基于機(jī)械仿真和測(cè)試的高比能量鋰硫電池模組開(kāi)發(fā)

謝 彬，孫嘉楠

（上汽大眾汽車(chē)有限公司，上海201800）

近幾年便攜電子設(shè)備以及電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，增加了對(duì)于高能量密度可循環(huán)電池的需求?；谛履茉葱袠I(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，要求動(dòng)力電池有更高的能量密度以提升續(xù)航性能，更低廉的成本來(lái)降低價(jià)格，以及更穩(wěn)定的體系來(lái)提高安全性能[8]。目前新能源動(dòng)力電池行業(yè)中，電池正極材料有三元材料、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鈷酸鋰等多種選擇，乘用車(chē)所采用的電池材料以三元材料和磷酸鐵鋰為主。三元材料的能量密度最高，但是安全性較差且成本高(三元材料約15萬(wàn)元/噸)，高鎳三元電池還存在熱失控的風(fēng)險(xiǎn)。磷酸鐵鋰的安全性較好且成本較三元材料低(磷酸鐵鋰約6萬(wàn)元/噸)，但受制于其能量密度較低，提升能量難度較大[11]。在眾多的電池電化學(xué)體系中，鋰硫電池在能量密度和成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)[10,12]。鋰硫電池是以單質(zhì)硫?yàn)檎龢O，鋰金屬單質(zhì)為負(fù)極，硫的市場(chǎng)價(jià)格為0.26～0.28萬(wàn)元/噸，成本低廉，其理論能量密度高(2567 W·h/kg)[13-14]，硫元素與過(guò)渡金屬元素的正極材料相比，儲(chǔ)量豐富、安全可靠、環(huán)境友好，具有很好的應(yīng)用前景[15-17]。鋰硫電池在實(shí)際應(yīng)用中，其正極材料為硫與碳的復(fù)合材料，用以提升單質(zhì)硫的電導(dǎo)率，其能量密度達(dá)到350 W·h/kg，仍遠(yuǎn)高于目前所采用的三元材料，未來(lái)鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性提高后，將能滿(mǎn)足大量實(shí)際應(yīng)用需求[4-6]。

動(dòng)力電池模組是新能源汽車(chē)電池系統(tǒng)的核心組成部分，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的性能[7]。如圖1所示，動(dòng)力電池模組是一個(gè)由電芯、隔熱件、絕緣件、機(jī)械結(jié)構(gòu)件、高低壓連接件及接插件、熱管理組件等組成的復(fù)雜系統(tǒng)[6]。截至目前，以鋰硫電芯集成為動(dòng)力電池模組的報(bào)道和研究較少。鋰硫電池具有高能量密度和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，集成的模組比傳統(tǒng)的鋰離子電池模組的質(zhì)量比能量更高、重量更輕[2]。另外，電芯的電化學(xué)體系不同于傳統(tǒng)的鋰離子電池，電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程與傳統(tǒng)的搖椅式鋰離子電池不同，屬于轉(zhuǎn)換反應(yīng)，鋰硫電池的力學(xué)性能、熱性能以及電化學(xué)性能均與現(xiàn)有的鋰離子電池存在較大的差異[3]。因此，鋰硫電池模組中的各組件都要與鋰硫電池電芯的特性相匹配，這需要重新設(shè)計(jì)模組結(jié)構(gòu)并配合相關(guān)的仿真技術(shù)以達(dá)到應(yīng)用的各項(xiàng)工況要求[22]。根據(jù)汽車(chē)開(kāi)發(fā)V 字模式，定義模組的需求邊界，并采用合理的仿真模型對(duì)高比能量鋰硫電池模組進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后結(jié)合機(jī)械安全性能測(cè)試結(jié)果的對(duì)比分析，完成了鋰硫電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其比能量密度達(dá)250 W·h/kg，且能通過(guò)振動(dòng)和沖擊測(cè)試，具有良好的安全性能，為未來(lái)鋰硫電池作為動(dòng)力電池的實(shí)際應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

圖1 電池模組的結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.1 Structural Explosion Diagram of Battery Module

1 鋰硫電池模組的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要求

1.1 鋰硫電池模組的開(kāi)發(fā)V模式

在汽車(chē)行業(yè)，V模式開(kāi)發(fā)已經(jīng)是一種公認(rèn)的高效模式，模組作為電汽車(chē)動(dòng)力電池系統(tǒng)的關(guān)鍵零部件，其開(kāi)發(fā)也遵循這個(gè)過(guò)程，如圖2所示。為了滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)的應(yīng)用要求，需要從整車(chē)的各項(xiàng)需求，比如性能、安全、質(zhì)量、成本、制造、使用條件等諸多方面考慮模組的相關(guān)要求，然后從需求出發(fā)，對(duì)電池模組進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)[4-5]。模組的整體需求進(jìn)而分解為模組的各零部件的性能和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)模組的各零部件進(jìn)行試制，接著是樣件的仿真與測(cè)試，從仿真和測(cè)試的結(jié)果對(duì)模組系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)再進(jìn)行修正[2]。然后從樣件集成后的模組系統(tǒng)的仿真與測(cè)試結(jié)果反饋到系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)。最后，在保證模組系統(tǒng)的可靠性之后再集成到整車(chē)中，完成整車(chē)電池包系統(tǒng)的集成工作。

1.2 鋰硫電池電芯的選型和特征

1.2.1 鋰硫電池種類(lèi)選型

鋰硫電池在充放電過(guò)程中，金屬鋰負(fù)極在垂直于負(fù)極表面的方向上體積變化較大，此外正極的單質(zhì)硫轉(zhuǎn)化成固體硫化鋰之后，也會(huì)發(fā)生一定的體積膨脹[8]。雖然方形硬殼有較硬的金屬外殼，但是外殼形狀已經(jīng)固定，難以適應(yīng)金屬鋰負(fù)極的體積變化，也不能承受過(guò)大的應(yīng)力，而軟包裝電池可以隨金屬鋰充放電而變厚變薄，因此本文鋰硫電池電芯選擇軟包裝設(shè)計(jì)。

1.2.2 鋰硫電池?zé)崽匦?/p>

鋰硫電池的單質(zhì)硫正極是電子和離子的絕緣體，其電子電導(dǎo)率只有4×10-30S/cm，需要導(dǎo)電性物質(zhì)復(fù)合形成復(fù)合材料[9]，導(dǎo)致鋰硫電池內(nèi)阻相對(duì)較大，產(chǎn)熱量較高，因此在鋰硫電池模組的電芯與電芯之間加入導(dǎo)熱石墨片，提高使用過(guò)程中的熱擴(kuò)散效率，增加電芯的散熱能力。

1.2.3 鋰硫電池循環(huán)特性

鋰硫電池的鋰金屬負(fù)極會(huì)隨著循環(huán)過(guò)程發(fā)生膨脹和粉化，而硫正極材料涂覆的黏接強(qiáng)度較低，均需要額外的壓力來(lái)控制膨脹并保持各界面的緊密接觸，因此壓力對(duì)于鋰硫電池的循環(huán)壽命有較大影響[9]，并且其影響會(huì)在模組中進(jìn)一步得到放大，因此對(duì)鋰硫電池及其電池組提供持續(xù)壓力，并能夠適應(yīng)電池體積變化裝置，可以解決金屬鋰負(fù)極壽命快速衰減的問(wèn)題，從而提高鋰硫電池模組的循環(huán)壽命。

1.3 鋰硫電池模組的需求定義

模組作為動(dòng)力電池系統(tǒng)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)需求主要有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、低壓電氣設(shè)計(jì)、高壓電氣設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)等。在前期研發(fā)的設(shè)計(jì)中，鋰硫電池模組的設(shè)計(jì)主要兼顧以下4 個(gè)需求：為電池系統(tǒng)提供足夠能量；為電芯提供強(qiáng)度和預(yù)緊力；為電芯提供相匹配的熱設(shè)計(jì)；為高低壓連接、信號(hào)采集和電氣安全提供支持和保障。

在能量需求方面，目前電動(dòng)車(chē)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是續(xù)航里程不足，不能滿(mǎn)足用戶(hù)長(zhǎng)距離(≥500 km)的行駛需要，要達(dá)到500 km 以上的續(xù)航里程，電池系統(tǒng)的能量密度要求達(dá)到200 W·h/kg 以上，而電池電芯的能量密度要達(dá)到300 W·h/kg以上[20]；在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和預(yù)緊力要求方面，電池模組除了必須滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度中的擠壓、震動(dòng)、沖擊等要求之外，還需要兼顧電芯間預(yù)緊力的保持，用以提升鋰硫電池的循環(huán)性能。在熱設(shè)計(jì)方面，需要提高電芯在使用過(guò)程中的熱擴(kuò)散效率，增加電芯的散熱能力，限制模組內(nèi)的溫差；在高低壓連接、信號(hào)采集和電氣安全方面，高低壓連接功能完整，考慮電氣安全以及信號(hào)采集線路功能完整。

圖2 電池模組的結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.2 Structural explosion diagram of battery module

2 鋰硫電池模組的設(shè)計(jì)與仿真

根據(jù)設(shè)計(jì)的高比容量的鋰硫電池的軟包電芯的尺寸為97 mm×120 mm×9 mm，能量密度約為350 W·h/kg。為了適應(yīng)電池包的應(yīng)用和電芯的尺寸，并考慮到附加組件的空間，電池模組的尺寸設(shè)定為198 mm×138 mm×134 mm，在模組中鋰硫電芯采用2并8串的組合方式成組，額定輸出電壓為16.8 V，總能量為571 W·h，模組設(shè)計(jì)能量密度為250 W·h/kg。

2.1 鋰硫電池模組的設(shè)計(jì)

基于鋰硫電池軟包質(zhì)量輕的特點(diǎn)，為了提高成組后模組的能量密度，同時(shí)保持足夠高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，模組結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鋰硫電池模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Lithium-sulfur battery module structural design

2.1.1 模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋰硫電芯為軟包電池，因此模組強(qiáng)度需要靠其他模組部件來(lái)提供，采用帶加強(qiáng)梁的一體式鎂合金回型框，在保證模組強(qiáng)度的同時(shí)也能減重，端板利用高強(qiáng)度塑料，并具備增強(qiáng)骨架的結(jié)構(gòu)，來(lái)提高整體的強(qiáng)度。另外，采用注導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的方式來(lái)填補(bǔ)鋰硫電池電芯和回形框之間的間隙，在固定電芯的同時(shí)，提升模組的整體性，防止其在振動(dòng)沖擊過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)部組件的碰撞，減少對(duì)電芯的損傷。

2.1.2 模組熱設(shè)計(jì)

鋰硫電池電芯在模組內(nèi)部排列貼合在一起，中間加入帶硅膠邊框的導(dǎo)熱石墨片，用以提高使用過(guò)程中的熱擴(kuò)散效率，增加電芯的散熱能力，防止熱量集中和溫度分布不均勻，硅膠邊框用于為電芯保持適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力，保護(hù)電芯。另外，注入的導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠也可以增加模組的整體散熱能力。

2.1.3 模組預(yù)緊力設(shè)計(jì)

在模組安裝過(guò)程中，端板提供的壓力值根據(jù)本項(xiàng)目對(duì)預(yù)緊力的研究，保持600～800 N 的壓力能夠顯著提升電芯的循環(huán)性能。端板與鋰硫電池電芯間為硅膠&硬質(zhì)塑料復(fù)合墊片，在絕緣的同時(shí)，可以在循環(huán)過(guò)程中保持電芯間的壓力。鋰硫電芯之間的石墨墊片的硅膠邊框也具備相同的作用。

2.1.4 模組高低壓電氣設(shè)計(jì)

高低壓連接部分位于一個(gè)與電芯分離的高強(qiáng)度塑料Lead-frame 上，加入骨架和縱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，按照大眾標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電氣間隙的要求來(lái)設(shè)計(jì)高壓連接和低壓連接。

2.2 鋰硫電池模組的機(jī)械仿真

鋰硫電池模組結(jié)構(gòu)的可靠性直接影響模組的使用性能，在模組設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)運(yùn)用合理的機(jī)械仿真和分析可以減少資金投入和測(cè)試時(shí)間，對(duì)提高電池模組的開(kāi)發(fā)效率有著重要的作用[15,19]。為分析模組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需運(yùn)用大眾的模組結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行仿真分析，主要評(píng)估模組在沖擊、擠壓和隨機(jī)振動(dòng)這三個(gè)測(cè)試狀態(tài)下的表現(xiàn)，來(lái)驗(yàn)證模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)分析模組各部件在不同測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)下的最大應(yīng)力值和材料最大許用應(yīng)力對(duì)比，以及電芯和模組的形變是否超過(guò)最大允許形變?yōu)橐罁?jù)，對(duì)鋰硫電池模組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性進(jìn)行評(píng)估。

本文采用Hypermesh 和ABAQUS 軟件，完成建模并對(duì)鋰硫電池模組進(jìn)行沖擊，擠壓和隨機(jī)振動(dòng)的CAE 仿真分析，模組主要部件的材料及物理屬性如表1所示。

表1 鋰硫電池模組主要部件材料及屬性Table 1 Materials and properties of components of lithium-sulfur battery module

2.2.1 鋰硫電池模組的沖擊仿真

圖4 鋰硫電池模組的沖擊仿真結(jié)果Fig.4 Mechanical shock simulation results of lithium-sulfur battery module

基于電池模組沖擊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電池模組的沖擊仿真，圖4為鋰硫電池模組的沖擊仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，鋰硫電池模組的設(shè)計(jì)可以有效地保持模組在30 g、60 g和90 g三個(gè)方向條件下的穩(wěn)定性。模組所有組件在沖擊條件下，均沒(méi)有超過(guò)材料的最大許用應(yīng)力要求，最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在鎂合金回型框的加強(qiáng)梁上，其最大應(yīng)力值為32.1 MPa，低于鎂合金材料的最大許用應(yīng)力值。據(jù)此，可以得出，鋰硫電池模組設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足沖擊要求。

2.2.2 鋰硫電池模組的擠壓仿真

基于電池模組擠壓測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電池模組的擠壓仿真，圖5為鋰硫電池模組的擠壓仿真結(jié)果，從仿真結(jié)果可以看出，在剛性擠壓到50 mm，即擠壓距離達(dá)到電池模組的30%時(shí)最大擠壓力為22.7 kN，模組和電芯的變形較大，對(duì)擠壓測(cè)試的判斷需要和實(shí)際測(cè)試結(jié)合后進(jìn)行判定。

2.2.3 鋰硫電池模組的隨機(jī)振動(dòng)仿真

基于模組隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試進(jìn)行電池模組的隨機(jī)振動(dòng)，圖6為鋰硫電池模組的隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果，模組的結(jié)構(gòu)部件的最大應(yīng)力值均未超過(guò)材料的許用應(yīng)力值，但端板和鎂合金框之間黏接強(qiáng)度可能略低于仿真要求(-0.71 MPa)，但其他部件均能滿(mǎn)足仿真要求。據(jù)此，由鋰硫電池模組的隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果可以看出，這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本能夠滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

圖5 鋰硫電池模組的擠壓仿真結(jié)果Fig.5 Crush simulation results of lithium-sulfur battery module

根據(jù)隨機(jī)振動(dòng)的仿真結(jié)果，針對(duì)鋰硫電池模組的結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，如圖7所示，增加了鋰硫電池模組的端板和鎂合金回型框之間黏接面積，從而提高鋰硫電池模組的強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)仿真后，鋰硫電池模組各部件均未出現(xiàn)超出材料許用應(yīng)力的情況，能夠滿(mǎn)足電池模組的強(qiáng)度要求。

圖6 鋰硫電池模組的隨機(jī)振動(dòng)仿真結(jié)果Fig.6 Random vibration simulation results of lithium-sulfur battery module

圖7 鋰硫電池模組的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.7 Structure optimization design of lithium-sulfur battery module

2.3 鋰硫電池模組樣件試制

2.3.1 鋰硫電池電芯

鋰硫電池電芯采用軟包形式，尺寸為97 mm×120 mm×9 mm，單邊出極耳的結(jié)構(gòu)，電芯容量為20 A·h，能量密度達(dá)到350 W·h/kg[圖8(a)]。鋰硫電芯采用固態(tài)和凝膠態(tài)復(fù)合電解質(zhì)改善與負(fù)極鋰金屬和硫碳復(fù)合正極材料的界面[圖8(b)]。固態(tài)電解質(zhì)可以在一定程度上抑制循環(huán)過(guò)程中鋰枝晶的生長(zhǎng)，凝膠態(tài)電解質(zhì)能夠與復(fù)合正極良好接觸，同時(shí)能夠抑制生成的多硫化物的穿梭效應(yīng)[23-25]，這種復(fù)合的電解質(zhì)可以有效地提高鋰硫電池的循環(huán)穩(wěn)定性，其循環(huán)次數(shù)可以提高到90 次以上[圖8(c)]。

圖8 (a)鋰硫電芯外觀尺寸圖；(b)鋰硫電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖及各組分；(c)鋰硫電池的循環(huán)曲線Fig.8 (a)images of lithium sulfur battery;(b)schematic diagram of internal structure and components of lithium-sulfur batteries;(c)cycle curves of lithium-sulfur batteries

參考國(guó)標(biāo)GB/T 31485—2015，鋰硫電池單體通過(guò)了短路、針刺、過(guò)充、加熱等多項(xiàng)安全測(cè)試，表現(xiàn)出很好的應(yīng)用安全性，測(cè)試內(nèi)容如表2所示。

表2 鋰硫電池單體安全測(cè)試Table 2 Safe tests of lithium-sulfur cell

2.3.2 鋰硫電池模組

基于鋰硫電池模組的需求和仿真結(jié)構(gòu)優(yōu)化，制作了模組的各結(jié)構(gòu)零部件，包括鎂合金回型框、利用3D 打印技術(shù)制作的ABS+PC 端板、匯流排(Busbar)、Lead-frame、柔性低壓線束(FPC)、導(dǎo)熱片和絕緣片，模組的總重為2.50 kg，其能量密度達(dá)到250 W·h/kg，實(shí)物照片如圖9所示。

圖9 鋰硫電池模組的試制樣品Fig.9 Production sample of lithium-sulfur battery module

2.4 鋰硫電池模組樣件試制

經(jīng)過(guò)上述對(duì)鋰硫電池模組虛擬樣件的結(jié)構(gòu)仿真分析，下文將采用大眾標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電池模組強(qiáng)度測(cè)試要求，對(duì)試制的鋰硫電池模組進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2.4.1 鋰硫電池模組的沖擊測(cè)試

對(duì)模組的三個(gè)方向(x、y、z 方向)分別進(jìn)行機(jī)械沖擊測(cè)試，分別采用50 g 和60 g 的半正弦沖擊波，并監(jiān)測(cè)模組的沖擊響應(yīng)信號(hào)。從圖10(a)、(b)可以看出，鋰硫電池模組經(jīng)過(guò)沖擊測(cè)試之后結(jié)構(gòu)保持完整，模組外側(cè)沒(méi)有開(kāi)裂和脫落，模組功能完整，圖10(c)～(e)的沖擊半正弦波曲線顯示，三個(gè)方向上的模組的50 g 沖擊響應(yīng)曲線均在合理范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明，基于仿真優(yōu)化后的鋰硫電池模組通過(guò)了沖擊測(cè)試，模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠保證模組的整體性。

2.4.2 鋰硫電池模組的擠壓測(cè)試

鋰硫電池模組擠壓測(cè)試結(jié)果如圖11所示，模組經(jīng)過(guò)擠壓測(cè)試后，與擠壓圓柱接觸的模組端板出現(xiàn)一定的破壞，另一端的端板脫離回型框[圖11(b)]。從變形和壓力隨時(shí)間變化的曲線可以看出，由于電池模組端板發(fā)生了斷裂，擠壓力達(dá)到10 kN時(shí)，模組的變形量已經(jīng)達(dá)到50%[圖11(c)]。從擠壓測(cè)試結(jié)果可以得出，端板和回型框的強(qiáng)度較低，端板與鎂合金回型框的連接強(qiáng)度還需提高，但鋰硫電池電芯&模組回型框、高低壓電氣連接部分連接牢固，根據(jù)模組測(cè)試結(jié)果來(lái)看，模組未出現(xiàn)HL4狀況，滿(mǎn)足VW標(biāo)準(zhǔn)的擠壓測(cè)試要求。

圖10 (a)沖擊測(cè)試前模組照片；(b)沖擊測(cè)試后模組照片；(c)～(e)x、y、z三個(gè)方向50 g半正弦波曲線Fig.10 (a)images of modules before shock test;(b)images of modules after shock test;(c)～(e)50 g semi-sinusoidal wave curves in three directions x,y,z

圖11 (a)鋰硫電池模組擠壓測(cè)試之前；(b)鋰硫電池模組擠壓測(cè)試之后；(c)鋰硫電池模組擠壓測(cè)試的變形與應(yīng)力曲線Fig.11 (a)lithium-sulfur battery module before crush test;(b)lithium-sulfur battery module after crush test;(c)deformation and stress of lithium-sulfur battery module crush test

2.4.3 鋰硫電池模組的隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試

圖12 (a)鋰硫電池模組隨機(jī)振動(dòng)仿真的功率譜密度曲線；(b)鋰硫電池模組隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試仿真效果圖；(c)鋰硫電池模組隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試功率譜密度曲線和實(shí)際采集的曲線；(d)隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試后的鋰硫電池模組照片F(xiàn)ig.12 (a)power spectral density curve of random vibration simulation of lithium-sulfur cell module;(b)simulation diagram of random vibration test of lithium-sulfur cell module;(c)power spectral density curve of random vibration test of lithium-sulfur cell module and actual collected curve;(d)photos of lithium-sulfur cell module after random vibration test

首先對(duì)所制作的鋰硫電池模組進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試，如圖12 所示，采用仿真過(guò)程相同的功率譜密度曲線(參考VW 80000)，分別對(duì)鋰硫電池模組進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)。從圖12(c)中可以看出，實(shí)際測(cè)試采集的隨機(jī)振動(dòng)曲線基本與所給功率譜密度曲線吻合，沒(méi)有明顯的尖峰，說(shuō)明模組的整體性強(qiáng)，內(nèi)部部件穩(wěn)固，在圖12(d)中測(cè)試后的鋰硫電池模組沒(méi)有明顯的結(jié)構(gòu)破壞，說(shuō)明這樣的模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效保持模組振動(dòng)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3 結(jié) 論

通過(guò)整理鋰硫電池模組設(shè)計(jì)需求和機(jī)械仿真優(yōu)化完成了鋰硫電池模組的成組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用一體式鎂合金回型框作為外殼，高強(qiáng)度PC+ABS端板設(shè)計(jì)成增加有加強(qiáng)骨架和凹凸形貌的結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，電芯間夾一層帶硅膠回型框的導(dǎo)熱石墨片來(lái)提高模組使用過(guò)程中的熱擴(kuò)散效率，這種輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅可以提高模組的比能量，在保持鋰硫電芯間壓力的同時(shí)，還能保持足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和良好的散熱性?；诖蟊婋姵啬＝M強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試評(píng)估，結(jié)果表明，鋰硫電池模組的設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足大眾電池模組強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，結(jié)構(gòu)上模組的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需要進(jìn)一步的加強(qiáng)和優(yōu)化以適應(yīng)鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用和滿(mǎn)足現(xiàn)實(shí)復(fù)雜工況的需要。隨著電池技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，具有高能量密度的鋰硫電池及其模組將在儲(chǔ)能電站和電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。