填充電池組的耐撞安全性

胡玲玲，陳圣儒，張子文,2，周名哲，趙昕

（1. 中山大學 航空航天學院，廣東 廣州 510275；2. 中汽研汽車檢驗中心（廣州）有限公司，廣東 廣州 511340）

鋰電池作為一種被廣泛運用于社會生產(chǎn)活動中的能量電池，其安全性一直是研究的熱點[1]. 相關研究表明，機械濫用是在交通事故中鋰電池發(fā)生短路的重要原因之一[2]. 已有許多關于電池機械濫用的研究，王震坡等[3]評價了純電動客車在側(cè)碰撞時其電池包的安全性. 在實際使用過程中，鋰離子電池往往是以電池組的形式進行裝配，其受力比單體電池更為復雜，因此有必要提出針對電池組的保護方法.

目前已經(jīng)有了一些關于電池組的研究，LIU 等[4]用數(shù)值模擬研究了電池組在不同排列方式下的能量密度，分析出了電池組最高能量密度的排列方式.HU 等[5]利用應力波理論解釋了沖擊荷載下電池組的破壞過程. 李向梅等[6?7]研究了阻燃材料在相互接觸的電池中的使用. NGUYEN 等[8]將空心圓管插入圓柱電池組以提高其力學安全性，但填充后的電池組能量密度降低了35%，為彌補該弊端，將電池組的放置區(qū)域擴展到汽車的二級安全區(qū). 隨著對汽車續(xù)航里程的要求，有必要在盡可能不降低電池組能量密度的前提下嘗試提高電池組的耐撞安全性.

文中通過在圓柱電池組間隙中填充ABS 樹脂材料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物），在保證電池組能量密度變化不大的前提下，通過實驗和數(shù)值模擬對比了ABS 填充電池組與無填充電池組在沖擊荷載下的電池安全性. 進一步使用金屬泡沫作為填充材料進行優(yōu)化，并通過數(shù)值模擬研究了采用不同密度的泡沫金屬填充對電池組耐撞安全性的影響，對填充電池組的安全防護機理進行了討論. 研究對電池組耐撞安全性的提升具有重要意義.

1 實驗

1.1 電池組及填充材料試樣

文中使用的電池是松下生產(chǎn)的18 650 圓柱形鋰離子電池，電池截面為直徑18 mm 的圓形，長度為65 mm. 該電池由外殼和電芯組成，外殼主要用于包裝電池且承受一定的荷載. 電芯是電池中用來儲能的部件，由正負極集流體、正負極活性材料和隔膜組成. 實驗前采用放電速率為1C 的恒流放電方式，將電池組內(nèi)每節(jié)電池都放電至截止電壓2.7 V（即SOC為 0）處，以保證實驗人員的安全. 如圖1(a) 所示，文中取23 節(jié)電池密排成5 排作為代表進行研究. 為了探究采用填充材料對電池組安全性的提升效果，文中還設計了采用ABS 樹脂作為填充材料的電池組，填充材料采用3D 打印技術制成所需結(jié)構(gòu)，如圖1(b)所示，其整體是一個長方體，內(nèi)部按電池的排列位置預留了23 個直徑18 mm 的通孔，相鄰孔之間的最小縫隙為1 mm. 填充后填充電池組的整體結(jié)構(gòu)如圖 1(c)所示. 無填充電池組能量密度為1.97 J/mm3，而ABS 填充電池組能量密度為1.78 J/mm3，能量密度僅減少了9.6%.

圖1 電池組樣品圖Fig. 1 Photographs of battery packs

1.2 加載裝置及測量儀器

實驗裝置如圖2 所示，加載儀器采用的是Coesfeld Magnus 2000 落錘沖擊試驗機，通過改變落錘的重量、下落高度和附加彈簧壓縮量來獲得不同的沖擊工況：無填充電池組的沖擊工況為M=4.77 kg、V=4.65 m/s，其中M和V分別代表落錘的重量和沖擊速度；填充電池組的沖擊工況為M=10.28 kg、V=11.8 m/s.電池組所受的沖擊力由位于沖擊頭上的力傳感器采集. 在電池正負極焊接上鎳片和細導線，連接至VHDCI 連接器，利用Keysight U2300A 系列多通道數(shù)據(jù)采集儀獲取連接器的電壓信號以完成對沖擊前后電池組電壓變化的監(jiān)測，并在沖擊后三天內(nèi)跟蹤電池電壓，以更加準確地判斷電池是否損壞. 沖擊過程中用高速攝像拍攝電池組的變形. 定制的夾具由活塞和缸體兩部分組成，用來在沖擊過程中固定電池組.電池組放置于夾具的缸體內(nèi)，活塞可在缸體內(nèi)上下滑動.

圖2 電池組沖擊實驗裝置示意圖Fig. 2 The diagram of impact experimental device for battery packs

1.3 實驗結(jié)果分析

落錘試驗機沖擊頭上的力傳感器采集的原始力-時間曲線如圖3(a)和圖3(b)所示，可以發(fā)現(xiàn)兩組電池組的沖擊過程都分為兩個階段. 第一階段開始時力隨著沖擊時間快速上升，而后又快速下降，形成一個持續(xù)時間較短的峰，該階段對應落錘開始接觸到活塞的瞬間，活塞在很短的時間內(nèi)從靜止變?yōu)榕c落錘共速；第二階段的波峰持續(xù)時間較長，主要對應電池組的加速和變形. 沖擊時落錘沖頭作用于夾具活塞上端，活塞受到?jīng)_擊后作用于電池組. 整個過程中，活塞產(chǎn)生了巨大的慣性力，要獲得電池組實際所受的力需要考慮活塞產(chǎn)生的慣性力的影響. 定義向下的加速度和力為正，根據(jù)達朗貝爾原理有：

圖3 電池組實驗結(jié)果Fig. 3 Experiment results of battery packs

式中:FB為 電池組實際所受的力；FH為落錘沖頭所受的力，由力傳感器測量得到；mP和aP分別為活塞的質(zhì)量和加速度. 通過高速攝像機可以計算出活塞在沖擊過程中的位移，二次求導后算得其加速度.

無填充電池組實際所受的力-時間曲線如圖3(c)所示， 由于第一階段持續(xù)時間較短，高速攝像機精度有限，慣性力在這一階段的計算不夠準確；但在第一階段電池組僅僅剛剛受載，不作為分析的重點. 電池組變形主要發(fā)生在第二階段，該階段電池組的變形過程如圖3(c)所示. 圖3(c)中的(①～③)實線為電池當前位置，虛線為電池初始位置. 剛開始，僅有第一排的電池受到?jīng)_擊的影響發(fā)生變形，隨著時間推移其他排電池才開始變形，這說明電池組的變形過程受電池自身慣性作用的影響而具有時序性，宏觀表現(xiàn)類似應力波從沖擊端向遠端傳播. 圖3(c)④時電池組壓縮位移達到最大，此時已經(jīng)有電池出現(xiàn)明顯的變形. 活塞會在最大位移處速度減為零，而后反向加速發(fā)生反彈. 圖3(c)⑤時反彈結(jié)束，活塞離開電池組.

圖3(d)為ABS 填充電池組實際所受的力-時間曲線. 與無填充電池組對比，變形從首排傳遞至底排時（圖3(d)(②～③)）無填充電池組所需時間為0.6 ms，而ABS 填充電池組所需時間為0.2 ms. 填充電池組變形比無填充電池組更快傳遞到底部，這是由于填充物提升了電池組的模量和剛度，使得波速增加. 變形傳遞至底部后電池組才開始整體受載，而波速的增加可以使電池組內(nèi)其余排電池更早參與承載和吸收能量，減少電池發(fā)生局部破壞的可能性. 當電池組壓縮位移達到最大時（圖3(d)④），相比無填充電池組，ABS 填充電池組內(nèi)電池的變形仍然不明顯，說明填充材料有效抑制了電池組內(nèi)電池的變形.

兩種電池組的受載情況如表1 所示，ABS 填充電池組所受沖擊能量、沖擊速度和峰值力都大于無填充電池組，但它產(chǎn)生的變形量更小，說明填充材料提升了電池組的剛度. 將沖擊后電壓發(fā)生大于0.5 V的壓降，并在3d 內(nèi)電壓未回升的電池定義為失效電池[2]. 沖擊實驗后無填充電池組中有兩節(jié)電池發(fā)生失效，分別位于第2 排第1 列和第5 排第3 列，并且失效電池在沖擊結(jié)束3d 后電壓均下降到了0，如表2所示，這可能與電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫導致的電池自放電增加有關. 而ABS 填充電池組內(nèi)所有電池電壓在沖擊前后和沖擊后3d 內(nèi)電壓均未發(fā)生明顯變化. 這說明ABS 填充電池組在更危險的工況下呈現(xiàn)出更好的安全性.

表1 沖擊實驗結(jié)果對比Tab. 1 Comparison of impact test results

表2 無填充電池組失效電池的電壓變化情況Tab. 2 Voltage variation of failed batteries in unprotected battery pack

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的建立

采用有限元軟件 ANSYS/LS-DYNA 進行數(shù)值仿真. 圖4 為無填充電池組和填充電池組的模型，由兩側(cè)和底部的約束板，頂部的沖擊板和電池三部分組成. 沖擊板和約束板使用的是 MAT_020 Rigid Body剛體材料模型，彈性模量和泊松比為200 GPa 和0.3.約束板不具有自由度，用于模擬實驗中的夾具缸體.沖擊板質(zhì)量與實驗中的落錘質(zhì)量相同，且被限制只能沿縱向平動，仿真開始時沖擊板以一定的初始速度撞擊電池組.

圖4 電池組數(shù)值分析模型Fig. 4 Numerical analysis models for battery pack

以往的研究表明，采用CRUSHABLE_FOAM 作為電池的材料模型，可較好地對電池進行各種工況下的模擬[9]. 電池的壓縮應力-應變曲線為[5]

金屬泡沫作為吸收沖擊能量的常用材料，具有低密度、高強度、高吸能的優(yōu)點. 因此文中還分析了泡沫金屬材料進行填充保護的工況，金屬泡沫采用CRUSHABLE_FOAM 材料模型. 泡沫材料的力學性能主要受孔隙率（相對密度）影響，隨著相對密度的增加，彈性模量和平臺應力也會相應地提升，而應力-應變曲線形狀在不同密度下是類似的. 研究模擬了 3種不同密度的金屬泡沫，其應力-應變曲線如圖4(c)所示，從低到高命名它們?yōu)椤畇oft’, ‘medium’和’stiff’. 其中‘soft’來自于SABZEVAR 等[11]對泡沫銅試樣的單軸壓縮實驗曲線，將該應力-應變曲線分別提高4 倍和9 倍作為‘medium’和’stiff’的曲線，用以模擬密度更高的泡沫金屬材料. 采用‘soft’, ‘medium’和‘stiff’填充材料的電池組分別命名為SFBP（soft strength metal foam battery pack， SFBP） ， MFBP（ medium strength metal foam battery pack，MFBP）和HFBP（hard strength metal foam battery pack，HFBP）.

電池組模型采用較細的0.5 mm 的網(wǎng)格劃分單元，用以滿足結(jié)果的精度要求. 填充材料單元大小設置和電池一致以減少軟件計算其與電池的接觸力的復雜程度，避免計算出現(xiàn)單元畸變的可能和提高收斂性. 沖擊板和約束板則采用較粗的網(wǎng)格劃分，用以減少計算的時間. 對于均質(zhì)模型，電池及整個電池組的橫截面形狀沿電池的軸線方向保持不變，為節(jié)省計算時間，可以簡化為平面應變問題[5]. 文中模型選用平面應變殼單元，單元厚度為1 mm，因此與實驗結(jié)果對比時，數(shù)值模擬得到的力需要乘以電池的長度.計算采用了LS-Dyna 的雙精度求解方法，以提高計算的穩(wěn)定性和精確度.

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 無填充電池組和ABS 填充電池組

由于數(shù)值模擬中沖擊板直接作用于電池組，因此沒有活塞慣性力的影響，力-時間曲線中沒有出現(xiàn)實驗曲線的第一階段. 將數(shù)值模擬得到的兩種電池組的力-時間曲線與實驗第二階段力-時間曲線進行比較，可以看出曲線吻合良好（圖5(a)和(b)）. 數(shù)值模擬過程中無填充電池組中電池失效數(shù)為2 個，ABS填充電池組中所有電池均未到達失效，與實驗結(jié)果一致. 這驗證了數(shù)值模擬的可靠性.數(shù)值模擬中2 節(jié)失效電池分別位于第1 排第3 列和第5 排第3 列，與實驗中失效電池所在位置第2 排第1 列和第3 排第3 列相比，有一個位置不能對應上，這可能與實驗中電池存在隨機的初始缺陷有關.

圖5 電池組數(shù)值分析結(jié)果Fig. 5 Numerical analysis results

圖5(c)為在沖擊過程中兩種電池組各組分吸收 的能量. ABS 填充電池組施加的總能量為715J，撞擊結(jié)束后電池吸收了212.4 J，占總施加能量的29.7%，填充材料吸收了350 J，占總施加能量的49%，其余能量被反彈. 可以看出，ABS 填充電池組中填充材料吸收了大部分的能量；電池組到達最大壓入位移后，主要由填充材料釋放能量來使活塞反彈. 無填充電池組施加的總能量為51.57 J，電池最終電池吸收了43 J，占總施加能量的83.4%，其余能量被電池反彈. 無填充電池組在整個沖擊過程中都由電池吸收能量，由于電池較低的彈性模量，反彈的能量相比填充材料更小. 另外，通過圖5(c)可以看出，由于ABS 填充電池組受到的沖擊速度和沖擊能量比較大，其中的電池吸收的能量要大于無填充電池組，但從失效電池數(shù)目來看卻更安全，這說明填充材料改變了電池的受力狀態(tài)，使電池受力更合理，變形更均勻. 對比ABS 填充電池組和無填充電池組的力-位移曲線（圖5(a)和(b)），可以發(fā)現(xiàn)ABS 填充電池組的峰值力要遠大于無填充電池組，但填充電池組中的電池卻更為安全. 這是因為無填充電池組內(nèi)電池之間是類似點對點的接觸方式，而填充電池組中電池與填充材料之間為面-面接觸的形式，因此產(chǎn)生的局部最大應力更低.

圖6(a)和(b)是ABS 填充電池組和無填充電池組在最大位移處的Von Mises 應力云圖. 圖中顯示ABS 填充電池組主要由填充結(jié)構(gòu)承載，電池的應力集中點相比無填充電池組更少，說明ABS 填充電池組應力分布更均勻. 對于無填充電池組，電池上應力較大的位置分布在電池相互接觸區(qū)域以及電池與上下板相接觸的地方；而ABS 填充電池組中電池應力較大的地方位于與填充物接觸的上下兩端，這與填充物較電池更硬有關. 圖6(c)是填充電池組填充結(jié)構(gòu)的應力云圖，可以看出填充結(jié)構(gòu)的應力大多集中在樹脂的薄弱處.

圖6 電池組應力分布情況Fig. 6 Stress distribution of battery packs

2.2.2 泡沫金屬填充電池組

為了進一步提高電池組的能量密度，可將相鄰電池間的最小間隙縮小為0.5 mm 進行填充保護，此時電池組能量密度僅比無填充電池組減少了2.5%. 但由于ABS 較脆，較薄處的ABS 填充物在壓縮過程容易發(fā)生失穩(wěn)斷裂，從而對電池產(chǎn)生局部壓入破壞. 同時考慮到泡沫金屬具有良好的緩沖和能量吸收能力，并且質(zhì)輕、散熱性能好. 采用金屬泡沫填充能夠進一步減少填充引起的能量密度損失，利用泡沫平臺段降低沖擊產(chǎn)生的峰值力，因此文中進一步數(shù)值模擬了采用金屬泡沫作為填充物的工況，其中電池間的最小間隙為0.5 mm. 在4 種沖擊能量Eimpact：11.7 J/mm，9 J/mm，6.6 J/mm 和 4.6 J/mm 下分析了金屬泡沫填充電池組的保護效果，此處沖擊能量依賴于沖擊速度，保持鋼板的質(zhì)量m=10 kg不變.

圖7(a)描述了在這幾種工況下不同電池組的電池吸收能量比例. 無填充電池組沒有任何的能量耗散措施，傳遞到電池上的能量比例為沖擊能量的100%. 對比之下，金屬泡沫填充電池組內(nèi)傳遞到電池上的沖擊能量減少了 20%～40%，表明了填充金屬泡沫的存在可以有效減少電池承受的沖擊能量. 通過對比所有金屬泡沫電池組的能量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：在所有工況下，HFBP 是表現(xiàn)最差的一種填充電池組，傳遞到電池上的能量是最高的，而MFBP 和 SFBP 則有著交替的表現(xiàn). 在較低的兩組能量沖擊時，SFBP 中電池吸收的能量更少，而在較高能量沖擊時，MFBP 中的電池吸收的能量更少（圖7(b)）.

除了對比總體上電池所吸收了的沖擊能量，失效行為也跟能量在電池組內(nèi)的分布有關. 圖7(c)為提取的電池部分的應變能云圖，其中紅色的區(qū)域是代表著電池組里變形最嚴重的區(qū)域，也就是吸收了最多沖擊能量而轉(zhuǎn)化為變形能的地方. 結(jié)果表明，在所有的沖擊工況下，MFBP 紅色區(qū)域都更少，能量分布更均勻.

圖7 不同沖擊能量下金屬泡沫電池組數(shù)值分析結(jié)果Fig. 7 Numerical analysis results of metal foam battery packs under different impact energy

圖7(d)對比了在撞擊結(jié)束后金屬泡沫填充電池組的破壞電池數(shù)量. 可以看出，所有的泡沫金屬填充電池組都能顯著降低電池的失效數(shù)量；而在所有沖擊能量的工況下，MFBP 的失效電池數(shù)都是最少的.這說明太軟或者太硬的金屬泡沫作為填充材料都不好，硬度適中的MFBP 是所有金屬泡沫填充電池組中耐撞安全性最高的. 這是因為電池組的耐撞安全性不僅需要填充材料具有較好的能量吸收能力，也與能量在電池上分布的均勻程度有關.

3 結(jié) 論

文中采用在圓柱電池組中填充保護材料的方式來提升電池耐撞安全性，討論了采用ABS 和不同密度的泡沫金屬作為填充材料對電池組安全性的影響，所得結(jié)論如下：

①采用ABS 樹脂對圓柱電池組進行填充可以提高其整體的硬度和剛度，在沖擊荷載下，使電池組更快地進入均勻受載階段，從而較大地提高電池組的耐撞安全性.

②填充材料改變了電池的受力狀態(tài)，使電池受力更合理，變形更均勻，是其能夠提高電池組耐撞安全性的內(nèi)在原因.

③泡沫金屬填充電池組的耐撞性不僅與填充材料吸收能量的占比有關，也與沖擊時電池組內(nèi)能量分布情況有關，硬度適中的泡沫金屬填充電池組的耐撞安全性是最高的.