溢膠材料對某電池包側柱擠壓結果的影響分析

中圖分類號：U465 DOI：10.20042/j.cnki.1009-4903.2025.01.019

摘要：本文以某電池包為研究對象，旨在探究溢膠材料對其側柱擠壓結果的影響。通過建立有限元模型，模擬了不同工況下電池包受側柱擠壓的過程。對比分析了使用和不使用溢膠材料時電池包的變形、應力分布及內部結構損傷情況，并描繪了電池包側柱擠壓的力一位移曲線。同時，設計了與仿真模型相對應的實物驗證實驗。結果表明，該電池包側面無溢膠材料時，仿真曲線最大反力僅能達到58KN；而在電芯Y向兩側增加 20mm 溢膠時，仿真曲線最大反力超過 100kN， ，且反力曲線與試驗曲線相近。合理選用溢膠材料可有效改善電池包整體耐擠壓性能，降低擠壓過程中的結構失效風險，為提高電池包安全性提供重要依據。

Analysisof the Impactof OverflowGlue Materialsonthe SidePole Compression Resultsofa Battery Pack

Abstract：Thispapertakesacertainbaterypackastheresearchojectimingtoexploretheinfluenceofoverflowguematerialothe sidepoleextrusionresults.Byestabisingafiniteelementmodel，teprocessofthebaterypackbingextrudedythesidepoleuder diferentworkingonitiosassimulated.Tedeformationstressdistributioandintealtructuredmageoftebaterypackwith andwithouttheuseofoverflowgluematerialwerecomparedandanalyzed.Theforce-displacementcureofthebaterypacksidepole extrusionwadpictedandapyicalverifcatioexprientcespondingtotesimlationmodelasdesined.ltssow thatwhenthereisnooveflowguematerialonthesideofthebaterypack，temaximumreactionfoceofthsimulationcurvecannly reach 58kN When 20mm of overflow glue isadded toboth sides oftheYdirectionof thebatterycell，themaximum reaction forceof the simulation curve exceeds 100kN ，and thereaction force curve is similar to the test curve.Reasonable selection of overflow gluematerial canefectivelyimprovetheoverallxtrusionresistanceperformanceofthebaterypackreducetheriskofstructuralfaiureduringthe extrusion process，and provide an important basis for improving the safety of the battery pack.

Key words： Overflow glue material； Battry pack safety； Side pole compression；Structural simulation基金項目：江西省重點研發計劃項目“復雜場景下新能源汽車碰撞數字李生關鍵技術”（20232BBE50008）

0引言

隨著當今社會對能源需求的日益增長，電池作為高效儲能設備，其安全性和可靠性顯得尤為重要。在電動車、可再生能源儲存等領域，電池包的應用日益廣泛[1-2，其結構穩定性和抗擠壓能力成為研究熱點。電池包在使用過程中可能會遭受各種機械應力，其中側柱擠壓是一種常見且極具挑戰的工況。國家推薦性標準對電動汽車動力蓄電池包提出了嚴格的安全要求[3，該擠壓工況可能導致電池包結構變形、內部組件受損，甚至引發短路起火等嚴重后果。此外，中國新車評價規程CNCAP2024版將32km/h 側面柱撞納入電動汽車安全性評價范圍，進一步突顯了研究電池包側柱擠壓性能的重要性。

近年來，隨著材料科學的發展，溢膠材料因其獨特的粘彈性和出色的緩沖性能，被廣泛應用于電池包的結構加固。然而，目前的研究多聚焦于電芯或殼體的性能及優化設計，卻忽視了膠體在提升電池包整體抗擠壓能力中的作用。關于溢膠材料對電池包側柱擠壓結果影響的研究仍不充分。

袁光亮5等從截面力和侵入量2個指標出發，對電池包所能承受的擠壓力大小進行討論，并根據仿真結果對電池包安裝點的布置給出建議。閆鵬飛等對電池單體進行了擠壓試驗與仿真分析，對擠壓過程中的電池損傷程度演變機理進行了分析。朱紅霞等通過仿真模擬動力電池包在不同擠壓載荷下的側擠壓情況，為電池包側擠壓分析參數的設置提供了重要參考。馮富春8等通過水平放置擠壓板，模擬電池箱在擠壓過程中的形變及應力分布，并在次基礎上進行優化設計。蘭鳳崇等建立并驗證電池包的精細化模型，結合柱碰分析提出了一種適用于電動汽車電池包碰撞性能的分析方法。

鑒于此，本文通過實驗與模擬相結合的方法，深入探討溢膠材料對某電池包側柱擠壓結果的影響機制，旨在揭示溢膠材料在提升電池包抗擠壓能力方面的作用，為電池包的結構優化設計提供理論依據和實踐指導。

1仿真建模

1.1電池包本體建模

本研究所選用的電池包結構部件及材料性能如表1所示，主要包括蓋板、電池包框體、安裝支架、電芯模組和底護板等。其中，蓋板材質為塑料 + 玻璃纖維，材料牌號為PPE+GF30 ；電池包框體和安裝支架材質均為鋼材，材料牌號分別為DC56D +2 和HC340/590DP；電芯模組外表面被鋁殼包裹，內部為電芯本體，鋁殼材料為 AL-1060 ；底護板為雙層焊接鋼板，材質為HC340/590DP

采用功能強大的通用CAE前處理軟件ANSA進行電池包有限元模型的搭建。其中，電芯本體、結構膠和泡棉采用六面體實體單元建模，網格尺寸設定為 15mm ；其余部件均采用殼單元建模，殼單元基礎尺寸為 5mm ，最小單元尺寸控制在 3mm 。電池包螺栓連接采用NRBODY單元建模，焊縫連接采用BEAM單元，框體各結構件的焊點連接采用實體單元建模。最終構建的電池包有限元模型總單元數為731576個，總質量為167kg。

1.2電池包側柱擠壓系統建模

本文所述的電池包側柱擠壓系統包含電池包本體、電池包安裝底座、三圓柱擠壓柱和剛性墻，如圖2所示。其中，電池包本體建模如1.1節所述，其余部分均為剛性部件，在有限元仿真模型中可直接設定其特性為solid，材料為MAT100。電池包與剛性墻采用rigid建模，電池包與安裝底座參考實驗固定方式，也采用rigid建模。三圓柱擠壓柱沿著圖2所示擠壓方向，在模型中采用BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION方式施加載荷，載荷位移曲線如圖3所示。

三圓柱擠壓柱與電池包的相對位置如圖4所示。相對位置（a）指的是擠壓柱中心點距電池包框體最前端的距離，相對位置（b）指的是擠壓柱端面距電池包安裝底座在擠壓方向上的垂直距離。以上2個相對位置由電池包在整車的布置位置轉換而來，其定位原則是選擇電池包最薄弱的點進行擠壓。不同車型需要根據電池包設計方案進行調整。

2實驗設計

2.1實驗內容

參考GB/T31467.3-2015《電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統第3部分：安全性要求與測試方法》，對某電池包進行側面垂直擠壓實驗。為充分考察側面柱撞不同位置擠壓對電池包損傷的影響，將擠壓柱由一個半徑為 75mm 的半圓柱體擴充為3個間距為 30mm 、半徑為 75mm 的半圓柱體合件。擠壓柱選用不可變形的剛性材料，如45#鋼材。擠壓柱中心點距電池包框體最前端 581mm ，擠壓柱端面距電池包安裝底座363mm 。擠壓方向如圖2所示，擠壓速度為 1mm/s_c

2.2實驗要求

實驗前，檢查電池包的完整性，確保電池包處于滿電狀態。

加載方法：如圖2所示，在加載點位置，沿電池包Y方向，使用外廓尺寸為 600mm×600mm 或更小的3個間距為 30mm /半徑為 75mm 的半圓柱體垂直擠壓電池包加載點；加載速度為 1mm/s 。

實驗步驟及數據采集：在加載點位置進行擠壓，擠壓開始時記錄擠壓力－位移曲線和變形位移－時間曲線；當擠壓力達到 100kN 或擠壓量達到 100mm 時，停止擠壓；觀察 2h ，持續記錄電池包的電壓和溫度變化情況；若電池包在觀察期間未出現冒煙甚至起火現象，拍照記錄后繼續擠壓，并持續記錄電池包的電壓和溫度變化情況、擠壓力－位移曲線、變形位移-時間曲線，直至電池包冒煙，停止擠壓；在試驗環境溫度下觀察電池包 4h ，持續記錄電池包的電壓和溫度變化情況，等電池包穩定后，拆包記錄電芯侵入量，并拍攝試驗照片（如圖5所示）。

3結果與分析

3.1仿真分析對比

本文研究的電池包側柱擠壓系統有限元模型如1.2節所述。2種仿真分析模型的差異僅在于：Case2在Case1的基礎上，電芯最外側下端增加了 20mm 高度的溢膠材料，且溢膠材料覆蓋了電芯前后端全部范圍。

將Case1與Case2提交至LS-DYNA進行計算后，提取計算結果的三圓柱擠壓柱的力－位移曲線，如圖7所示。當電芯最外側無溢膠材料時，擠壓柱施加的載荷在位移 10mm 時已經達到峰值，其最大反力為 58kN ，位移 10～15mm ，載荷出現小范圍波動。繼續擠壓至 15mm 后，載荷陡降至 40kN， 。擠壓至 20mm 后，盡管反力有所上升，但未到達其峰值水平。當電芯最外側增加 20mm 高度的溢膠材料時，擠壓柱施加的載荷隨位移呈持續遞增趨勢。在位移接近 20mm 時，載荷達到GB/T31467.3-2015所規定的 100kN 繼續擠壓至 24.8mm 時，最大反力為 105kN ，符合國家推薦標準的設計要求。

溢膠材料不僅保持了結構的完整性，而且在受到撞擊后能夠有效地分散沖擊力，從而減少對電池包內部結構的損害。這種溢膠現象可以看作是一種能量吸收機制，能夠提高電池包的整體耐撞性。

3.2仿真與實驗對比

為驗證電池包側柱擠壓仿真模型的準確性，本文基于某三元鋰離子電池包，開展了有限元仿真與物理實驗的對比分析。實驗采用萬能試驗機對電池包側向施加準靜態擠壓載荷，擠壓柱為3個間距 30mm 、半徑為 75mm 的半圓柱體合件，加載速率為 1mm/s ，并實時采集擠壓力、位移及電池電壓/溫度數據。仿真模型通過前處理軟件ANSA構建，采用彈塑性材料模型定義殼體與內部結構（具體至每個部件的設置參照1.1節所述），并引入各向異性屬性模擬電池單體的力學響應，通過動態顯式求解器（LS-Dyna）實現加載過程的模擬。

對比結果表明，仿真與實驗的力－位移曲線呈現顯著一致性（圖9）。在擠壓初始階段（位移 0～7mm ，兩者的峰值載荷存在一定差異。實驗表現為殼體線性變形，而仿真則表現為載荷持續抖動。這可能是由于電池包整體結構復雜，各部件相互之間的連接關系模擬不準確等因素導致的。當位移達到 20mm 時，仿真預測的 100kN 載荷與實驗記錄的結果吻合。此時，實驗記錄的電池包殼體發生破裂，擠壓柱載荷一直維持在 100kN 左右，而仿真因未考慮焊接點的微觀失效，載荷最大值接近 110kN 此外，實驗在位移 22mm 時監測到電池模組電壓驟降 （ΔVgt;0.5V） 仿真通過短路判定準則（內隔膜破裂 + 極片接觸）成功復現了該臨界位移點，時間偏差控制在 0.3s 內。

采用CORA曲線相似度指數計算方法（如圖10所示），進一步分析表明，仿真模型對電池包整體剛度預測的相關系數 （R）達0.93。本研究結果證實，所建立的仿真模型可有效預測電池包側柱擠壓的力學特性與失效閾值，為后續碰撞安全優化提供了可靠的分析工具。

4總結

本文通過仿真模擬與實驗測試相結合的方法，深入探討了溢膠材料對某電池包側柱擠壓結果的影響。研究結果表明，溢膠材料能夠顯著提升電池包的耐擠壓性能。在側柱擠壓工況下，溢膠材料通過緩沖與吸能、增強結構連接強度以及保護內部組件等機制，有效減輕了電池包的結構損傷和潛在安全風險。因此，合理選用和應用溢膠材料是提高電池包安全性和可靠性的重要途徑。

（1）仿真與實驗的結果對比：結果顯示，兩者在電池包的變形趨勢、反力大小等方面具有較高的一致性。在某電池包側面填充了 20mm 高度的溢膠后，當擠壓反力達到 100kN 時，擠壓柱整體位移的仿真值與實驗值分別為 22.1mm 和 24.8mm 絕對誤差為 2.7mm ，相對誤差為 10.89% 。這一結果驗證了仿真模型的準確性和可靠性。

（2）無溢膠材料與有溢膠材料結果對比：無溢膠材料時，電池包在擠壓過程中，反力在位移 10mm 時達到峰值，其最大反力為 58kN. 。而有溢膠材料時，電池包的耐擠壓力顯著提升。當位移達到 22.1mm 時，反力達到 100kN ，顯示出溢膠材料對電池包耐擠壓性能的顯著增強作用。相比無溢膠材料的情況，增加20mm 高度的溢膠材料后，電池包的耐擠壓力提升約 72.4% 。

（3）采用CORA曲線相似度指數計算方法，明確了仿真模型對電池包整體剛度預測的相關系數計算規則。這一方法解決了電池包側柱擠壓仿真模型標定過程中的痛點，避免了傳統上依賴工程師反復調整相關參數并憑經驗判斷對標結果好壞的情況。通過統一的評價指標，為后續碰撞安全優化提供了可靠的分析工具。

參考文獻

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