磷酸鐵鋰軟包電池模組碰撞擠壓安全性實驗

魯恒飛，朱世淋，田曉薇，何 帆

(合肥國軒高科動力能源有限公司，安徽合肥 230066)

電池模組作為電動汽車電池系統(tǒng)的能量輸出最小單元，其安全性對電動汽車的安全性起到至關(guān)重要的作用，最近搭載比亞迪刀片電池系統(tǒng)的電動車在正面碰撞后出現(xiàn)了起火的情況也進一步證實了對電池模組正向碰撞(正向擠壓)進行安全性研究的必要性和緊迫性。

為了保證電動汽車在發(fā)生碰撞等意外情形下的安全性，相關(guān)國標(biāo)和企標(biāo)等均對電池模組抗擠壓性能提出了要求。國內(nèi)外專家學(xué)者對電芯和模組的擠壓失效機理、形式、實驗設(shè)置等均進行了相關(guān)研究。WANG 等[1]采用漸進式壓痕實驗，系統(tǒng)地研究了鋰離子電池的機械變形過程，發(fā)現(xiàn)電池短路與電芯厚度變化相關(guān)；康華平等[2]對鋰離子電池模組設(shè)計了一系列碰撞擠壓實驗，發(fā)現(xiàn)電池模組在碰撞工況下的力學(xué)特效及安全性具有方向性；胡海濤等[3]研究了不同碰撞工況對電動汽車動力電池的損傷影響，提出了一種有利于輕量化的電池防護設(shè)計方法。

某汽車集團也對其搭載在其電池系統(tǒng)中的電池模組提出了擠壓安全性的要求。其中最為嚴(yán)苛的長度方向擠壓要求是“擠壓頭沿著電池模組長度擠壓模組端板，滿足120 kN擠壓力或15%形變情況下電池模組不起火不爆炸”。該擠壓要求主要是模擬電動汽車發(fā)生碰撞時內(nèi)部電池模組受到正向擠壓的情況。

對于軟包電池模組來說，模組長度方向是電芯極耳伸出的方向，極耳部位受到擠壓后易引發(fā)電池模組外部短路及電芯內(nèi)部短路，從而導(dǎo)致電池或整個模組起火失效。

國軒高科軟包模組項目團隊針對磷酸鐵鋰軟包電池模組抗擠壓性能，提出改進電池模組結(jié)構(gòu)件材料強度等級、優(yōu)化端板結(jié)構(gòu)設(shè)計等方法，并對采用上述改進方法的電池模組進行抗擠壓性實驗。

1 研究對象

由于整車對電池系統(tǒng)提出了輕量化要求，磷酸鐵鋰軟包電池模組也需滿足總體輕量化要求。磷酸鐵鋰軟包電芯安全性較好，能量密度相對較低?？蛻魧τ诹姿徼F鋰電池系統(tǒng)的能量密度要求并不比三元電池系統(tǒng)的要求低多少，因此磷酸鐵鋰電池模組的輕量化設(shè)計更為重要。

圖1 是一款磷酸鐵鋰軟包電池模組外形示意圖，模組由國軒高科軟包模組團隊進行了輕量化設(shè)計。

圖1 一款軟包電池模組外形示意圖[4]

該模組結(jié)構(gòu)件主要部件包括模組上蓋板、模組下蓋板、前端板和后端板。模組上、下蓋板及前、后端板采用激光焊接[4]。

模組還有前后絕緣罩、上保護板(有采集模組電壓和溫度的電路)，它們一起與電芯構(gòu)成電芯總成。圖2 是一款典型的軟包電池模組內(nèi)部結(jié)構(gòu)分解示意圖[5]。

圖2 軟包電池模組分解示意圖[5]

由于輕量化的要求，該軟包電池模組的上、下蓋板及前、后端板相比于同尺寸的三元軟包電池模組均作了較大的減重設(shè)計，相比于同尺寸規(guī)格的三元軟包電池模組，上下蓋板結(jié)構(gòu)件質(zhì)量減少30%～40%。前后端板質(zhì)量減少40%～50%。結(jié)構(gòu)件減重后，結(jié)構(gòu)強度會降低，會影響電池模組抗碰撞擠壓的性能。

2 實驗

圖3 是電池模組進行擠壓實驗的示意圖。實驗用模組擠壓方向的長度590 mm。

圖3 電池模組正向擠壓實驗示意圖

進行實驗時，電池模組置于水平臺上，且另一端抵住鋼板墻壁，由直徑150 mm 的擠壓頭沿著模組長度方向朝著模組前端板進行擠壓(模擬電池模組的正向擠壓碰撞)，實驗通過的判定條件是擠壓過程中擠壓力達到120 kN 或電池模組形變達到15%的情況下電池模組不起火不爆炸，執(zhí)行的參照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是PV 8550《EN 模組測試》。

3 分析及優(yōu)化

通過CAD 機械性能仿真軟件對該軟包電池模組數(shù)模進行材料性能設(shè)定、網(wǎng)格建立、施加載荷來模擬正向擠壓條件，運行模擬擠壓過程，計算出電池模組特別是端板的應(yīng)力、應(yīng)變曲線[6]。

擠壓過程中形變接近10%～15%的，屬于非線性變形?，F(xiàn)有CAE 仿真分析軟件在非線性大形變仿真時存在仿真計算精度不滿足要求的情況。

為了規(guī)避此問題，首先構(gòu)建包含模組上、下蓋板和前、后端板(內(nèi)部無電芯等部件)的電池模組外框，利用CAE 仿真軟件對其進行正向擠壓效果分析。同時對焊接好電池模組外框進行正向擠壓實驗。把仿真分析結(jié)果和實際實驗結(jié)果進行數(shù)值標(biāo)定，從而獲得較高仿真分析精度。

根據(jù)輕量化要求，選擇比強度相對較高的鋁合金作為模組上、下蓋板和端板的材質(zhì)。材料拉伸強度、屈服強度和斷裂延伸率等數(shù)據(jù)見表1。

表1 模組上下蓋板、端板力學(xué)性能

4 實驗結(jié)果

4.1 第一次實驗

4.1.1 實驗

滿足輕量化設(shè)計要求的磷酸鐵鋰電池模組在第一次正向擠壓實驗過程中，擠壓力達到120 kN，擠壓模組形變超過70 mm，擠壓頭撤出電池模組過程中，電池模組起火失效。圖4 是第一次實驗擠壓力與形變曲線。

圖4 第一次正向擠壓實驗擠壓力與形變曲線

4.1.2 分析

實驗完成時，模組端板和上、下蓋板均未斷裂，第一次擠壓力峰值49 kN。前端板強度不足，需對前端板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與加強。

4.1.3 前端板設(shè)計優(yōu)化

第一次實驗雖未通過，但距離成功僅一步之遙。對前端板加強后，應(yīng)能使擠壓形變減小。前端板整體加強措施有：前端板主體厚度由5 mm 加厚到8 mm，取消四個排氣孔，兩個引出端增大過渡圓角，結(jié)構(gòu)補強。圖5 是加厚之后前端板。

圖5 加厚的前端板結(jié)構(gòu)示意圖

4.2 第二次實驗

4.2.1 實驗

端板加厚磷酸鐵鋰電池模組第二次正向擠壓實驗擠壓力和形變曲線見圖6。

圖6 第二次正向擠壓實驗擠壓力和形變曲線

第二次實驗結(jié)果，擠壓力達到120 kN 時，電池模組變形量55 mm。撤出擠壓頭，靜置1 h 未發(fā)生起火等現(xiàn)象，實驗通過。

根據(jù)實驗結(jié)果，電池模組變形55 mm，與第一次實驗發(fā)生內(nèi)部短路時變形(70 mm)相比，有15 mm 形變余量，據(jù)此可對加厚端板作出適當(dāng)減薄和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4.2.2 對加厚端板優(yōu)化

對在正向擠壓時前端板內(nèi)部應(yīng)力水平相對低區(qū)域(端板內(nèi)部兩側(cè))做減薄處理(減薄5 mm)；主體厚度、增大的過渡圓角等均維持不變，如圖7 所示。

圖7 加厚前端板結(jié)構(gòu)減薄位置示意圖

4.3 第三次實驗

4.3.1 實驗

第一步，加厚端板優(yōu)化后與模組上下蓋板焊接成空框，進行擠壓測試。將測試結(jié)果與加厚端板空框擠壓測試結(jié)果進行分析比對。

第二步，用優(yōu)化的加厚端板組裝磷酸鐵鋰軟包電池模組，再按照正向擠壓實驗條件按做擠壓實驗。

4.3.2 結(jié)果

第3 次擠壓實驗擠壓力與形變曲線見圖8。

圖8 第三次正向擠壓實驗擠壓力和形變曲線

從圖中可以看到，120 kN 擠壓力下，電池模組變形量約為62 mm。前端板進行優(yōu)化減薄，質(zhì)量輕了140 g。

三次實驗數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 三次正向擠壓實驗數(shù)據(jù)對比

5 結(jié)語

國軒高科開發(fā)的一款磷酸鐵鋰軟包電池模組，按照某汽車集團客戶測試手冊要求，進行各項安全實驗。在第一次正向擠壓實驗中，發(fā)生了滿足實驗截止條件后電池模組起火失效的情況，參照實驗條件，進行有限元分析及空框?qū)嵨飻D壓，提出電池模組前端板加厚的技術(shù)措施，第二次正向擠壓實驗通過，具備較大安全邊界余量。

為實現(xiàn)電池模組輕量化，對加厚端板深度優(yōu)化，對擠壓時應(yīng)力變化較小區(qū)域(端板內(nèi)部兩側(cè))做減薄處理，并將深度優(yōu)化的結(jié)構(gòu)做有限元仿真分析和空框?qū)嶓w擠壓實驗，確定最終的前端版優(yōu)化方案，第三次擠壓實驗順利通過。

對磷酸鐵鋰軟包電池模組碰撞擠壓安全性實驗取得的數(shù)據(jù)，可用于磷酸鐵鋰軟包電池模組批量化生產(chǎn)。