基于 Ansys Workbench 電池組結(jié)構(gòu)仿真分析

劉斯順，劉月學(xué)，郭鋒

（浙江南都電源動力股份有限公司，浙江 杭州 311305）

0 引言

目前，鋰離子電池作為動力應(yīng)用領(lǐng)域、民用應(yīng)用領(lǐng)域及儲能通訊應(yīng)用領(lǐng)域的動力源，得到越來越多的關(guān)注。本文中，筆者對國內(nèi)外常用的擰螺絲、打扎帶、激光焊工藝組裝的鋰離子電池組進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，并對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度進(jìn)行分析。

1 有限元模型

考慮到本次仿真的目的，對模型進(jìn)行簡化，清除了不必要的細(xì)節(jié)特征，如微小曲面、不重要的倒圓、小孔等，不但能提高整個網(wǎng)格劃分的速度和質(zhì)量，還能提高計算精度。

按照電池組的幾何尺寸，在 PROE 中建立三維模型，導(dǎo)入 ANSYSWorkbench?？紤]到端板對膨脹的影響，特別設(shè)計了一款兼容擰螺絲、打扎帶、激光焊三種工藝的端板。三種模組中，只改變側(cè)板結(jié)構(gòu)與連接方式，保持其他的幾何模型、有限元網(wǎng)格數(shù)量、有限元約束條件及有限元材料分配完全一致。另外，由于擰螺絲、打扎帶、激光焊電池組的鋁牌厚度為 2 mm，以及扎帶厚度為 1.6 mm，利用其中的“midsurface”命令抽取結(jié)構(gòu)件的中面，修補(bǔ)缺陷的面體結(jié)構(gòu)。以殼單元劃分網(wǎng)格，有限元模型見圖 1。對于擰螺絲、打扎帶、激光焊這三種工藝，除了側(cè)板與連接方式產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)和單元外，其他結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)和單元均保持一致。擰螺絲結(jié)構(gòu)共有99 902 個節(jié)點(diǎn)，55 112 個單元，打扎帶結(jié)構(gòu)共有80 471 個節(jié)點(diǎn)，49 386 個單元，而激光焊結(jié)構(gòu)共有99 478 個節(jié)點(diǎn)，55 308 個單元。由于電池組通過端板與外界固定連接，因此對兩側(cè)端板上的 4 個螺栓孔施加 Fixed Support 固定約束[1]，對 12 個電池底部施加 Frictionless Support 無摩擦約束，以及對端板底部施加 Frictionless Support 無摩擦約束。

圖1 有限元模型

2 計算工況

按照鋰離子電池鼓脹的原因分為四類：一是電池極片在循環(huán)過程中鼓脹導(dǎo)致電池厚度增加；二是由于電解液氧化分解，產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致膨脹；三是電池加工不嚴(yán)引進(jìn)水分以及工藝缺陷引起的膨脹；四是充放電過程破壞 SEI 膜導(dǎo)致電解液自動修復(fù) SEI 膜，從而產(chǎn)生氣體，最終導(dǎo)致電池出現(xiàn)鼓脹[2]。無論是哪種原因?qū)е碌碾娦狙h(huán)膨脹，主要都是由電池內(nèi)部產(chǎn)生氣體引起的鼓脹。電池在常溫循環(huán)、高溫循環(huán)或高溫擱置時，均會產(chǎn)生不同程度地氣體、鼓脹。據(jù)行業(yè)目前的研究結(jié)果顯示，引起電池脹氣的本質(zhì)原因是電解液發(fā)生分解。電解液分解有兩種情況：一種是電解液有雜質(zhì)，比如有水分和金屬雜質(zhì)使電解液分解產(chǎn)氣；另一種是電解液的化學(xué)窗口太低，造成了充電過程中的分解，比如電解液中的 EC、DEC 等溶劑在得到電子后，會產(chǎn)生自由基，而自由基反應(yīng)的直接后果就是產(chǎn)生低沸點(diǎn)的烴類、酯類、醚類和 CO2[3]等。在鋰電池組裝完成后，預(yù)化成過程中會產(chǎn)生少量氣體。這些氣體是不可避免的，也是所謂的電池不可逆容量損失來源。在首次充放電過程中，電子由外電路到達(dá)負(fù)極后會與負(fù)極表面的電解液發(fā)生氧化還原反應(yīng)[4]，產(chǎn)生氣體。在此過程中，在石墨負(fù)極表面形成鈍化層電解質(zhì)膜（SEI）。隨著 SEI 厚度增加，電子無法穿透 SEI膜，抑制了電解液的持續(xù)氧化分解，產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致電芯鼓脹。電芯鼓脹的膨脹力直接作用在電池組的組裝結(jié)構(gòu)上，因此在設(shè)計電池組結(jié)構(gòu)時都需要考慮電芯鼓脹力對結(jié)構(gòu)的影響[5]。目前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電芯鼓脹的膨脹率應(yīng)不大于 5 %，所以本次假設(shè)電芯膨脹率為 5 %，計算電池組的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況，獲取擰螺絲、打扎帶、激光焊三種工藝的應(yīng)力、應(yīng)變、變形參數(shù)。

3 分析結(jié)果

經(jīng)過 ANSYSWorkbench 計算分析，得到擰螺絲、打扎帶、激光焊三種工藝結(jié)構(gòu)約束下應(yīng)力、應(yīng)變、變形情況數(shù)據(jù)和分布云圖。

3.1 結(jié)構(gòu)結(jié)果數(shù)據(jù)分析

從表 1 ～表 3 中分析結(jié)果來看，區(qū)別最大的為總應(yīng)力。采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的總應(yīng)力為 7 398.8 MPa，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的為 3 184.4 MPa，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的為 3 995.9 MPa，因此應(yīng)力最小的為打扎帶結(jié)構(gòu)，比擰螺絲結(jié)構(gòu)的小 4 214.5 MPa，比激光焊結(jié)構(gòu)的小 811.5 MPa。從整個結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)看，打扎帶結(jié)構(gòu)工藝更占優(yōu)勢。另外，從電池四周各結(jié)構(gòu)組件在約束條件下的應(yīng)力、應(yīng)變看，相差最明顯的是側(cè)板與扎帶的應(yīng)力。采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的前、后側(cè)板應(yīng)力為 7 302.6 MPa 和7 398.8 MPa，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的上、下扎帶應(yīng)力為 67.009 MPa 和 62.182 MPa，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的前、后側(cè)板應(yīng)力為 1 852.3 MPa 和 1 855.5 MPa。由于側(cè)板扎帶與端板形成力的相互傳遞，從另外一個方向看端板可分析出：采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的左右端板變形量為 3.081 2 mm 和 2.879 5 mm，應(yīng)變?yōu)?5.398 0 % 和 4.983 1 %，應(yīng)力為 3 515.3 MPa 和2 923.2 MPa；采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的左右端板變形為 3.135 4 mm和 3.136 5 mm，應(yīng)變?yōu)?5.548 1 % 和5.555 6 %，應(yīng)力為 3 103.5 MPa 和 3 184.4 MPa；采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的左右端板變形量為 3.075 6 mm和 3.081 1 mm，應(yīng)變?yōu)?5.785 3 % 和 5.424 6 %，應(yīng)力為 3 995.9 MPa 和 3 572 MPa。從數(shù)據(jù)上看，三種工藝的左右側(cè)端板數(shù)據(jù)相差有限，區(qū)別最大的是側(cè)板和扎帶結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。扎帶的結(jié)構(gòu)柔軟，使人直觀上認(rèn)為變形量會偏大，但是整個計算數(shù)據(jù)說明打扎帶結(jié)構(gòu)工藝形式優(yōu)于另兩種結(jié)構(gòu)工藝。

表1 仿真分析總變形量數(shù)據(jù)表

表2 仿真分析總應(yīng)變數(shù)據(jù)表

表3 仿真分析總應(yīng)力數(shù)據(jù)表

3.2 分布云圖

從圖 2 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝總變形量為 15.835 mm，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的總變形量為 15.682 mm，而采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的總變形量為 15.704 mm。從圖 3 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的總應(yīng)變?yōu)?39.683 %，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的總應(yīng)變?yōu)?39.060 %，而采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的總應(yīng)變?yōu)?38.381 %。從圖 4 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的總應(yīng)力為 7 398.8 MPa，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的總應(yīng)力為 3 184.4 MPa，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝總應(yīng)力為3 995.9 MPa。相比之下，三種工藝在變形量與應(yīng)變兩方面相差不大，但是應(yīng)力最小的為打扎帶結(jié)構(gòu)工藝，比擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的小 56.96 %，比激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 20.3 %。因此，從整個結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)看打扎帶結(jié)構(gòu)工藝更占優(yōu)勢。

圖2 總變形云圖

圖3 總應(yīng)變云圖

圖4 總應(yīng)力云圖

從圖 5 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板變形量為 3.081 2 mm，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板變形量為 3.135 4 mm，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板變形量為 3.075 6 mm。從圖 6中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板應(yīng)變?yōu)?5.398 0 %，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板應(yīng)變?yōu)?5.548 1 %，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板應(yīng)變?yōu)?5.785 3 %。從圖 7 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝左側(cè)端板應(yīng)力為 3 515.3 MPa，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板應(yīng)力為 3 103.5 MPa，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的左側(cè)端板應(yīng)力為 3 995.9 MPa。從左側(cè)端板變形量上看，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的比

采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的大 0.054 2 mm，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的大 0.059 8 mm。從左側(cè)端板應(yīng)變上看，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的比采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝大0.15 %，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的大 0.24 %。從左側(cè)端板應(yīng)力上看，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的比采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的小 411.8 MPa，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 892.4 MPa。從整個端板結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)看，打扎帶結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)變稍微大一點(diǎn)，但是從應(yīng)力上看打扎帶結(jié)構(gòu)的應(yīng)力稍微小一點(diǎn)，總之相差有限。

圖5 左側(cè)端板變形云圖

圖6 左側(cè)端板應(yīng)變云圖

圖7 左側(cè)端板應(yīng)力云圖

從圖 8 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板變形量為 2.879 5 mm，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板變形量為 3.136 5 mm，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板變形量為 3.081 1 mm。從圖 9 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板應(yīng)變?yōu)?4.983 1 %，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板應(yīng)變?yōu)?5.555 6 %，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板應(yīng)變?yōu)?5.424 6 %。從圖 10 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板應(yīng)力為 2 923.2 MPa，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板應(yīng)力為 3 184.4 MPa，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的右側(cè)端板應(yīng)力為 3 572 MPa。從右側(cè)端板變形量上看，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的比采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的小 0.257 mm，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小0.202 mm。從右側(cè)端板應(yīng)變上看，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的比采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的小 0.57 %，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的大 0.26 %。從右側(cè)端板應(yīng)力上看，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的比采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的小 261.2 MPa，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 648.8 MPa。從整個端板結(jié)構(gòu)計算數(shù)據(jù)看，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的變形、應(yīng)變、應(yīng)力稍微小一點(diǎn)，但與另兩種工藝相差有限。

圖8 右側(cè)端板變形云圖

圖9 右側(cè)端板應(yīng)變云圖

圖10 右側(cè)端板應(yīng)力云圖

從圖 11 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的前側(cè)側(cè)板變形量為 4.877 6 mm，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的上扎帶變形量為 5.475 8 mm，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的前側(cè)側(cè)板變形量為 6.793 7 mm。從圖 12 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的前側(cè)側(cè)板應(yīng)變?yōu)?10.674 %，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的上扎帶應(yīng)變?yōu)?1.713 6 %，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的前側(cè)側(cè)板應(yīng)變?yōu)?3.359 7 %。從圖 13 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的前側(cè)側(cè)板應(yīng)力為7 302.6 MPa，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的上扎帶應(yīng)力為67.009 MPa，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的前側(cè)側(cè)板應(yīng)力為 1 852.3 MPa。從右側(cè)端板與扎帶的變形量上看，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的比采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的小0.598 2 mm，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 1.916 1 mm。從右側(cè)端板與扎帶的應(yīng)變上看，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的比采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的小 8.96 %，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 1.65 %。從右側(cè)端板與扎帶的應(yīng)力上看，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的比采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的小 7 235.591 MPa，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 1 785.291 MPa。從整個固定結(jié)構(gòu)的計算數(shù)據(jù)來看，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的應(yīng)變和應(yīng)力都比另兩種工藝占優(yōu)勢，特別是在應(yīng)力方面。

圖11 前側(cè)側(cè)板變形云圖

圖12 前側(cè)側(cè)板應(yīng)變云圖

圖13 前側(cè)側(cè)板應(yīng)力云圖

從圖 14 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的后側(cè)側(cè)板變形量為 4.842 9 mm，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的下扎帶變形量為 5.238 9 mm，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的后側(cè)側(cè)板變形量為 6.810 5 mm。從圖 15 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的后側(cè)側(cè)板應(yīng)變?yōu)?11.515 0 %，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的下扎帶應(yīng)變?yōu)?1.590 1 %，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的后側(cè)側(cè)板應(yīng)變?yōu)?3.377 2 %。從圖 16 中的數(shù)據(jù)可以看出，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的后側(cè)側(cè)板應(yīng)力為7 398.8 MPa，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的下扎帶應(yīng)力為 62.182 MPa，采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的后側(cè)側(cè)板應(yīng)力為 1 855.5 MPa。從后側(cè)端板和扎帶的變形量上看，采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的比采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的小 0.396 mm，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小1.967 6 mm。在應(yīng)變上，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的比采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的小 9.92 %，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 1.79 %。在應(yīng)力上，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的比采用擰螺絲結(jié)構(gòu)工藝的小 7 336.618 MPa，比采用激光焊結(jié)構(gòu)工藝的小 1 793.318 MPa。從整個固定結(jié)構(gòu)的計算數(shù)據(jù)上看，采用打扎帶結(jié)構(gòu)工藝的應(yīng)變和應(yīng)力都比另兩種工藝占優(yōu)勢，特別是在應(yīng)力方面。

圖14 后側(cè)側(cè)板變形云圖

圖15 后側(cè)側(cè)板應(yīng)變云圖

圖16 后側(cè)側(cè)板應(yīng)力云圖

根據(jù)上述分析結(jié)果來看，對于擰螺絲、打扎帶、激光焊三種工藝，無論從電池組的總變形、總應(yīng)力、總應(yīng)變，還是從端側(cè)板、連接片以及扎帶的變形、應(yīng)力、應(yīng)變來看，打扎帶結(jié)構(gòu)工藝都優(yōu)于擰螺絲、激光焊工藝。

4 結(jié)論

針對擰螺絲、打扎帶、激光焊結(jié)構(gòu)工藝，在建立了三種行業(yè)常用的電池組有限元模型的基礎(chǔ)上，采用相同的約束條件、網(wǎng)格形式、材料屬性進(jìn)行了ANSYS 靜力學(xué)分析驗(yàn)證。由仿真結(jié)果得出，從應(yīng)力、應(yīng)變、變形上看，打扎帶結(jié)構(gòu)工藝更適合抵抗電池膨脹，更適合應(yīng)用在行業(yè)中。