某電池包內(nèi)部布置對擠壓性能的影響與優(yōu)化改進

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環(huán)境污染問題的日益加劇，新能源汽車成為當(dāng)今汽車領(lǐng)域研究的熱點。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。國標(biāo)GB/T 31467.3-2015[1]電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第三部分：安全性要求與測試方法及其第1 號修改單中給出了電池系統(tǒng)安全性測試的具體方法。據(jù)反饋電池包擠壓測試經(jīng)常會出現(xiàn)箱體失穩(wěn)或嚴重變形導(dǎo)致的電池模組短路現(xiàn)象，從而引起電池包爆炸起火，是安全性測試中通過率較低的項目。而目前新能源汽車對電池包能量密度要求越來越高，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在必行。隨著現(xiàn)代計算機技術(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)在動力電池系統(tǒng)安全領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與實踐。如電池包在極限工況下的靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、振動沖擊分析、疲勞耐久分析、擠壓跌落碰撞分析等[2]。

本文針對某純電動汽車電池包進行有限元分析模型搭建，通過對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，然后找出存在風(fēng)險的原因進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。試驗結(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)計的前期，設(shè)計者由于沒有對相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進行性能摸底和對標(biāo)，或沒有考慮降低試驗成本等因素，而對電池包前期設(shè)計數(shù)據(jù)進行有限元分析介入，就可以發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計數(shù)據(jù)存在的風(fēng)險，并進行優(yōu)化改進。

利用前處理軟件HyperMesh 進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rigid 命令建立RgdBody 連接模擬。電池包模組鑄鋁隔板及其長螺栓采用Solid（實體）單元建模模擬，單元尺寸為4～5 mm。焊點采用直徑為6 mm 的Solid 單元進行模擬。電池模組采用實體單元模擬，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化處理，后續(xù)通過add mass 進行有限元配重，使模型質(zhì)量參數(shù)與實際質(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

按照國標(biāo)GB/T 31467.3-2015 的試驗方法（本文僅針對X向加載）對電池包進行約束加載如圖2 所示。擠壓板半徑75 mm 的半圓柱體，其長度為1 m，擠壓板只留下X向平動自由度未約束，其他5 個自由度全部約束，擠壓板沿著X向運動，運動速度為1.5 mm/ms，加載時間為33.34 ms。剛性擋板6 個自由度全部約束，不可發(fā)生任何的平動和轉(zhuǎn)動。用LS-DYNA 求解器進行求解計算，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)險并確定改進工藝

2.1 分析結(jié)果存在的風(fēng)險

根據(jù)國標(biāo)GB/T 31467.3-2015 擠壓試驗要求：當(dāng)擠壓力到達100 kN 時，蓄電池包或系統(tǒng)無自燃、爆炸等現(xiàn)象。為確保電池包安全，在電池包設(shè)計時，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，擠壓板擠壓作用力達到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，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)項見表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

2.2 確定改進方案

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，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，分別對高壓線束、集成電路控制器的布設(shè)進行合理調(diào)整，在擠壓縮方向上重疊的零件進行錯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。其次，通過電池箱結(jié)構(gòu)的局部優(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一步增加風(fēng)險。

3 電池包改進分析及驗證

3.1 仿真改進方案分析

3.1.1 高壓線束布置改進方案

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

圖4 高壓電源接口正負極接線柱布置改進方案（虛線為原狀態(tài)）

3.1.2 集成電路控制器布置改進方案

在電池包受加載擠壓板X向擠壓變形時，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。改進方案把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。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

在電池包擠壓試驗過程中，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，那電池包將承受進一步的擠壓直至擠壓板的擠壓力到達100 kN，而整個電池包被擠壓變形量也將無法得到有效的控制，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）的空間也將受到進一步的擠壓，增大失效、短路著火爆炸的風(fēng)險。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。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 增加加強板改進方案

3.2 優(yōu)化方案仿真結(jié)果

由圖7 可以看出，當(dāng)改進方案電池包被擠壓變形量為39.8 mm 時，擠壓板擠壓作用力達到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。改進方案的其他性能指標(biāo)項見表2。

圖7 擠壓板受電池包反作用力方案對比曲線

表2 電池包改進方案的的性能指標(biāo)項

3.3 試驗驗證

試制了改進方案的電池包樣件，按照國標(biāo)GB/T 31467.3-2015 擠壓試驗要求進行改進方案電池包試驗。如圖8，改進方案仿真結(jié)果與樣件試驗結(jié)果擠壓板擠壓力趨勢基本一致，當(dāng)擠壓板擠壓力達到100 kN 時，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對比曲線

圖9 仿真改進方案電池包擠壓變形

試驗結(jié)果：試驗過程中無著火爆炸等現(xiàn)象，符合法規(guī)要求。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致性較好，同時也驗證了改進方案的有效性。

圖10 試驗試制樣件電池包擠壓變形

4 結(jié)束語

通過對電池包的擠壓仿真分析，發(fā)現(xiàn)電池包設(shè)計前期內(nèi)部布置存在短路著火爆炸的風(fēng)險及強度不足等問題。然后進行原因分析，提出改進思路，對電池包進行布置與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低電池包擠壓試驗不合格的風(fēng)險，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)計提供了參考。

通過試制樣件試驗，改進方案電池包擠壓試驗結(jié)果符合國家標(biāo)準(zhǔn)無著火爆炸等現(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次數(shù)及成本，也縮短了電池包設(shè)計周期。