某型號鋰電池全紙化包裝件跌落仿真分析

鞏桂芬，何興娟，周健民，張美琦

某型號鋰電池全紙化包裝件跌落仿真分析

鞏桂芬a,b,c，何興娟a,b,c，周健民a,b,c，張美琦a,b,c

（陜西科技大學 a.陜西省造紙技術與特種紙品開發重點研究室 b.中國輕工業紙基功能材料重點實驗室 c.輕化工程國家級實驗教學示范中心，西安 710021）

驗證鋰離子電池全紙化運輸包裝件的防護性能。依據鋰離子電池的產品特性、流通環境以及包裝防護等多方面要求，選用合適的紙質包裝材料得到全紙化的包裝方案，選用仿真分析軟件對包裝件進行跌落模擬，得到其應力、應變等相關數據。由跌落仿真分析可知，最大應力出現在外殼上蓋凸臺位置，其應力值為346.06 MPa，超過外殼最大許用應力值（325 MPa），外殼發生破損。鋰電池包裝件跌落時，外殼等效應力值為1.211 MPa，仿真得到的應力值均未超過材料的許用應力，不會發生損壞。該包裝結構能夠在運輸過程中吸收大部分的沖擊能量，能很好地保護內部產品不受損傷，具有良好的防護性能。

碳中和；鋰電池；跌落仿真

社會發展、環境惡化引起人們對全球氣候的關注，雙碳目標再次出現在大眾的視野[1]，企業積極響應，大力發展新能源產業，加快“碳達峰、碳中和”目標的實現，其符合國家利益，體現國際責任。黨的二十大報告中再次強調低碳、綠色、可持續發展，“雙碳”目標必將給包裝行業帶來廣泛而深刻的系統性變革。

鋰離子電池憑借著眾多優點，成為較理想的能源載體[2]，是目前儲能產品中競爭力較強、應用較廣泛的產品之一[3]。我國鋰電池出口量從2016年起逐年增加[4]，同時對包裝行業提出更高要求。鋰電池中含有大量的活潑性金屬鋰，易燃，安全性不高。運輸或緩沖不當都將引起電池損壞或爆炸，包裝設計安全性尤為重要[5]。本文以某品牌12 V、288 kC的鋰電池為研究對象，運用CREO 6.0和ANSYS Workbench對鋰電池運輸包裝件進行跌落仿真分析，模擬實際運輸過程中可能出現的工況。通過等效應力、應變云圖，并結合材料屈服強度和許用應力綜合判斷包裝方案的可行性。

1 鋰電池及其包裝件模型建立

1.1 鋰電池運輸包裝材料選擇與設計

鋰電池屬于危險品，包裝時需選擇強度、防潮等性能好的材料。目前，市場上常見的包裝材料為泡沫材料，其雖性能優良，但使用后難回收難降解，對環境產生很大影響。可降解材料的價格昂貴且多數還處于試驗探索階段，難以批量化生產并作為包裝材料廣泛應用。紙質材料因具有價格低廉、污染小、可回收處理等優點，成為多數包裝企業的首選，也是國內外研究的熱點，瓦楞紙板、紙漿模塑、蜂窩紙板等是目前制造業運用最多的紙質包材。瓦楞紙板相較于紙漿模塑和蜂窩紙板，具有很多優點，如成本低廉，原材料充足，易加工生產，廢棄物可回收利用；緩沖性能優良，材質柔軟，易于折疊；多種性能結構交叉使用，結構精巧；瓦楞紙板密度小，質量輕，不易產生靜電。

本文選用BC瓦楞紙板作為緩沖材料，底部承受的質量大，則采用兩側紙板向內折疊的方式，提高抗壓性能。一側產品有凸起，紙板依據產品的凸起折疊，增大受力面積，避免應力集中導致產品發生損傷。鋰電池包裝件三維圖形如圖1所示。

1.2 鋰電池三維模型的建立

某型號鋰電池的基本尺寸為320 mm×210 mm× 162 mm，主要零部件含有產品外殼、頂蓋、散熱板、PCB電路板、電芯、導線以及螺栓螺母等元器件。利用CREO三維軟件繪制鋰電池樣品的三維模型，對模型合理簡化、減少模型網格劃分的次數以此來提高計算效率，減少工作量。模型簡化是對整體模型結構分析影響不大的區域或是在模擬中沒有實用意義的曲面、倒角等進行省略及簡化處理[6]。簡化后模型如圖1所示。

圖1 簡化后的鋰電池包裝件三維模型

1.3 材料性能參數定義

仿真軟件一般包含了大部分且常用的材料參數，鋰電池的所有零部件材料參數未完全包含其中，需自行定義。材料屬性的添加需包含其基本參數，如材料密度、彈性模量、泊松比等[7-8]。根據制造商提供的信息和數據可知，鋰電池各零件對應材料的相關參數信息如表1所示。其中，由于鋁合金外殼屬于非線性材料，且在實際過程中屬于主要受力部件，是保障產品不發生損傷的前提。因此在鋁合金材料參數設置時，需要增加材料的屈服強度，提高數據的準確性和仿真的可靠性，更加符合工程實際。

表1 包裝件各部位材料參數

Tab.1 Material parameters of each packaging part

瓦楞紙板由于紙張纖維取向性表現出各向異性，在（MD即為機械方向）、(CD即紙板楞向）、（TD即厚度方向）3個方向上表現出不同的材料性能，是一種正交各向異性的材料。軟件數據庫缺少相關的材料參數，無法直接對瓦楞紙板賦予相應參數。

瓦楞紙板芯紙層為波紋結構，在仿真過程中需對其進行等效。目前等效理論主要有3種。一是等效成同一材質、均勻密度但是厚度不同的單層板[9-11]；二是混合等效成厚度相同的正交各向異性板[12-15]；三是利用正弦函數模型等效，得到瓦楞紙板的9個等效參數，即為彈性模量（E、E、E）、剪切模量（G、G、G）以及泊松比（μ、μ、μ）[16]。瓦楞紙板作為緩沖襯墊，其結構較為復雜，會涉及到很多單元和節點。為方便計算，選用第2種等效方式，材料參數如表2所示。線性等效會與實際的非線性材料產生一定的誤差，但是考慮到材料的各向異性、結構的復雜性以及材料生產的缺陷性，其誤差是在可接受的范圍內。

表2 BC楞型瓦楞紙板等效材料參數

Tab.2 Equivalent material parameters of BC corrugated board

1.4 接觸類型設置

依據鋰電池在運輸途中可能發生的多種狀況，并考慮計算求解時間。將鋰電池產品內部各零部件設置為綁定接觸，鋰電池與緩沖襯墊之間會出現細微的相對滑動，因此產品與襯墊之間選用摩擦接觸。依據摩擦特性將其大小設置為0.2，包裝箱與地面之間選用為無摩擦接觸形式。

1.5 網格劃分

有限元分析的精確性、收斂性及高效性[17]與網格劃分質量的優劣息息相關，因此需要嚴格控制網格質量。復雜的結構單元一般選用四面體網格進行劃分，由于鋰電池零部件較多，本文主要選用六面體和四面體網格聯合劃分，保證每個零部件在厚度方向上至少有2層網格。經過多次修改后，網格的平均單元質量為0.71，總結點數為416 001，總網格單元數為373 214，整體模型網格劃分見圖2。

2 包裝件動力學分析

在貨物運輸過程中，通常會因為人工搬運或是叉舉操作不當而使包裝件發生跌落或碰撞[18]，引起外箱破損導致產品損壞。選用仿真軟件的顯示動力學模塊對包裝件進行跌落模擬，分析包裝的性能。主要從鋰電池無包裝跌落開始，到包裝件跌落仿真，對比觀察2次跌落過程中應力–應變情況，找到產品的脆弱部位，并檢驗包裝的保護性和可靠性。

圖2 包裝件模型網格劃分

2.1 對鋰電池產品進行跌落仿真分析

依據聯合國制定的UN38.3可知，鋰電池屬于第9類危險品[19]，其包裝方案與性能測試需要按照危險品測試標準執行。該鋰電池出口到歐洲各個地區，因此運輸包裝需滿足出口鋰電池運輸包裝的相關法規要求。依據法規[5]鋰電池包裝件屬于Ⅱ類包裝，跌落高度應為1.2 m。根據GB/T 21599—2008《危險品包裝跌落試驗方法》[20]和國際安全運輸協會ISTA–1A標準，對鋰電池裸機底面進行跌落仿真分析。

假設鋰電池在跌落過程中只受到重力因素影響，等效于自由落體運動。為提高計算效率，則可以采用等效高度為1 mm，等效初速度為4 849.4 mm/s，以垂直于地面的速度向下移動。在重力作用下，施加的重力加速度為9 806.6 mm/s2。對地面施加固定約束[21]，求解時間設置為3 ms。求解后查看鋰電池的等效應力和總變形量，如圖3所示。

圖3 鋰電池面跌落仿真分析結果

鋰電池裸機面跌落仿真分析結果顯示，產生等效應力最大值點位于外殼上蓋凸臺位置，最大等效應力值為346.06 MPa，外殼屈服強度為325 MPa，超過外殼最大屈服強度，因此外殼在裸機跌落的過程中可能會發生損壞。電芯的等效應力值為43.48 MPa，PCB板上的等效應力為42.35 MPa，散熱板的等效應力值為54.68 MPa，均小于對應材料的屈服強度，因此在跌落的過程中鋰電池內部不會產生一定的損傷，僅需保證產品外殼不發生損壞。

2.2 對包裝件進行面跌落仿真分析

根據前文所描述的模擬方法和條件，模擬鋰電池包裝件底面跌落過程，并在此基礎上進行分析計算。模擬分析結果如圖4所示。

包裝件底面跌落仿真分析結果顯示，各個部件的最大值均未超過其對應材料的許用應力，不會產生失效。

等效應變分析：通過對比分析鋰電池裸機跌落和包裝件跌落分析結果可知，最大值出現在鋰電池與緩沖包裝先接觸的位置，此處產生的沖擊力最大，襯墊吸收的能量較多。等效應變隨時間變化如圖5所示，在0～1 ms時襯墊等效應變呈直線增長，并在1.5 ms時刻達到第1個峰值后繼續持續增加；在2.75 ms時刻達到最大值，達到最大值后逐漸下降并趨于穩定。

查看產品外殼的等效應變情況，如圖6所示。在0～0.15 ms時應變未發生明顯變化；0.15～1.05 ms階段應變值逐步增大，并達到了最大值。達到最大值后逐漸減小并趨于穩定，說明包裝件在剛接觸地面時刻沖擊能量被緩沖材料吸收，因此傳遞到產品上的沖擊能量變小，應變延遲。這與實際跌落工況下的應變相吻合，反映出緩沖包裝具有良好的能量吸收性能。在1.05 ms時刻外殼的變形量達到了最大值，最大值為1.776×10?5mm，遠小于鋁合金的許用應變。因此，在底面跌落工況下，外殼不會發生損壞。

圖4 包裝件面跌落仿真分析結果

圖5 底面跌落工況下緩沖襯墊等效應變情況

圖6 底面跌落工況下電池外殼等效應變情況

選用同樣的設置方法對鋰電池包裝件的頂面、短側面以及長側面進行跌落仿真分析。分析結果顯示，包裝件的最大等效應力值分別為135、140和125 MPa，均小于外殼材料的許用應力。最大應力應變均未超過產品各部件的最大屈服強度，不會對內部產品產生損傷，因此，外包裝在受到跌落響應時能起到保護產品性能的作用。

能量曲線變化可以反映出包裝件在跌落過程中的能量變化情況。根據圖7的能量曲線可知，0.2 ms之前包裝件處于自由下落過程，彈性勢能穩步增長，隨著下落速度的增大，動能出現了大幅度增加。包裝件觸地后，緩沖襯墊開始壓縮，勢能逐步增大，動能變小后趨于穩定，二者變化互補，實現能量的動態平衡。在能量守恒分析中，沙漏能一般小于總能量的10%[22]。由圖7可知，包裝件跌落過程中最大沙漏能為15 J，總能量為190.98 J，沙漏能為總能量的7.85%，因此可驗證仿真結果的可靠性。

圖7 能量追蹤曲線

2.3 對包裝件進行角跌落仿真分析

等效應力分析：等效應力曲線如圖8b所示，在0～0.5 ms時等效應力值緩慢增長；在0.5～1.5 ms時迅速增大，并在1.5 ms時達到最大值46.82 MPa，達到最大值后逐步減小，并在2.5 ms時趨于穩定。最大值出現在角與地面接觸的位置。由于在沖擊的過程中產生的作用力全部集中在一點上，所以此處產生的應力值最大，與實際的跌落情況相符合。

圖8 角跌落工況下包裝件等效應力情況

變形量分析：等效應變曲線如圖9b所示，在0～1.5 ms時變形量緩慢增加，在1.5～2.0 ms時變形量增加速度逐漸變快，在2.5 ms時增長速率逐步達到最大值，在2.5～3.0 ms增長速率逐漸變緩，變形量最大值為9.19 mm。包裝件受到碰撞后沖擊能量首先傳遞到包裝箱上，其次是內部緩沖襯墊，最后通過襯墊傳遞到產品上。通過分析發現，最大變形量為9.19 mm，未超過紙箱及緩沖襯墊的最大變形量，說明緩沖襯墊能很好地保護內部產品不受損傷。

3 試驗驗證

根據前文所述的危險品包裝件跌落標準，本次選用蘇試跌落試驗機進行鋰電池包裝件的跌落測試，Lansmont Test Partner 3（簡稱TP3）數據采集系統用來收集數據并分析。TP3能夠在產品跌落過程中，捕捉到產品加速度的瞬態變化情況，便于后期對產品受力情況的分析，試驗所用設備如圖10所示。

試驗開始前需根據跌落工況選擇并固定傳感器；試驗結束后利用數據處理軟件選取合適時間階段得到的加速度響應曲線，并與仿真數據進行對比分析。由圖11可以看出，試驗和仿真曲線隨時間變化趨勢趨于一致，且不同跌落工況下的最大響應加速度均小于產品脆值。仿真得到的響應加速度峰值為57.3，試驗得到的響應加速值峰值為62.5，均未超過產品的許用脆值（70），滿足包裝需求。試驗和仿真所得的響應加速度曲線未完全重合，最大響應加速度之間的誤差為8.32%，在允許范圍之內，說明仿真具有可靠性。試驗結束后，包裝件未出現破損，內部產品也未發生破損、凹陷等損傷，說明包裝系統具有很好的防護性能，能滿足產品包裝防護的需求。

圖9 角跌落工況下包裝件等效應力情況

圖10 跌落試驗設備

圖11 試驗與仿真加速度響應曲線對比

4 結語

利用三維建模和模擬分析軟件，對某品牌12 V、288 kC的鋰電池包裝件進行有限元仿真分析，主要模擬包裝件在運輸過程中可能發生因人工搬運或是叉舉過程引起的跌落。分析結果表明，鋰電池在1.2 m高度下跌落，各零部件均不會發生損壞，包裝具有很好的防護效果。不足的是，本文僅研究跌落工況下的包裝件響應情況，其他更多工況下的響應情況仍需進一步研究。此文主要研究單一瓦楞紙板緩沖結構可滿足的鋰電池各工況要求，后續可選用多種緩沖結構進行研究分析，為同類型的產品提供更多參考。

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Simulation Analysis on Fall of a Type of Lithium Battery Fully Paper-based Packaging Parts

GONG Gui-fena,b,c, HE Xing-juana,b,c, ZHOU Jian-mina,b,c, ZHANG Mei-qia,b,c

(a. Key Laboratory of Paper Technology and Special Paper Product Development of Shaanxi Province b. China Key Laboratory of Light Industry Paper-based Functional Materials c. National Experimental Teaching Demonstration Center of Light Chemical Engineering, Shaanxi University of Science and Technology, Xi'an 710021, China)

The work aims to verify the protective performance of fully paper-based transport packaging for lithium-ion batteries. Based on the product characteristics, circulation environment, packaging protection and other requirements of lithium-ion batteries, a suitable paper packaging material was selected to obtain an all-paper packaging solution, and simulation analysis software was used to simulate the drop of the packaging parts and obtain their stress and strain data. As a result of the drop simulation, the maximum stress was 346.06 MPa at the top cover tab, which exceeded the maximum permissible stress value of 325 MPa and caused damage to the case. When the lithium battery packaging dropped, the equivalent stress value of the case was 1.211 MPa. The simulated stress values did not exceed the permissible stress of the material and no damage occurred. The conclusion shows that the packaging structure can absorb most of the impact energy during transport. It can protect the internal product well from damage and has good protective properties.

carbon neutral; lithium battery; drop simulation

TB482.2

A

1001-3563(2023)13-0277-08

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.13.033

2023?01?13

國家自然科學基金（51575327）；陜西省教育廳重點實驗室及基地項目（16JS014）；陜西省教育廳2014陜西本科高校專業綜合改革試點子項目（陜教高[2014]16號）

鞏桂芬（1974—），女，碩士，副教授，主要研究方向為緩沖包裝動力學、運輸包裝和包裝結構設計。

責任編輯：曾鈺嬋