基于有限元分析仿真的锂原电池结构优化方法

马晨翔，许曼佳，马亚明，孙 茹，王莹澈

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065；2.机电动态国家重点实验室， 陕西 西安710065；3.西北工业集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

近年来，随着武器装备的快速发展，其对能源的需求也与日俱增，传统电池的能量密度与功率密度已经逐渐无法满足要求[1-2]。锂原电池具有输出功率大、能量密度高的优势，是具有巨大潜力的下一代特种电能源[3-5]。然而，军用苛刻环境下工作可靠性降低的问题限制了其进一步应用[6-7]。

目前，以色列塔迪兰公司(Tadiran)高能锂电池技术处于领先地位[8]。2019年，该公司在原有技术基础上，提升了电池性能，贮存期超过20年，抗过载达到50 000g，转速达到30 000 r/min，并满足美军标和欧盟标准[9]。国内对锂原电池在苛刻环境下工作可靠性研究还比较少。

因此，本文针对锂原电池军用苛刻环境下可靠工作的需求，提出基于有限元分析(ABAQUS)仿真的锂原电池结构优化方法。

1 锂原电池组结构设计

军用苛刻环境包括高过载、高转速强冲击环境力学条件[10-11]，锂原电池承受不低于18 000g的过载，同时承受20 000 r/min的旋转离心力，电池结构的设计是关键技术，通过对电池抗冲击结构方案的力学仿真、结构布局、薄弱环节改进设计、关键部件结构设计、缓冲灌封及全密封工艺等，以实现抗冲击过载性能要求，并通过模拟环境条件测试进行验证。

锂原电池组初步结构如图1所示，由壳体、外盖体及内部单体电池、支撑结构件等组成。

图1 锂原电池组初步结构示意图
Fig.1 Preliminary structure of lithium primary battery pack

在初步结构方案的基础上，通过受力分析，对预设计结构优化设计，将预设计的支撑体与外壳体组合设计成优化后的壳体，将预设计的支盖体和隔离垫组合设计成优化后的盖体，减少零件数、装配环节，仍保留预设计的微孔介质填充，提高整体抗冲击过载能力，优化后结构如图2所示。

图2 锂原电池组结构优化结构图Fig.2 Structure optimization of lithium primary battery pack

2 基于ABAQUS仿真的锂原电池结构优化方法

2.1 受力分析

根据典型引信工作环境数据，引信电源过载曲线简化如图3所示。在发射后0～0.6 ms过载值升至18 000g，在18 000g高过载条件下持续1 ms后过载开始下降，下降阶段分为骤降阶段与缓降阶段。骤降阶段持续0.8 ms，过载值由18 000g降至6 000g；缓降阶段持续5.6 ms，过载值降为0。

图3 载荷随时间分布Fig.3 Load distribution with time

锂原电池组在整电池中分布均匀，而且电池在引信中按轴对称中心，取其中任一个单体电池进行受力分析，单体电池简化成整体，看作均匀质量体，主要受到后坐力F、壳体底部支撑力N、及离心力W作用，其示意图如图4。

图4 锂原电池单体电池受力示意图Fig.4 Stress analysis of single lithium primary battery

2.2 仿真分析

对偏置单体电池采用ABAQUS创建部件计算了典型环境下时，各部件的应力随时间的变化。

创建载荷之后的模型如图5所示，网格划分如图6所示，电池整体等效应力云图如图7所示。

图5 创建载荷Fig.5 Creating loads

图6 划分网格后的电池模型Fig.6 Battery model after meshing

图7 电池整体等效应力云图Fig.7 Equivalent stress nephogram of battery

图8 不同时间壳体等效应力云图Fig.8 Equivalent stress nephogram of battery container under different time

图9 不同时间绝缘子等效应力云图Fig.9 Equivalent stress nephogram of battery insulator under different time

图10 不同时间盖体等效应力云图Fig.10 Equivalent stress nephogram of battery cover under different time

通过对图8—图10的仿真结果判定和分析认为，在冲击和旋转的环境下，电池整体模型有明显的应力波传播。在0.6～1.6 ms，载荷为18 000g，该阶段玻璃绝缘子中存在明显的应力集中，此区域受力较大，应力集中会降低该部件的强度。铝极柱下部受的应力大于上部，铝极柱下部属于薄弱环节。

2.3 结构优化及改进

从上节仿真结果分析来看，锂原电池组初设计盖体结构图受到过载冲击和高速旋转的持续作用力，其薄弱部分在玻璃绝缘子的强度和密封性，而绝缘子是依靠烧结工艺实现盖体，初步设计结构如图11(a)，主要改进绝缘子与盖体的接触面积，同时加大与T头极柱的结合力，同时考虑极耳的焊接面积，第一次优化，通过在盖体凹面位置增加凸起，增大了烧结面积，增强薄弱环节的抗冲击强度，同时改进了极耳的焊接面积，达到增加薄弱环节的抗冲击强度的目的和改善焊接工艺的目的，如图11(b)。通过试验验证，考虑到电池主要受正轴向冲击，进行第二次优化，在保持优化后结构尺寸不变的基础上，增加玻璃绝缘子与极柱的接触面积，同时，改变极柱的支撑状态，更有利于承受正轴向过载冲击，如图11(c)所示，虽然极耳的焊接面积有所减小，但相对于初步设计的面积增加，满足焊接牢固性。

通过仿真计算，单体电池薄弱环节优化后结构如图12所示。

图11 盖体结构图Fig.11 Cover structure

图12 高比功率锂原电池结构优化图Fig.12 Structure optimization of high specific power lithium primary battery

优化结构经过多次测试，具备较好的结构强度。另外，通过实验室模拟测试，反馈到结构上，对锂原电池结构再次进行了优化，利用中心部分非功能体积，用于排布电池引出线，节省了排线空间，增加了实用性。

3 实验室典型环境模拟试验测试及验证

3.1 锤击试验

锂原电池组按WJ233—1977(2010)《锤击试验机》标准，在马歇特锤击试验机进行了23齿抗过载摸底测试，过载50 000g、0.2 ms，测试电压数据见表1。由表1数据可以看出，成组电池在锤击试验后带负载放电正常。

表1 锂原电池组锤击试验电压数据Tab. 1 Voltage data of lithium primary battery pack after hammering test

3.2 旋转试验

锂原电池成组耐旋转测试试验在高速离心机上进行测试，采用接触式测试方法，引出线外接电子负载，负载电流设置1 A，测试电压数据见表2。

表2 锂原电池组高速旋转电压数据表Tab.2 Voltage data of lithium primary battery pack under high speed rotating

由表2可看出，高比功率锂原电池具有耐高速旋转的能力。

3.3 旋转+过载模拟试验验证

锂原电池组在双环境力条件下内接15 W、14 Ω负载，采用内置模块测试，测试的曲线如图13。图中数据显示锂原电池组在双环境力模拟测试环境下正常持续工作。

图13 锂原电池成组双环境力放电电压曲线Fig.13 Discharge voltage curve of lithium primary battery group under double environmental forces

4 结论

本文提出基于ABAQUS仿真的锂原电池结构优化方法。该方法通过ABAQUS冲击仿真软件，对初步设计的锂原电池结构进行仿真分析，找出设计的薄弱环节，再结合试验验证，对薄弱环节改设计、关键部件结构优化设计以实现苛刻环境下的使用要求。仿真以及试验测试结果表明，设计出的锂原电池组体积ø 40 mm×30 mm，先后在实验室进行锤击试验、旋转试验、双环境力模拟测试，可实现苛刻环境下正常工作，验证了设计的有效性。