鋰電池運輸包裝設(shè)計與跌落仿真分析

李志強，田洋洋，劉隨強

（陜西科技大學 a.輕工科學與工程學院 b.輕化工程國家級實驗教學示范中心，西安 710021）

鋰電池作為一種快速發(fā)展的新能源產(chǎn)品，具有能量密度高、循環(huán)壽命長、對環(huán)境污染小等顯著優(yōu)點。近年來隨著我國科技事業(yè)的發(fā)展及政策支持，目前我國是世界上排名第二的大容量鋰電池生產(chǎn)國[1]。危險品是易燃、易爆、有強烈腐蝕性、有毒等物品的總稱，由于鋰電池發(fā)熱后易爆易燃的不穩(wěn)定性能，因此其包裝屬于危險品包裝范疇，相比一般產(chǎn)品的包裝設(shè)計也具有更高的要求。

1 鋰電池運輸包裝設(shè)計

1.1 國際危險品相關(guān)法規(guī)概述

危險品的運輸及其包裝受制于若干不同的國際規(guī)范，聯(lián)合國（UN）關(guān)于危險品運輸?shù)慕ㄗh是制訂其他危險品規(guī)范的依據(jù)[2]，危險品所采取的運輸方式不同，設(shè)計人員所應采取的國際法則或規(guī)章也有所不同。公路運輸選擇歐洲陸運協(xié)會（ADR）關(guān)于如何分類、包裝、貼標簽和運輸危險品的操作要求；海洋運輸選擇《國際海運危險貨物規(guī)則》（IMDG CODE）；空運選擇國際民用航空組織ICAO-TI 或國際航空運輸協(xié)會為IATA 頒布的危險品規(guī)范[3]。

1.2 鋰電池包裝設(shè)計方法

鋰電池作為一種有易燃易爆風險的特殊產(chǎn)品，對包裝的防護性能要求更高，通過試驗的條件也更為嚴格，因此在進行鋰電池運輸包裝設(shè)計時，應綜合考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及包裝測試標準，選取合適的緩沖材料及尺寸后進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。該型鋰離子電池的運輸方式為海運出口，《國際海運危險貨物規(guī)則》[4]中將鋰電池劃分為第九類危險品，且運輸時必須將第九類危險品鋰電池專屬標識印刷或以標簽形式貼在外包裝上[5]。按照其危險程度，鋰電池包裝被劃分為危險品Ⅱ類包裝，運輸前應通過跌落高度為1.2 m 的跌落試驗[6]。關(guān)于鋰電池包裝的設(shè)計和緩沖材料選擇，王莉等[7]、潘生林等[8]指出，裸露的電池兩極接觸到其他導電體后會引起短路，因此其緩沖包裝須考慮絕緣防護因素，現(xiàn)行較為常用的方法是凹陷埋入式設(shè)計。李曉敏等[9]指出，目前危險品常用內(nèi)部緩沖包裝材料為發(fā)泡塑料或瓦楞紙板、蜂窩紙板等紙制品。李明[10]綜合實際運輸及管理情況，考慮運輸便利性、降低成本以及防靜電等因素指出，一般情況下，鋰電池外包箱裝按照內(nèi)裝物質(zhì)量及裝箱數(shù)量，應優(yōu)先選擇膠合板或纖維板材質(zhì)。

1.3 鋰電池運輸包裝方案設(shè)計及分析

該型號鋰電池的最大外形尺寸為513 mm×352 mm×158 mm，產(chǎn)品質(zhì)量為22 kg。鋰電池產(chǎn)品流通途中最可能受到的沖擊強度是中等沖擊，根據(jù)經(jīng)驗估算法得到其許用脆值為70g。鋰離子電池和電池組可選用的外包裝容器種類及其代碼有：1-桶、3-罐、4-箱等。材料種類及其代碼有：A-鋼、B-鋁、C-天然木、D-膠合板、F-再生木、G-纖維板、H-塑料、L-紡織品、M-多層紙等[11]?？紤]到實際運輸情況和倉儲條件等成本因素，此次設(shè)計的外包裝選擇纖維板箱（4G），緩沖內(nèi)包裝材質(zhì)選擇密度為30 kg/m3的發(fā)泡聚丙烯，為滿足跌落測試中較大的跌落高度，經(jīng)計算，襯墊厚度為60 mm。按照凹陷埋入式設(shè)計思路，并考慮包裝結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等因素，將EPP 緩沖襯墊主體結(jié)構(gòu)設(shè)置為上下2個部分，將產(chǎn)品內(nèi)嵌在緩沖材料中，并在產(chǎn)品凸出的結(jié)構(gòu)部位做避位掏孔處理，這樣既可固定產(chǎn)品，又能在產(chǎn)品受到外部載荷時起到較好的緩沖作用。

2 鋰電池跌落仿真分析

研究表明，產(chǎn)品在流通環(huán)境中受損的主要原因為跌落沖擊所造成[12]，為驗證鋰電池包裝件在跌落工況下是否能夠保護產(chǎn)品不受損壞，利用ANSYS Workbench 中的顯示動力學模塊Explicit Dynamics 來模擬裸機和包裝件跌落試驗過程并進行分析。根據(jù)《國際海運危險貨物規(guī)則》，確定跌落高度為1.2 m，假設(shè)產(chǎn)品在跌落過程中做只受重力作用的自由落體運動且初速度為0 mm/s，重力加速度為9 806.6 mm/s。為提高計算機的運算速度，可將跌落高度等效為1 mm，等效初速度為4 849.35 mm/s2。

2.1 鋰電池運輸包裝設(shè)計及三維模型導入

利用IRONCAD 軟件建立電池的三維模型并進行適當簡化，保留主要部件為：外殼、上蓋、電芯、電路保護板、散熱鋁板等。簡化后的三維模型如圖1 所示。將模型文件導出成X-T 格式后導入到仿真分析軟件ANSYS Workbench 中并進行刪除圓角和切片處理[13]。

圖1 簡化后鋰電池包裝件三維模型Fig.1 Simplified 3D model of lithium battery packaging components

2.2 材料參數(shù)定義

模型簡化完成后，需要在ANSYS Workbench 的前處理部分賦予各材料屬性，自定義材料屬性一般包括材料密度、彈性模量、泊松比.瓦楞紙板本身為非線性材料，但根據(jù)ANSYS Workbench 顯示動力學計算要求，也可將其定義為各向同性材料，彈性模量取其平均值進行計算。

緩沖襯墊EPP 為非線性材料，因此除了需要提供密度、彈性模量、泊松比等參數(shù)之外，還需在材料屬性Property 中添加單軸塑性應變試驗數(shù)據(jù)Uniaxial Test Data 對30 kg/m3的發(fā)泡聚丙烯材料進行靜態(tài)壓縮實驗，實驗標準參考《GB/T 8168—2008 包裝用緩沖材料靜態(tài)壓縮試驗方法》[14]，試驗設(shè)備采用型號為CMT44304 的微機控制電子萬能試驗機，根據(jù)實驗導出的原始數(shù)據(jù)載荷-位移曲線， 結(jié)合Origin 繪圖軟件進行數(shù)據(jù)處理，求得EPP 的壓縮應力-應變曲線如圖2 所示，由圖2 可知，密度為30 kg/m3的EPP，其應力-應變曲線可以分為3 個階段，即彈性階段、屈服平臺階段和密實化階段。線彈性階段的圖像近似一條直線，斜率即為EPP 的彈性模量。根據(jù)EPP 線彈性階段的數(shù)據(jù)點可以求出其線彈性階段的彈性模量E=1.438 MPa。將實驗數(shù)據(jù)有選擇性的輸入55 個點到EPP 材料屬性Property 下的單軸塑性應變試驗數(shù)據(jù)Uniaxial Test Data 中，以備后續(xù)求解。通過查閱相關(guān)資料，得到各部件的屬性表見表1。

圖2 密度為30 kg/m3 的 EPP 應力-應變曲線Fig.2 EPP stress-strain curve with a density of 30 kg/m3

表1 各部件材料參數(shù)表Tab.1 Material parameters of each component

2.3 接觸類型設(shè)置和網(wǎng)格劃分

考慮到鋰電池包裝件在運輸過程中的實際情況，將產(chǎn)品內(nèi)部各部件之間的接觸類型設(shè)置為Bonded，鋰電池產(chǎn)品與EPP 緩沖襯墊之間、襯墊與瓦楞紙箱之間設(shè)置為Frictional，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.2，瓦楞紙箱與地面之間的接觸類型設(shè)置為Frictionless[15]。模型的網(wǎng)格劃分質(zhì)量和數(shù)量將直接影響有限元求解的準確度和速度，為減少由于網(wǎng)格劃分不當帶來的結(jié)果誤差，將不同部位采用不同的網(wǎng)格劃分方式和大小，將地面設(shè)置成剛性體[16]，單元尺寸設(shè)置為12 mm，其余部位采用自動劃分方式，包裝件總節(jié)點數(shù)為55 073，總網(wǎng)格數(shù)為185 310，整體網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖3。

圖3 鋰電池有限元模型Fig.3 Finite element model of lithium battery

2.4 鋰電池產(chǎn)品裸機跌落分析

對地面施加固定約束，設(shè)置求解時間為3 ms，求解完成后查看鋰電池各部件的等效應力值結(jié)果，見圖4。

圖4 鋰電池裸機跌落等效應力云圖Fig.4 Equivalent stress cloud diagram for drop of bare lithium battery

在鋰電池裸機跌落分析的仿真結(jié)果中查看各部件等效應力的最大值：產(chǎn)品外殼的上蓋與把手接觸的凸臺部位等效應力的最大值為720.41 MPa，而外殼的屈服強度為325 MPa，因此外殼會發(fā)生破裂，電芯上的等效應力的最大值為363.4 MPa，超過了鋁的許用應力280 MPa，說明電芯會發(fā)生破損，散熱鋁板等效應力的最大值為62.609 MPa，小于鋁的許用應力280 MPa，PCB 電路板上等效應力的最大值為67.798 MPa，小于PCB 的許用應力130.6 MPa，即散熱鋁板和PCB 電路板在裸機跌落時等效應力的最大值均在安全范圍內(nèi)，不會發(fā)生失效。所以為保障外殼和電芯在跌落過程中的安全性，需要對鋰電池產(chǎn)品進行緩沖包裝設(shè)計。

2.5 鋰電池包裝件跌落分析

按照2.4 節(jié)中的方法和初始條件設(shè)置，對鋰電池包裝件進行面跌落仿真分析，為保證碰撞結(jié)束后出現(xiàn)反彈階段，經(jīng)過多次調(diào)試后，將求解時間設(shè)置為6 ms，求解后查看運輸包裝件的等效應力云圖，見圖5。

圖5 鋰電池包裝件跌落等效應力云圖Fig.5 Equivalent stress cloud diagram for drop of lithium battery packaging component

在包裝件的面落仿真過程中，等效應力的最大值為189.74 MPa，遠小于硬質(zhì)鋁合金LY12 的許用應力325 MPa，電芯上的等效應力的最大值為218.68 MPa，小于鋁的許用應力280 MPa，散熱鋁板上等效應力的最大值為38.59 MPa，小于鋁的許用應力280 MPa，PCB 電路板上等效應力的最大值為12.41 MPa，小于PCB 的屈服強度 130.6 MPa，因此，鋰電池包裝件面跌落過程中，各零件等效應力的最大值均小于其對應的許用應力，不會發(fā)生損壞。根據(jù)鋰電池產(chǎn)品裸機跌落和包裝件跌落的仿真分析結(jié)果，見表2。

表2 各部件等效應力最大值對比Tab.2 Comparison of the maximum equivalent stress of each component

3 模型的可靠性驗證

在顯式動力學仿真分析中，求解結(jié)果收斂并非意味著仿真結(jié)果是正確的，還需要進一步結(jié)合能量法與試驗法進行可靠性驗證。

3.1 能量法驗證

在ANSYS Workbench 的Solution Information 中查看Time Increment（時間步長）信息，一般來說，時間步長間隔越小，說明仿真精度越高，求解結(jié)果越穩(wěn)定.在顯式動力學中，時間步長的大小可以通過改變?nèi)嵝泽w的網(wǎng)格大小來控制[17-18]， 圖6 是包裝件在面跌落工況下的時間步長-循環(huán)步數(shù)變化曲線，可以看出時間步長大小為3.183 8×10-8s，幾乎呈一條水平直線，代表時間步長十分穩(wěn)定，幾乎沒有發(fā)生變化，從而說明面跌落仿真結(jié)果具有一定的可靠性。

圖6 時間步長追蹤曲線Fig.6 Time step tracking curve

在 Solution Information 中追蹤查看包裝件的Momentum Summary（動量摘要）曲線，如圖7 所示，其中鋰電池包裝件在X軸、Y軸方向上的動量和沖量都為0。由于包裝件的速度在沿Z軸的負方向上，因此Z軸上的初始動量為負值，隨后動量開始逐漸降低，沖量逐步增加，直到4.2 ms 時刻左右，包裝件系統(tǒng)的動量由負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，說明此時完成了碰撞過程，包裝件開始進入反彈階段。

圖7 動量摘要追蹤曲線Fig.7 Momentum summary tracking curve

在Solution Output 下查看Energy Summary（能量摘要）曲線如圖8 所示，其中包括4 項能量指標：Internal Energy（彈性勢能）、Kinetic Energy（動能）、Hourglass Energy（沙漏能）和 Contact Energy（接觸能），一般沙漏能要低于總能量的5%才認為仿真結(jié)果具有可靠性。由曲線可知，0～0.27 ms 時段包裝件還處于下落階段，彈性勢能無變化，但由于下落速度的增大，動能曲線會出現(xiàn)一個小幅度的上升趨勢。碰撞開始后，緩沖襯墊開始壓縮，所以彈性勢能增大，系統(tǒng)動能開始降低，變化趨勢剛好相反.當其分別出現(xiàn)最大值和最小值時，說明包裝件和地面的碰撞完成，開始進入反彈上升階段，符合實際情況。沙漏能最大值為5.653 J，系統(tǒng)總能量為 265.31 J，求得沙漏能占總能量的2.13%，因此仿真結(jié)果具有一定的可靠性。

圖8 能量摘要追蹤曲線Fig.8 Energy summary tracking curve

3.2 跌落試驗驗證

試驗標準按照《國際海運危險貨物規(guī)則》[4]進行，將跌落高度設(shè)置為1.2 m 對鋰電池運輸包裝件進行底面跌落試驗，本次跌落試驗采用的設(shè)備為蘇試生產(chǎn)的零跌落實驗機，型號為 CY-206，搭配Lansmont Test Partner3 數(shù)采設(shè)備采集試驗數(shù)據(jù)，試驗過程見圖9。將加速度傳感器固定在跌落面上，采集到底面跌落工況下產(chǎn)品的加速度響應曲線如圖10 所示，利用 Origin 軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，重新生成加速度響應曲線，并將試驗獲取的總加速度與仿真總加速度進行對比，如圖11 所示，兩者隨時間變化的趨勢幾乎一樣，仿真得到的加速度響應峰值為57.71g，試驗得到的加速度響應峰值為63.56g，峰值誤差為9.20%，均未超過產(chǎn)品的許用脆值。考慮到鋰電池仿真模型的簡化和材料的等效處理，仿真出現(xiàn)的誤差在允許范圍之內(nèi)，說明鋰電池模型可靠，仿真結(jié)果符合實際情況，且試驗結(jié)束后未發(fā)現(xiàn)紙箱以及襯墊內(nèi)部結(jié)構(gòu)有明顯的變形或者開裂、 破損、脫落等異常情況出現(xiàn)，則可以判定此款運輸包裝方案防護性能良好，能夠滿足跌落工況下的防護要求。

圖10 底面跌落試驗產(chǎn)品加速度響應曲線Fig.10 Acceleration response curve of bottom drop test product

圖11 試驗與仿真加速度響應曲線對比Fig.11 Comparison between experimental and simulated acceleration response curves

4 結(jié)語

目前，動力鋰離子電池的使用范圍越來越廣泛，文中首先根據(jù)危險貨物分類鑒定，對鋰電池的相關(guān)法規(guī)和特定要求進行闡述，再根據(jù)危險品Ⅱ類包裝的跌落實驗要求，對某型號鋰電池產(chǎn)品選取60 mm 厚度的EPP 材料，采用凹陷埋入式設(shè)計方法，對該產(chǎn)品進行運輸包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計。在跌落仿真分析中，相較于裸機產(chǎn)品，對鋰離子電池進行緩沖包裝后，產(chǎn)品各部件最大等效應力均大幅降低且處于安全范圍內(nèi)，襯墊及外包裝箱起到了良好的保護作用；在原型包裝件跌落試驗中，將底面跌落過程采集到的產(chǎn)品響應加速度和仿真中得到的響應加速度進行對比發(fā)現(xiàn)，其誤差在合理范圍內(nèi)且2 種方法得到的峰值加速度都未超過產(chǎn)品的許用脆值，二者隨時間的變化趨勢一致，說明了仿真結(jié)果的可信度，同時驗證了該尺寸緩沖結(jié)構(gòu)能夠滿足鋰電池跌落過程中的防護要求。