接結(jié)構(gòu)中電池緊密排列，連接排在工作中因熱脹冷縮而產(chǎn)生的應(yīng)力全部通過電池極耳消除，因此電池極耳的強度設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。

受功能要求的影響，電池內(nèi)部儲存有處于液流狀態(tài)的電解液，在電池內(nèi)部工作過程中電解液會因溫度升高而膨脹，而保證電解液在工作中不泄漏的前提是電池極耳與殼體之間的密封性。同時，電池極耳與殼體之間必須保持絕緣狀態(tài)，否則會造成短路。因此，需要在極耳與電池頂蓋板之間增加絕緣件，且極耳與上蓋板之間的間隙必須保持在合理的范圍之內(nèi)。受連接排工作時熱脹冷縮因素的影響，電池極耳必須通過由自身極耳與電池蓋板之間的彈性變形，即膠圈的彈性變形產(chǎn)生的彈性力來消除連接排的熱脹冷縮變形力。因此，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，連接排因熱脹冷縮而產(chǎn)生的對電池極耳的作用力越小越好。

1連接排受力分析

方殼電池模組中電池緊密排列，并按照預(yù)定的連接方式連接，連接排有以下2 種結(jié)構(gòu)：① 平板式結(jié)構(gòu)；② 在連接排上相鄰電池之間有一個緩沖部。

在平板式結(jié)構(gòu)中連接排因熱脹冷縮會產(chǎn)生熱應(yīng)力，引起連接排伸長和縮短，而連接排兩端通過焊接被固定在電池極耳上，這對連接排的伸縮具有約束作用，如圖1 所示（F 為電芯極耳連接排熱脹冷縮熱應(yīng)力形成的作用力的反作用力）。連接排X 方向存在平面和旋轉(zhuǎn)約束，其他方向沒有約束，因此會發(fā)生因熱應(yīng)力而引起的位移，該位移通過連接排本身的彈性變形被消除。

在平板式連接排的2 個電池連接點中間增加一個釋放應(yīng)力的緩沖部，如圖2 所示。通過改變緩沖部的弧度可以有效降低因連接排在熱脹冷縮過程中變形而產(chǎn)生的熱應(yīng)力；同時，在連接排受力過程中極耳對連接排的反作用力對連接排施力，連接排緩沖部以緩沖定點為支點發(fā)生彎曲變形。同等位移條件下彎曲力小于彈性變形力，因此增加緩沖部可有效降低極耳與連接排之間的作用力，降低極耳與連接排的焊接強度要求，在降低加工難度的同時提高了電池的使用壽命。

緩沖部形狀為圓環(huán)狀，壁厚遠(yuǎn)小于內(nèi)徑，溫度變化會引起緩沖部圓弧半徑發(fā)生變化，半徑變化量R_增為：

式中：D 為緩沖部變形量，單位mm；L 為連接排大平面與緩沖部交點到緩沖部最高點的距離（中性層），單位mm。

依據(jù)緩沖部和連接排大平面在工作中的變形情況，緩沖連接排因熱脹冷縮而產(chǎn)生的變形包含了2 個部分，即緩沖部和連接排大平面，2 個部分的變形均可通過緩沖部的彎曲變形來消除。

2數(shù)據(jù)分析

依據(jù)式（5）可得，連接排在發(fā)生熱脹冷縮時，其水平受力與緩沖部半徑、緩沖部圓心距連接排大平面中性層距離，以及連接排的厚度和寬度有關(guān)。連接排的厚度和寬度由所需的導(dǎo)電能力確定，其厚度與連接排受力為三次方幾何級數(shù)關(guān)系，因此連接排厚度的影響遠(yuǎn)大于其寬度，條件允許的情況下，在設(shè)計時應(yīng)盡量減小連接排的厚度，增大其寬度。

3數(shù)據(jù)驗證

某公司為滿足車型需要，采用了電池容量為125 A·h 的電池組，初始設(shè)計連接排寬度為30 mm、厚度為2 mm，設(shè)計連接排時緩沖圓弧中心設(shè)為與連接排大平面平齊（a=0），設(shè)計安全系數(shù)為2.0，焊接拉拔力需達(dá)到1 500 N 才能滿足性能要求，焊接難度較大。因此，連接排寬度改為40 mm，厚度改為1.5 mm，設(shè)計安全系數(shù)仍為2.0，此時焊接拉拔力達(dá)到1 000 N 即可滿足需求，在降低焊接難度的同時也提高了一次通過率。產(chǎn)品經(jīng)過了低溫到高溫（?30～50 ℃）的循環(huán)沖擊，以及路試和振動測試，結(jié)果表明箱體滿足使用要求。

4結(jié)論

（1） 帶緩沖部的連接排可以有效降低對連接排與極耳焊接的強度要求。

（2） 同等導(dǎo)電能力情況下，增加緩沖部圓弧寬度有利于降低連接排對電池極耳強度的要求。

（3） 在空間允許的條件下，增加緩沖部圓弧尺寸可以降低連接排對電池極耳強度的要求。

（4） 設(shè)計時在綜合考慮空間因素和實際需要的前提下，盡可能增加緩沖部圓弧與連接排平面之間的距離，以及采用較大的緩沖圓弧半徑可以有效降低焊接要求，同時提高電池組整體的使用壽命。