鋰離子電池打包機的結構分析及優化

黃 毅，周 兵

（1湖北工業大學，湖北 武漢430068；2湖北省機電研究設計院，湖北 武漢430070）

我國鋰離子電池產量大，特別是作為汽車動力的電池，其市場前景非常遼闊［1－2］。國內的鋰離子電池企業在這方面還需加強技術創新，提高動力電池系統集成開發能力，開發滿足電動自行車和低速電動車需要的動力電池。本文以鋰離子電池打包機為例，研究其中定位機構的結構問題。

1 鋰離子電池打包機工作原理

鋰離子電池打包機由定位機構、加壓機構、升降機構、翻轉機構、控制系統等組成（圖1），其工作任務是將24塊鋰離子電池打包成一個整體的電池組（圖2）。在導向桿的導向下，將第一塊電池放置到升降底座上，掃描槍對電池上的二維碼進行掃描，掃描信息完畢并且正確，電機帶動升降底座下降一個電池的高度，接著放置下一塊，直到24塊電池全部放置完成；加壓機構接著對堆疊完成的電池組進行壓緊，然后用4個長螺栓進行定扭矩的擰緊固定，在定位機構松開后，翻轉機構將電池組移出，使其處于水平狀態，等待下一道工序。

圖3是用SolidWorks建立的定位機構三維實體模型，定給機構包括底部支撐定位機構、4套獨立的側面定位機構等。在理論應用到實踐的過程中，發現側面定位機構的定位精度對電池組的打包精度影響很大，所以選擇以側面定位機構為例，對其進行受力分析及結構優化。

圖1 鋰離子電池打包機三維模型

圖2 鋰離子電池和打包后的電池組

圖3 電池打包機定位機構三維實體模型

2 側面定位機構的受力分析

在保證任意兩塊電池之間層疊偏差在±0.5 mm之內的前提下，通過受力分析和結構優化來增強側面定位機構的強度以及剛度。采用Solid－Works建立三維模型，保存為STP格式，然后將模型通過ANSYS的數據接口導入ANSYS Workbench中，用以分析側面定位機構在工況及載荷下的位移、應力，從而對其進行優化。為了保證結果的準確性和計算機運算的速率，對實體模型進行了忽略倒圓角、螺紋孔、銷孔、小零件等細節的簡化處理。

從側面定位機構中取相似的一段進行分析。其由一根型材支架和底部4個固定座組成:型材支架的材料為鋁型材6063-T5，密度為2.7g/cm3，楊氏模量為7×104MPa，泊松比為0.33；固定座的材料為Q235，密度為7.85g/cm3，楊氏模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33。接觸面的類型選擇“boned”來進行仿真。

網格的劃分是有限元分析的重要步驟之一，關系到計算的難易程度及結果的精度［3－4］。根據模型的實際大小，在保證網格的規模和計算速率下，網格大小設定為10mm，共得到50 073個單元，11 568個節點，圖4a為側面定位機構的有限元模型。裝配完成后，側面定位機構的4個固定座通過8個螺栓連接在設備底板上面，因此固定座和設備底板的接觸面上施加固定約束面（Fixed Support）來模擬實際的情況。

在鋰離子電池裝配的時候，周圍的側面定位機構會受到擠壓力，從而影響定位精度。受力結構簡圖如圖4b所示。為了得到側面定位機構在允許的變形范圍之內所能承受力的大小，對其進行分析計算，得到對應的結果變形云圖（圖4c）和結果應力云圖（圖4d）。

圖4 側面定位機構的有限元模型、受力結構簡圖、結果變形和應力云圖

由圖4c可見，在施加了441N力時，側面定位機構最大位移出現在頂端部位，最大位移為0.50018mm，最大的等效應力集中出現在前面兩個固定座與型材支架的連接處，最大等效應力為6.5761 MPa。由分析結果可以得到，在向側面定位機構施加的擠壓力超過441N時，它的變形量剛剛超過了0.5mm。固定座所用材料是Q235，其極限抗拉強度為375MPa，遠大于其最大等效應力，滿足強度的設計要求。

3 側面定位機構優化

側面定位機構所受的力可能會大于441N，這樣就很難使其定位精度保持在±0.5mm以內，因此需要通過改變其結構來增強剛性。優化過程所采取的措施是:將鋁型材材料換成方鋼（Q235）材料，把兩根側面定位機構上端通過方鋼焊接起來，把兩個小的固定座合并成一個整體并且對加強筋的結構進行改變，以提高定位機構的剛性。圖5為側面定位機構優化前后的對比圖。

圖5 側面定位機構優化前后對比

從圖6可以看出，優化后的結構在承受了1337 N力后，才發生了0.5mm的變形量，所能承受的擠壓力是優化前結構的3.03倍，最大的等效應力出現優化后的固定座和方鋼支架連接處，大小為32.091 MPa，遠小于其材料的屈服強度，適宜長期使用。圖7為優化后的定位機構三維實體模型。

圖6 優化后的側面定位機構位移和應力云圖

圖7 優化后的定位機構三維實體模型

4 結束語

本文應用 SolidWorks替代 ANSYS Workbench對側面定位機構進行三維建模，提高了工作效率，縮短了設計周期，通過軟件接口將三維模型導入ANSYS Workbench，進行靜力學的分析和計算，得到了側面定位機構的結果變形云圖和應力云圖。基于分析和計算結果對其結構進行了優化，得到了優化后的結果變形云圖和應力云圖。優化后，定位機構的力學性能得到了增強，定位精度得到保證。

［1］ 郎 鵬，任 劍.發展我國鋰離子動力電池關鍵工藝設備思考［J］.電子工業專用設備，2009，38（11）:23-26.

［2］ 和祥運，劉恩華，張嘉禾.鋰離子動力電池產業鏈研究［J］.北京汽車，2011（04）:9-11.

［3］ 趙經文，王宏鈺.結構有限元分析［M］.第2版.北京:科學出版社，2001.

［4］ 周孜亮，王貴飛，叢 明.基于 ANSYS Workbench的主軸箱有限元分析及優化設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2012（03）:17-20.

［5］ 丁欣碩，凌桂龍.Ansys Workbench 14.5有限元分析案例詳解［M］.北京:清華大學出版社，2014.