電動(dòng)車電池中的CAE應(yīng)用探討

　　1 前言

　　日本古河電池公司積極采用計(jì)算機(jī)輔助工程用于新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）用于電池開發(fā)設(shè)計(jì)是非常有效的方法。

　　將CAE用于電池開發(fā)設(shè)計(jì)的事例，其中含未發(fā)表的部分列于表1。CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)）適用于流體、鑄造、塑性加工等多種復(fù)雜的領(lǐng)域。本文介紹的是研討拓展CAE的適用范圍，將其用于可靠性高的固定型VRLA電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用事例，是有關(guān)為提高36V—VRLA電池的性能，采用CAE研究電槽形狀的實(shí)例報(bào)告。

　　2 事例（1）：固定型VRLA電池

　　2.1 分析的目的

　　固定型VRLA電池一般要求壽命性能在10年以上，特別是用于備用電源用途的電池，在使用期間必須確保電池性能。因此，這種類型的電池要求可靠性更高。眾所周知，備用電源用蓄電池長(zhǎng)時(shí)間的涓流充電，導(dǎo)致電池內(nèi)部正板柵逐漸氧化腐蝕，隨著氧化體積增大，極板本身膨脹變形。因此，在長(zhǎng)期使用期間，為了維持電池的性能，有必要將極板膨脹以某種形式吸收，避免電池槽變形及破碎的現(xiàn)象出現(xiàn)。電池內(nèi)部吸收時(shí)也能引起匯流排變形、破損，難以維持電池性能。

　　在設(shè)計(jì)VRLA電池時(shí)，重要之處是對(duì)使用期間可預(yù)測(cè)到的問題進(jìn)行定量預(yù)測(cè)、采取對(duì)策。在此研討了采取CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）設(shè)計(jì)對(duì)電池強(qiáng)度進(jìn)行分析，試圖預(yù)測(cè)使用中有可能出現(xiàn)的現(xiàn)象，要求進(jìn)一步地提高電池的可靠性。

　　2.2 分析方法

　　經(jīng)分析的VRLA電池有限影響要素模式示于圖1。正極群進(jìn)行了3層次模型化分析。模型化分析后進(jìn)行裝槽。板極膨脹是依據(jù)極板的膨脹率給與假定的溫度，通過熱膨脹表現(xiàn)極板的膨脹。分析是基于有限影響要素的分析程序。

　　分析所用的物性數(shù)據(jù)是采用圖2所示的各種實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，測(cè)定了構(gòu)成電池各部位材料的強(qiáng)度。

　　2.3 分析結(jié)果

　　極群膨脹時(shí)的電池與電池內(nèi)極群的應(yīng)力分布示于圖3。應(yīng)力是集中在極柱樹脂封口部分和與此接近的電池槽、蓋部分。采用計(jì)算機(jī)模擬的變形、應(yīng)力的分布與使用實(shí)物電池的變形、破壞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比示于圖4。

　　模擬模型是使電池內(nèi)部的極群強(qiáng)制地向上方移位，觀測(cè)達(dá)到電池被破壞程度時(shí)的狀態(tài)，兩者的變形過程一致。并確認(rèn)在應(yīng)力高的部位出現(xiàn)電池槽白化，發(fā)生了破壞，從而確認(rèn)了計(jì)算機(jī)模擬的有效性。

　　從計(jì)算機(jī)模擬、模型驗(yàn)證的結(jié)果看，當(dāng)設(shè)定極板的最大膨脹率超過5 %時(shí)，電池槽仍然完好，從而確認(rèn)了這個(gè)電池的安全性能。

　　2.4 提高可靠性能

　　降低電池槽應(yīng)力的試驗(yàn)，極板腳從2只削減為1只后的試驗(yàn)效果示于圖5、圖6。對(duì)比分析結(jié)果時(shí)，極板腳為一只，電池槽的最大應(yīng)力削減了40%，并進(jìn)一步提高了可靠性能。

　　削減電池內(nèi)部匯流排應(yīng)力的試驗(yàn)，研究匯流排的形態(tài)（形狀）。根據(jù)傳統(tǒng)的形狀和極柱附近寬幅的新形狀求出應(yīng)力分布，其結(jié)果示于圖7。匯流排長(zhǎng)方向應(yīng)力狀態(tài)的對(duì)比示于圖8。兩者的對(duì)比結(jié)果是易引起破損的箭頭部分，最大可削減50%，這樣有效地提高了可靠性能。

　　3 事例（2）：36V—VRLA電池

　　3.1 分析的目的

　　36V—VRLA電池（以下簡(jiǎn)稱36V電池），從其使用條件來講對(duì)電池性能的要求很高。眾所周知，高倍率放電性能是極板與隔板以及極群的壓力（以下稱群壓）有著相互依存的關(guān)系，但是象36V多格整體槽結(jié)構(gòu)的電池，群壓根據(jù)單格的位置而變化，單格性能存在差異。其結(jié)果是性能不佳的單格將左右整體電池的性能。在此通過使用CAE計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)對(duì)36V電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可以定量的把握電池結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響，同時(shí)可以得到為了提高電池性能的更廣范圍的認(rèn)知。

　　3.2 分析方法

　　分析所用36V電池的有限影響要素模型示于圖9。圖中根據(jù)對(duì)稱條件對(duì)整體電池的1/8進(jìn)行了3層次模擬試驗(yàn)，電池槽內(nèi)插入了由極板和隔板構(gòu)成的極群模型。實(shí)際的電池是在極群以壓縮的狀態(tài)插入電池槽內(nèi)，極群組通常處于群壓狀態(tài)下。分析模型時(shí)為了施加群壓，極板部分比實(shí)際采用的要薄，使極板部分膨脹（假定的熱膨脹），使其達(dá)到所定的極板厚度，因此電池槽內(nèi)極群通常為群壓狀態(tài)。

　　分析應(yīng)用的極群的物理特性，通過實(shí)際極群的壓縮試驗(yàn)獲得。

　　3.3 分析結(jié)果

　　初期狀態(tài)（極群插入電槽狀態(tài)）電池槽應(yīng)力的分布示于圖10。由于群電池槽膨脹變形，應(yīng)力多半集中在棱角部位。極群從初期狀態(tài)到膨脹時(shí)的電池槽變形量的變化示于圖11。隨著膨脹率的增加，變形量也逐漸加大，當(dāng)膨脹率超過20 %時(shí)，變形量急劇增大。這是因?yàn)榕蛎浡试谛〉姆秶鷥?nèi)，可通過隔板的壓縮來平衡膨脹。但是當(dāng)膨脹率接近20 %時(shí)，隔板變得無彈性，極板的剛性增加，對(duì)電池槽側(cè)面受膨脹的影響原原本本表現(xiàn)出來。

　　不同位置單格的變形量示于圖12。兩端的第1、第9單格比其他單格的變形大，特別是膨脹率在20 %以下范圍時(shí)電池整體的變形90 %以上都集中在第1、第9單格的部位。極群與電池槽內(nèi)壁之間的壓力分布示于圖13，各單格求得的壓力值分別示于圖14。由圖可以看出邊格與其他格相比壓力小。

　　實(shí)測(cè)36V電池高倍率放電試驗(yàn)，測(cè)定各單格放電電壓的結(jié)果示于圖15。圖14與圖15的內(nèi)容走向基本一致，放電性能與群壓密不可分。

　　3.4 電池槽結(jié)構(gòu)的研討

　　改變電池槽短則面筋條形狀時(shí)的電池槽變形量示于圖16。變形量的對(duì)比，橫向筋條的變形小，其原因是單格形狀為立式，短側(cè)面向外膨脹時(shí)橫向筋條的曲率比豎向大，因此橫向的筋條效果明顯。

　　4  小結(jié)

　　通過實(shí)踐可以確認(rèn)，采用CAE計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品，在研發(fā)電池方面非常有效，不僅可縮短開發(fā)周期，而且還可以降低成本。