鋰離子電池組耐大量級力學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化

郭小強，郝永輝，徐瑞芬，童書輝

（1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.海軍裝備部，北京 100841）

GUO Xiao-qiang1,HAO Yong-hui1,XU Rui-fen1,TONG Shu-hui2

鋰離子電池組耐大量級力學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化

郭小強1，郝永輝1，徐瑞芬1，童書輝2

（1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.海軍裝備部，北京 100841）

建立了鋰離子電池組的三維力學(xué)模型，對電池組進行了耐大量級力學(xué)條件仿真和實驗測試。結(jié)果表明，兩者應(yīng)力應(yīng)變變化趨勢基本一致，反映了所建模型和施加邊界條件的合理性。在此基礎(chǔ)上，提出了電池組力學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案并進行了仿真分析，優(yōu)化后電池組應(yīng)力場分布更加合理。

鋰離子蓄電池組；大量級力學(xué)條件；應(yīng)力應(yīng)變

世界各國把航天技術(shù)的發(fā)展作為衡量一個國家科技水平的重要指標(biāo)。電源是航天應(yīng)用中的核心部件之一，而鋰離子電池因具有電壓高、自放電小、比能量高、比功率大和循環(huán)性能好等優(yōu)點，在航天用電源領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。鋰離子電池在空間領(lǐng)域的應(yīng)用范圍越來越廣，除已在衛(wèi)星上大量應(yīng)用外，在一些特殊空間飛行器上也逐漸得到應(yīng)用。由于這類飛行器較衛(wèi)星應(yīng)用環(huán)境更為惡劣，并且需要結(jié)構(gòu)件輕量化等特點，必須對鋰離子電池的組合結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化，以最小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量設(shè)計滿足大量級力學(xué)環(huán)境的要求，避免由于振動沖擊等不利因素對電池組性能造成的影響，以此提高電池組的安全性和可靠性。

本文采用ANSYSWorkbench14.5有限元分析軟件[1]，建立結(jié)構(gòu)模型，并施加隨機振動條件進行求解，分析電池組各部分應(yīng)力應(yīng)變分布，在此基礎(chǔ)上對電池組結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化。

1 電池組結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真

1.1 電池組幾何模型

研究對象為某型號飛行器用鋰離子蓄電池組，整個電池組由7個單體電池串聯(lián)組成，單體電池在整個電池組上的排列方式為梯形雙層排列。單體電池的外形尺寸為Φ50mm× 222 mm，電池組的模塊結(jié)構(gòu)是整體加工而成，整體尺寸為250mm×225mm×110mm，整個電池組質(zhì)量為6.98 kg，如圖1所示。

圖1 鋰離子電池組幾何模型

組合結(jié)構(gòu)的材料屬性為鋁合金，典型的材料特性見表1。

表1 典型的材料特性

1.2 電池組有限元模型

電池組結(jié)構(gòu)形式為梯型整體式結(jié)構(gòu)，為方便電池組建模及分析組合結(jié)構(gòu)力學(xué)結(jié)果，將單體鋰電池簡化成質(zhì)心和質(zhì)量都相同的圓柱體，與組合結(jié)構(gòu)近似剛性連接為一體。組合結(jié)構(gòu)和簡化后的單體鋰電池均采用四面體單元，有限元模型共有57 081個節(jié)點，30 384個四面體單元。有限元模型如圖2所示。

圖2 鋰離子電池組有限元模型

2 仿真結(jié)果分析

2.1 模態(tài)分析

通過對鋰離子蓄電池組進行動力學(xué)模態(tài)分析，求出了電池組的低階固有頻率和對應(yīng)的主振型。分析發(fā)現(xiàn)，電池組的一階頻率在480 Hz左右，為避免電池組與所在的大系統(tǒng)發(fā)生共振現(xiàn)象，應(yīng)使外界激勵響應(yīng)的頻率避開電池組的固有頻率，對電池組組合結(jié)構(gòu)設(shè)計起到有益的參考[2]。

2.2 隨機振動分析

當(dāng)計算結(jié)果收斂時，仿真分析得到的電池組應(yīng)力分布和位移變形如圖3～圖6所示。

圖3 方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖4 方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

圖5 方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖

式中：[σ]為許用應(yīng)力，取260.9MPa；σmax為計算應(yīng)力，取向最大應(yīng)力181.59MPa；為安全系數(shù)，取1.35。

同時，如圖6所示，電池組上最大位移處位于電池組上部。選取最大位移點進行計算，得出最大位移變形處的功率譜峰值為41.52 g2/Hz，最大均方根加速度值為64.965 g，響應(yīng)曲線如圖7所示。從以上分析結(jié)果可以判斷，該結(jié)構(gòu)可以滿足力學(xué)條件要求。

圖7 最大位移處功率譜密度仿真曲線

3 電池組抗力學(xué)實驗驗證

3.1 測試條件

為評價鋰離子蓄電池組模型的合理性以及驗證仿真結(jié)果的正確和可靠性，對鋰離子蓄電池組進行了力學(xué)實驗驗證。實驗過程中電池組以0.5電流放電，監(jiān)測電池組電壓是否有異常現(xiàn)象，結(jié)果是否有損傷。另外，在電池組上按照仿真結(jié)果布置監(jiān)測點，以監(jiān)測功率譜實際放大情況。力學(xué)條件如表2所示。

表2 隨機振動實驗條件

3.2 測試結(jié)果分析

在正弦掃頻實驗過程中，電池組輸出在508Hz出現(xiàn)了峰值，與仿真模態(tài)分析中一階的計算誤差是5%，這說明仿真計算結(jié)果可信，所施加的邊界條件合理。隨機振動實驗過程中監(jiān)測的電壓穩(wěn)定，實驗結(jié)束后結(jié)構(gòu)無損傷，符合給定的力學(xué)要求。力學(xué)實驗實測結(jié)果見圖8～圖11。

另外，將結(jié)構(gòu)上的監(jiān)測點得到的響應(yīng)曲線和響應(yīng)的仿真結(jié)果進行對比分析，從圖7和圖12可看出，實測曲線和仿真曲線分布趨勢基本吻合。但仿真結(jié)果高于實測結(jié)果，這是因為仿真時所選取的點與實際測量時的監(jiān)測點不完全重合，有一定的誤差。

圖8 掃頻實驗實測結(jié)果

圖9 振動實驗方向?qū)崪y結(jié)果

圖10 振動實驗方向?qū)崪y結(jié)果

圖11 振動實驗方向?qū)崪y結(jié)果

圖12 實測點功率譜密度響應(yīng)曲線

4 電池組結(jié)構(gòu)改進和力學(xué)仿真

4.1 結(jié)構(gòu)改進方案

通過對原始模型的研究和分析可知，因電池組實驗過程中應(yīng)力傳導(dǎo)路徑的原因，造成強度校核剛剛滿足要求，最大位移處功率譜峰值偏大。改進方案為：將安裝孔處凸臺加厚，在安裝孔兩側(cè)添加加強筋，改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳導(dǎo)路徑，使應(yīng)力得到合理有效釋放，降低結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力，減小最大位移處功率譜峰值。同時考慮到結(jié)構(gòu)輕量化，將組合結(jié)構(gòu)承力小的部位作優(yōu)化處理，改進后的電池組模型如圖13所示，其質(zhì)量約為6.85 kg。

圖13 改進后的電池組模型

4.2 力學(xué)仿真

電池組改進后的仿真結(jié)果如圖14～圖16所示。由圖可見，電池組通過增厚凸臺和增加加強筋改變應(yīng)力場分布，優(yōu)化了應(yīng)力傳導(dǎo)路徑。向最大應(yīng)力變?yōu)?48.32MPa，最大位移變形為0.000 051 7 mm，相應(yīng)的最大位移處功率譜峰值為36.205 g2/Hz。與改進前的仿真結(jié)果對比可見，電池組的最大應(yīng)力、最大位移以及相應(yīng)的功率譜峰值都有減小，改進效果明顯，優(yōu)化合理。

圖14 改進后電池組方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖15 改進后電池組位移變形云圖

圖16 改進后最大位移處功率譜密度仿真曲線

5 結(jié)論

（1）本文利用ANSYSWorkbench14.5軟件對鋰離子蓄電池組按照力學(xué)條件進行了建模和仿真分析。計算出了電池組的最大應(yīng)力、最大位移變形以及最大位移處功率譜峰值。并和實驗值進行了比較，結(jié)果吻合良好，說明該模型能較好地反映電池組的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。

（2）為了提高電池組的可靠性，使應(yīng)力場分布更加均勻，同時達到結(jié)構(gòu)輕量化的目的，對電池組提出了優(yōu)化和改進方案。通過優(yōu)化和改進，電池組的最大應(yīng)力、最大位移以及相應(yīng)的功率譜峰值都有減小，質(zhì)量也有所減少，可見優(yōu)化設(shè)計合理，為后續(xù)大量級沖擊實驗提供了有力保障。

[1]浦廣益.ANSYSWorkbench12基礎(chǔ)教程與實例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

[2]楊宇軍.ANSYS動力學(xué)仿真技術(shù)在航天計算機機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用[M].北京：電子機械工程出版社，2003.

Structure design and optim ization of lithium-ion battery enduring high-levelmechanics

A three-dimension mechanical model was built for the lithium-ion battery pack.Both simulation and experimental test of lithium-ion battery pack enduring high-levelmechanical condition were conducted.The results show their consistency in stress and strain variation trend,meaning the rationality of the builtmodel and the given boundary condition.On this basis,an optim ization scheme for the mechanicalstructure of lithium-ion battery pack was proposed and simulated.The results indicate that stress field distribution of lithium-ion battery pack is more rationalafter optim ization.

lithium-ion battery pack;high-levelmechanical condition;stress and strain

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0822-04

GUO Xiao-qiang1,HAO Yong-hui1,XU Rui-fen1,TONG Shu-hui2

2013-12-20

郭小強(1982—)，男，吉林省人，碩士，工程師，主要研究方向為空間用鋰離子電池。