锂离子电池打包机的结构分析及优化

黄 毅，周 兵

（1湖北工业大学，湖北 武汉430068；2湖北省机电研究设计院，湖北 武汉430070）

我国锂离子电池产量大，特别是作为汽车动力的电池，其市场前景非常辽阔［1－2］。国内的锂离子电池企业在这方面还需加强技术创新，提高动力电池系统集成开发能力，开发满足电动自行车和低速电动车需要的动力电池。本文以锂离子电池打包机为例，研究其中定位机构的结构问题。

1 锂离子电池打包机工作原理

锂离子电池打包机由定位机构、加压机构、升降机构、翻转机构、控制系统等组成（图1），其工作任务是将24块锂离子电池打包成一个整体的电池组（图2）。在导向杆的导向下，将第一块电池放置到升降底座上，扫描枪对电池上的二维码进行扫描，扫描信息完毕并且正确，电机带动升降底座下降一个电池的高度，接着放置下一块，直到24块电池全部放置完成；加压机构接着对堆叠完成的电池组进行压紧，然后用4个长螺栓进行定扭矩的拧紧固定，在定位机构松开后，翻转机构将电池组移出，使其处于水平状态，等待下一道工序。

图3是用SolidWorks建立的定位机构三维实体模型，定给机构包括底部支撑定位机构、4套独立的侧面定位机构等。在理论应用到实践的过程中，发现侧面定位机构的定位精度对电池组的打包精度影响很大，所以选择以侧面定位机构为例，对其进行受力分析及结构优化。

图1 锂离子电池打包机三维模型

图2 锂离子电池和打包后的电池组

图3 电池打包机定位机构三维实体模型

2 侧面定位机构的受力分析

在保证任意两块电池之间层叠偏差在±0.5 mm之内的前提下，通过受力分析和结构优化来增强侧面定位机构的强度以及刚度。采用Solid－Works建立三维模型，保存为STP格式，然后将模型通过ANSYS的数据接口导入ANSYS Workbench中，用以分析侧面定位机构在工况及载荷下的位移、应力，从而对其进行优化。为了保证结果的准确性和计算机运算的速率，对实体模型进行了忽略倒圆角、螺纹孔、销孔、小零件等细节的简化处理。

从侧面定位机构中取相似的一段进行分析。其由一根型材支架和底部4个固定座组成:型材支架的材料为铝型材6063-T5，密度为2.7g/cm3，杨氏模量为7×104MPa，泊松比为0.33；固定座的材料为Q235，密度为7.85g/cm3，杨氏模量为2.1×105MPa，泊松比为0.33。接触面的类型选择“boned”来进行仿真。

网格的划分是有限元分析的重要步骤之一，关系到计算的难易程度及结果的精度［3－4］。根据模型的实际大小，在保证网格的规模和计算速率下，网格大小设定为10mm，共得到50 073个单元，11 568个节点，图4a为侧面定位机构的有限元模型。装配完成后，侧面定位机构的4个固定座通过8个螺栓连接在设备底板上面，因此固定座和设备底板的接触面上施加固定约束面（Fixed Support）来模拟实际的情况。

在锂离子电池装配的时候，周围的侧面定位机构会受到挤压力，从而影响定位精度。受力结构简图如图4b所示。为了得到侧面定位机构在允许的变形范围之内所能承受力的大小，对其进行分析计算，得到对应的结果变形云图（图4c）和结果应力云图（图4d）。

图4 侧面定位机构的有限元模型、受力结构简图、结果变形和应力云图

由图4c可见，在施加了441N力时，侧面定位机构最大位移出现在顶端部位，最大位移为0.50018mm，最大的等效应力集中出现在前面两个固定座与型材支架的连接处，最大等效应力为6.5761 MPa。由分析结果可以得到，在向侧面定位机构施加的挤压力超过441N时，它的变形量刚刚超过了0.5mm。固定座所用材料是Q235，其极限抗拉强度为375MPa，远大于其最大等效应力，满足强度的设计要求。

3 侧面定位机构优化

侧面定位机构所受的力可能会大于441N，这样就很难使其定位精度保持在±0.5mm以内，因此需要通过改变其结构来增强刚性。优化过程所采取的措施是:将铝型材材料换成方钢（Q235）材料，把两根侧面定位机构上端通过方钢焊接起来，把两个小的固定座合并成一个整体并且对加强筋的结构进行改变，以提高定位机构的刚性。图5为侧面定位机构优化前后的对比图。

图5 侧面定位机构优化前后对比

从图6可以看出，优化后的结构在承受了1337 N力后，才发生了0.5mm的变形量，所能承受的挤压力是优化前结构的3.03倍，最大的等效应力出现优化后的固定座和方钢支架连接处，大小为32.091 MPa，远小于其材料的屈服强度，适宜长期使用。图7为优化后的定位机构三维实体模型。

图6 优化后的侧面定位机构位移和应力云图

图7 优化后的定位机构三维实体模型

4 结束语

本文应用 SolidWorks替代 ANSYS Workbench对侧面定位机构进行三维建模，提高了工作效率，缩短了设计周期，通过软件接口将三维模型导入ANSYS Workbench，进行静力学的分析和计算，得到了侧面定位机构的结果变形云图和应力云图。基于分析和计算结果对其结构进行了优化，得到了优化后的结果变形云图和应力云图。优化后，定位机构的力学性能得到了增强，定位精度得到保证。

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