基于ANSYS的单面粘结悬挂锂离子电池组的应力分析

田雯 沈川杰 葛伟 李克锋 葛文罡 杨志云

摘  要：锂离子电池组结构件重量占比偏大往往是造成锂离子电池模组的比能量低下的重要原因之一。目前，常用的锂离子电池组结构包括箱体式、拉杆式或者夹板式，电池组成组结构件比重在10%～30%之间，然而某锂离子电池组要求结构件比重小于5%。文章对结构件进行了超大幅度的减重，采用单面粘结悬挂固定锂离子电池堆的方法将电池堆固定在近似圆形且镂空的面板上，使得整体结构件比重达到3.5～4.5%。针对该种结构，文章基于ANSYS对电池组内部应力进行了分析，结果表明该锂離子电池组的结构设计虽然特殊，但其内部各个环节的应力安全系数较大，同样具有高的可靠性。

关键词：锂离子电池;粘结悬挂;ANSYS;应力分析

中图分类号：TM912        文献标志码：A              文章编号：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

随着科学技术的发展，锂离子电池的应用范围越来越广泛。用户对锂离子电池模组的比能量要求越来越高。然而模组结构件重量占比偏大往往是造成锂离子电池模组的比能量低下的重要原因之一。目前，常用的锂离子电池组结构包括箱体式、拉杆式或者夹板式，一般电池组结构件比重在10%～30%之间，然而某锂离子电池组要求其结构件比重小于5%。本文对结构件进行了超大幅度的减重，采用单面粘接悬挂固定锂离子电池堆的方法将电池堆固定在近似圆形且镂空的面板上，使得整体结构件比重达到3.5～4.5%[1]。该设计具有重量轻，比能量高的特点，然而同时也带来了结构强度不足的风险。本文针对该种特殊结构进行了简化，并基于ANSYS对电池组内部应力进行力学仿真，以确定该特殊结构强度是否足够可靠。

2 电池组设计与制造[1]

单面粘结悬挂锂离子电池组设计如图1所示，主体采用硅橡胶GD-414对铝合金板2A12-T4、环氧板3240、电池堆等粘结而成，其中，铝合金板为承力结构主体，环氧板为绝缘隔离体，电池堆为供电主体。锂离子电池组采用硅橡胶均匀涂覆在铝合金板平面上，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，采用硅橡胶均匀涂覆在环氧板上，涂覆面密度为25g/m2～50g/m2，控制有效粘接面积占比不小于30%。将铝合金板与环氧板的涂胶面对接固定，施加压力并保持12h以上固化粘结完成。环氧板另一面均匀涂覆硅橡胶，涂覆面密度25g/m2～50g/m2，在电池堆的镍片上均匀表面涂覆硅橡胶，涂覆面密度为75g/m2～150g/m2;将铝合金板和环氧板的组合体平放且涂胶面向上，将电池堆涂胶面向下放置到环氧板上，调整位置使电池堆到达预定位置，对每个单体电池单独施加20N～100N的压力，控制有效粘接单体电池占比不小于30%，锂离子电池组的组合体固化7天以上即可应用。

3 模型简化、设置及网格划分

将单面粘结悬挂锂离子电池组中的电池堆进行简化和网格划分，结果如图2所示。电池组受力支撑点位于底部，整体受到向下的重力，本文仿真按照1.0g的加速度值进行仿真和讨论，同时将电池堆的弹性模量设置为7.8MPa，确保其具有较好的柔性，可以模拟单体电池的粘结关系。

4 仿真结果及分析

通过ANSYS进行仿真，结果如图3所示，图3（A）为总体外形变云图，图3（B）为铝合金板应力云图，图3（C）为环氧板应力云图，图3（D）为电池堆应力云图。

从图3（A）可以看到，电池组形变量非常小，主要发生在电池堆上，整体主要形变为弯曲的弹性形变，该形变方向导致整体在垂直方向自动建立了弹性的减震结构;从图3（B）可以看到，铝合金板应力最大点集中在底部的两侧位置，约为29.8MPa，铝合金板的拉伸强度为275MPa[2]，因此，铝合金板的安全系数为9.2;从图3（C）可以看到，环氧板最大应力为3.98MPa，而环氧板的拉伸强度为216MPa[3]，因此环氧板的安全系数为54.2;从图3（D）可以看到，电池堆最大受力点位于底部，最大应力值为0.00371MPa，按照有效面积30%计算，实际内部应力约为0.01238MPa，而GD-414硅橡胶的剪切强度为1.5MPa[4]，因此电池堆的粘结安全系数为121.2;环氧板与铝合金板之间的采用硅橡胶粘结，硅橡胶粘接层较为柔软，受力相对均匀，按照镂空比例40%和有效面积30%计算，环氧板与铝合金板之间硅橡胶的最大应力为0.03094MPa，此时环氧板与铝合金板的粘结安全系数为48。

5 结论

本文基于ANSYS对单面粘结悬挂锂离子电池组的内部应力进行了分析，结果表明该锂离子电池组的结构设计虽然特殊，结构件占比仅为3.5～4.5，而其内部各个部分应力的安全系数较大，因此该特殊结构具有非常高的可靠性。

参考文献：

[1]沈川杰，李克锋，等.一种水下装置用轻量化锂离子电池模组及制造方法[P].中国：201910555668.5.2019-06-25.

[2]孙玉福，等.实用工程材料手册[M].北京：机械工程出版社，2014：443.

[3]华国强，等.非金属材料手册[M].中国航天集团第八研究院，2002：247.

[4]成钢，李尧.航天用RTVGD414硫化性能研究[J].真空与低温，2013，19（01）：50～55.