某电池包内部布置对挤压性能的影响与优化改进

彭和飘，贲立志，宋钰青

（柳州五菱汽车工业有限公司，广西 柳州 545007）

0 引言

随着能源的紧缺和汽车排气对环境污染问题的日益加剧，新能源汽车成为当今汽车领域研究的热点。安全、环保、节能型已成为当前汽车技术发展的方向。和其他交通工具一样，电动汽车必须综合考虑各部件的安全性及使用寿命。电池箱作为电池系统的重要部件，是保证系统安全的重要屏障。国标GB/T 31467.3-2015[1]电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统第三部分：安全性要求与测试方法及其第1 号修改单中给出了电池系统安全性测试的具体方法。据反馈电池包挤压测试经常会出现箱体失稳或严重变形导致的电池模组短路现象，从而引起电池包爆炸起火，是安全性测试中通过率较低的项目。而目前新能源汽车对电池包能量密度要求越来越高，电池包内部合理化布置，提高性能、空间利用率及电池包轻量化等势在必行。随着现代计算机技术和算方法的快速发展，基于有限元理论的CAE 分析技术在动力电池系统安全领域得到了广泛的应用与实践。如电池包在极限工况下的静力学分析、模态分析、振动冲击分析、疲劳耐久分析、挤压跌落碰撞分析等[2]。

本文针对某纯电动汽车电池包进行有限元分析模型搭建，通过对电池包模型的挤压仿真分析，发现其内部结构、集成电路控制器件、高低压线束布置等存在的相互挤压引起线路短接系统着火爆炸的风险，然后找出存在风险的原因进行元器件布置上的优化，在尽可能不影响电池包挤压力下，降低存在爆炸的风险。试验结果表明该优化方案的可行性，可为同类电池系统的安全设计提供有益参考。

1 电池包挤压分析

1.1 电池包挤压分析建模

在电池包设计的前期，设计者由于没有对相关试验数据进行性能摸底和对标，或没有考虑降低试验成本等因素，而对电池包前期设计数据进行有限元分析介入，就可以发现前期设计数据存在的风险，并进行优化改进。

利用前处理软件HyperMesh 进行电池包有限元模型搭建。电池包的钣金件用shell（壳）单元建模模拟，单元尺寸为5 ～7 mm，不同钣金件间的螺栓、烧焊连接通过rigid 命令建立RgdBody 连接模拟。电池包模组铸铝隔板及其长螺栓采用Solid（实体）单元建模模拟，单元尺寸为4～5 mm。焊点采用直径为6 mm 的Solid 单元进行模拟。电池模组采用实体单元模拟，电池包中薄壁塑料件也用shell（壳）单元模拟，而一些复杂的塑料件、卡扣、绝缘件等非金属件均做简化处理，后续通过add mass 进行有限元配重，使模型质量参数与实际质量参数基本一致。

电池包内部结构如图1 所示（电池包的上盖未显示）。电池包本体分为前后两个部分，后部主要安装用于安装电池模组，前部主要为基础电路控制器件、高压线束、低压线束（未建模，只建了低压线束的接头位置）及各种支架。

图1 电池包结构

1.2 电池包挤压工况边界条件加载

按照国标GB/T 31467.3-2015 的试验方法（本文仅针对X向加载）对电池包进行约束加载如图2 所示。挤压板半径75 mm 的半圆柱体，其长度为1 m，挤压板只留下X向平动自由度未约束，其他5 个自由度全部约束，挤压板沿着X向运动，运动速度为1.5 mm/ms，加载时间为33.34 ms。刚性挡板6 个自由度全部约束，不可发生任何的平动和转动。用LS-DYNA 求解器进行求解计算，输出挤压板与电池包的作用力、钣金件应变等。

图2 电池包约束加载示意图

2 分析结果存在的风险并确定改进工艺

2.1 分析结果存在的风险

根据国标GB/T 31467.3-2015 挤压试验要求：当挤压力到达100 kN 时，蓄电池包或系统无自燃、爆炸等现象。为确保电池包安全，在电池包设计时，一般要求其模组不能与周围金属件发生接触，线束不发生短路，控制模块间不发生相互挤压造成短路，电池箱主要承力部件在承受规定压力时不发生断裂失效等现象。

由图3 可以看出，当电池包被挤压变形量为43.9 mm 时，挤压板挤压作用力达到100 kN。为降低模组与周围金属件接触、控制模块间相互挤压短路风险，应该控制电池包被挤压变形量小于或等于40 mm[3]。性能指标项见表1。

图3 挤压板受电池包反作用力曲线

表1 电池包性能指标项

2.2 确定改进方案

首先，由于电池包内部存在电极短接及集成电路控制器相互挤压的风险，因此在尽可能不增加成本的原则下，充分利用电池包内部空间，分别对高压线束、集成电路控制器的布设进行合理调整，在挤压缩方向上重叠的零件进行错位处理与降低易损件的空间跨距，增加可变形空间，降低存挤压短路的风险。其次，通过电池箱结构的局部优化，提高承载力，降低钣金失效导致电池包挤压变形而进一步增加风险。

3 电池包改进分析及验证

3.1 仿真改进方案分析

3.1.1 高压线束布置改进方案

在电池包受加载挤压板X向挤压变形时，电源接口的负极受挤压向后移动无限靠近接线座的正极，且接线口处无绝缘材料保护，存在短接起火的风险。改进方案把接线座向+Y移动45 mm，如图4，降低挤压时正负极短接的风险。

图4 高压电源接口正负极接线柱布置改进方案（虚线为原状态）

3.1.2 集成电路控制器布置改进方案

在电池包受加载挤压板X向挤压变形时，由于原始状态BMS 主控模块与横向垂直面成一定夹角，降低了可压缩空间，增加了BMS 主从控模块间相互挤压作用力，从而提高了存在短路起火的风险。改进方案把BMS主控模块与横向垂直面平行且与电池箱内壁保持一定距离空间，增加电池包内部的可压缩空间，如图5，降低BMS 主从控模块间相互挤压作用力和存在短路起火的风险。且BMS 主控模块支架减重约0.09 kg（约25%）。

图5 BMS 主控模块布置改进方案（虚线为原状态）

3.1.3 电池包局部结构优化

在电池包挤压试验过程中，电池箱始终起到主要承受挤压板挤压力的部件。如果其本身存在失效断裂，那电池包将承受进一步的挤压直至挤压板的挤压力到达100 kN，而整个电池包被挤压变形量也将无法得到有效的控制，其内部模组、高低压线束、集成电路控制器件（主要指BMS 主从控制模块）的空间也将受到进一步的挤压，增大失效、短路着火爆炸的风险。所以，为了增加电池箱前部抗挤压能力，降低其失效断裂风险。如图6，在电池箱两侧增加一块方形（尺寸约为：40 mm×160 mm）的1.5 mm 厚金属板材（约增重0.15 kg）。

图6 增加加强板改进方案

3.2 优化方案仿真结果

由图7 可以看出，当改进方案电池包被挤压变形量为39.8 mm 时，挤压板挤压作用力达到100 kN，较原状态电池包被挤压变形量（43.9 mm）降低了4.1 mm，减小了电池包内部存在相互接触挤压造成着火爆炸的风险。改进方案的其他性能指标项见表2。

图7 挤压板受电池包反作用力方案对比曲线

表2 电池包改进方案的的性能指标项

3.3 试验验证

试制了改进方案的电池包样件，按照国标GB/T 31467.3-2015 挤压试验要求进行改进方案电池包试验。如图8，改进方案仿真结果与样件试验结果挤压板挤压力趋势基本一致，当挤压板挤压力达到100 kN 时，电池包的变形量为40.5 mm，与仿真值差别较小。如图9、10，仿真与试验电池包变形形式也基本一致。

图8 挤压板受电池包反作用力试验对比曲线

图9 仿真改进方案电池包挤压变形

试验结果：试验过程中无着火爆炸等现象，符合法规要求。试验结果与仿真结果一致性较好，同时也验证了改进方案的有效性。

图10 试验试制样件电池包挤压变形

4 结束语

通过对电池包的挤压仿真分析，发现电池包设计前期内部布置存在短路着火爆炸的风险及强度不足等问题。然后进行原因分析，提出改进思路，对电池包进行布置与结构优化，降低电池包挤压试验不合格的风险，为电池包内部集成电路控制器件、高低压线束等布置安全设计提供了参考。

通过试制样件试验，改进方案电池包挤压试验结果符合国家标准无着火爆炸等现象的要求。这证明了有限元CAE 模型仿真分析的有效性，减少了电池包的试验次数及成本，也缩短了电池包设计周期。