基于ANSYS的單面粘結懸掛鋰離子電池組的應力分析

田雯 沈川杰 葛偉 李克鋒 葛文罡 楊志云

摘? 要：鋰離子電池組結構件重量占比偏大往往是造成鋰離子電池模組的比能量低下的重要原因之一。目前，常用的鋰離子電池組結構包括箱體式、拉桿式或者夾板式，電池組成組結構件比重在10%～30%之間，然而某鋰離子電池組要求結構件比重小于5%。文章對結構件進行了超大幅度的減重，采用單面粘結懸掛固定鋰離子電池堆的方法將電池堆固定在近似圓形且鏤空的面板上，使得整體結構件比重達到3.5～4.5%。針對該種結構，文章基于ANSYS對電池組內部應力進行了分析，結果表明該鋰離子電池組的結構設計雖然特殊，但其內部各個環節的應力安全系數較大，同樣具有高的可靠性。

關鍵詞：鋰離子電池;粘結懸掛;ANSYS;應力分析

中圖分類號：TM912? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）22-0028-02

Abstract： The large weight proportion of lithium-ion battery structure is often one of the important reasons for the low specific energy of lithium-ion battery module. At present， the commonly used lithium-ion battery pack structure includes box type， pull rod type or splint type. The proportion of battery components is between 10% and 30%. However， a lithium-ion battery pack requires that the specific gravity of the structure is less than 5%. In this paper， the weight of the structure is reduced by a great deal， and the battery stack is fixed on an approximately circular and hollowed-out panel by single-sided bonding and hanging， so that the specific gravity of the whole structure reaches 3.5% to 4.5%. In view of this kind of structure， the internal stress of the battery pack is analyzed based on ANSYS. The results show that although the structural design of the lithium-ion battery pack is special， its internal stress safety factor is large， and it also has high reliability.

Keywords： lithium-ion battery; bonding and suspension; ANSYS; stress analysis

1 概述

隨著科學技術的發展，鋰離子電池的應用范圍越來越廣泛。用戶對鋰離子電池模組的比能量要求越來越高。然而模組結構件重量占比偏大往往是造成鋰離子電池模組的比能量低下的重要原因之一。目前，常用的鋰離子電池組結構包括箱體式、拉桿式或者夾板式，一般電池組結構件比重在10%～30%之間，然而某鋰離子電池組要求其結構件比重小于5%。本文對結構件進行了超大幅度的減重，采用單面粘接懸掛固定鋰離子電池堆的方法將電池堆固定在近似圓形且鏤空的面板上，使得整體結構件比重達到3.5～4.5%[1]。該設計具有重量輕，比能量高的特點，然而同時也帶來了結構強度不足的風險。本文針對該種特殊結構進行了簡化，并基于ANSYS對電池組內部應力進行力學仿真，以確定該特殊結構強度是否足夠可靠。

2 電池組設計與制造[1]

單面粘結懸掛鋰離子電池組設計如圖1所示，主體采用硅橡膠GD-414對鋁合金板2A12-T4、環氧板3240、電池堆等粘結而成，其中，鋁合金板為承力結構主體，環氧板為絕緣隔離體，電池堆為供電主體。鋰離子電池組采用硅橡膠均勻涂覆在鋁合金板平面上，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，采用硅橡膠均勻涂覆在環氧板上，涂覆面密度為25g/m2～50g/m2，控制有效粘接面積占比不小于30%。將鋁合金板與環氧板的涂膠面對接固定，施加壓力并保持12h以上固化粘結完成。環氧板另一面均勻涂覆硅橡膠，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，在電池堆的鎳片上均勻表面涂覆硅橡膠，涂覆面密度為75g/m2～150g/m2;將鋁合金板和環氧板的組合體平放且涂膠面向上，將電池堆涂膠面向下放置到環氧板上，調整位置使電池堆到達預定位置，對每個單體電池單獨施加20N～100N的壓力，控制有效粘接單體電池占比不小于30%，鋰離子電池組的組合體固化7天以上即可應用。

3 模型簡化、設置及網格劃分

將單面粘結懸掛鋰離子電池組中的電池堆進行簡化和網格劃分，結果如圖2所示。電池組受力支撐點位于底部，整體受到向下的重力，本文仿真按照1.0g的加速度值進行仿真和討論，同時將電池堆的彈性模量設置為7.8MPa，確保其具有較好的柔性，可以模擬單體電池的粘結關系。

4 仿真結果及分析

通過ANSYS進行仿真，結果如圖3所示，圖3（A）為總體外形變云圖，圖3（B）為鋁合金板應力云圖，圖3（C）為環氧板應力云圖，圖3（D）為電池堆應力云圖。

從圖3（A）可以看到，電池組形變量非常小，主要發生在電池堆上，整體主要形變為彎曲的彈性形變，該形變方向導致整體在垂直方向自動建立了彈性的減震結構;從圖3（B）可以看到，鋁合金板應力最大點集中在底部的兩側位置，約為29.8MPa，鋁合金板的拉伸強度為275MPa[2]，因此，鋁合金板的安全系數為9.2;從圖3（C）可以看到，環氧板最大應力為3.98MPa，而環氧板的拉伸強度為216MPa[3]，因此環氧板的安全系數為54.2;從圖3（D）可以看到，電池堆最大受力點位于底部，最大應力值為0.00371MPa，按照有效面積30%計算，實際內部應力約為0.01238MPa，而GD-414硅橡膠的剪切強度為1.5MPa[4]，因此電池堆的粘結安全系數為121.2;環氧板與鋁合金板之間的采用硅橡膠粘結，硅橡膠粘接層較為柔軟，受力相對均勻，按照鏤空比例40%和有效面積30%計算，環氧板與鋁合金板之間硅橡膠的最大應力為0.03094MPa，此時環氧板與鋁合金板的粘結安全系數為48。

5 結論

本文基于ANSYS對單面粘結懸掛鋰離子電池組的內部應力進行了分析，結果表明該鋰離子電池組的結構設計雖然特殊，結構件占比僅為3.5～4.5，而其內部各個部分應力的安全系數較大，因此該特殊結構具有非常高的可靠性。

參考文獻：

[1]沈川杰，李克鋒，等.一種水下裝置用輕量化鋰離子電池模組及制造方法[P].中國：201910555668.5.2019-06-25.

[2]孫玉福，等.實用工程材料手冊[M].北京：機械工程出版社，2014：443.

[3]華國強，等.非金屬材料手冊[M].中國航天集團第八研究院，2002：247.

[4]成鋼，李堯.航天用RTVGD414硫化性能研究[J].真空與低溫，2013，19（01）：50～55.