圓柱形動力鋰電池的綠色包裝設(shè)計(jì)及跌落仿真試驗(yàn)

王天佑，盧秋婷，梁怡良，鄭曉雪，張新昌

圓柱形動力鋰電池的綠色包裝設(shè)計(jì)及跌落仿真試驗(yàn)

王天佑1，盧秋婷2，梁怡良2，鄭曉雪2，張新昌2

（1.江蘇泰來包裝工程集團(tuán)有限公司，江蘇 無錫 214100；2.江南大學(xué)，江蘇 無錫 214122）

對圓柱形的車用動力鋰電池進(jìn)行運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)及跌落仿真試驗(yàn)分析。運(yùn)用運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法，根據(jù)產(chǎn)品特性、運(yùn)輸包裝要求與流通環(huán)境條件，分析現(xiàn)有包裝的不足，提出包裝解決方案，并依據(jù)包裝設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)包裝材質(zhì)、結(jié)構(gòu)尺寸，對設(shè)計(jì)的包裝進(jìn)行強(qiáng)度校核，最后對包裝件進(jìn)行跌落仿真試驗(yàn)，分析和評價(jià)所設(shè)計(jì)的包裝方案。設(shè)計(jì)的運(yùn)輸包裝解決方案分為內(nèi)外包裝兩部分，內(nèi)包裝使用材質(zhì)為EPE發(fā)泡聚乙烯塑料材料，結(jié)構(gòu)為多孔結(jié)構(gòu)，外包裝使用的材質(zhì)為C楞瓦楞紙板，結(jié)構(gòu)為0201型箱型結(jié)構(gòu)，對所設(shè)計(jì)的包裝方案進(jìn)行底面跌落模擬仿真試驗(yàn)，鋰電池產(chǎn)品所受到的最大等效應(yīng)力值為5.865 MPa，低于圓柱形動力鋰電池材料的許用應(yīng)力值132.2 MPa。所設(shè)計(jì)的圓柱形動力鋰電池運(yùn)輸包裝方案合理，對鋰電池類危險(xiǎn)品的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

鋰電池；運(yùn)輸包裝；跌落仿真試驗(yàn)

鋰電池（本文所述鋰電池均為鋰離子電池）能夠循環(huán)充電、比能量高、質(zhì)量輕、綠色環(huán)保，成為日常生活中手機(jī)、電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品以及電動車的能量來源，應(yīng)用范圍廣泛。由于鋰電池在儲運(yùn)過程中受流通環(huán)境的影響，易發(fā)生電極短路現(xiàn)象，引發(fā)爆炸火災(zāi)等危險(xiǎn)事件，被歸為第9類危險(xiǎn)品，因此，對鋰電池在儲運(yùn)過程中的運(yùn)輸包裝防護(hù)要求很嚴(yán)格，運(yùn)輸包裝的設(shè)計(jì)需求也很大。

分析鋰電池現(xiàn)有的運(yùn)輸包裝研究現(xiàn)狀[1-5]，通常是緩沖包裝+外包裝的形式。緩沖包裝多用紙板將鋰電池隔開，外包裝多用木箱、塑料箱和紙箱等箱型結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有運(yùn)輸包裝結(jié)構(gòu)缺乏對電池兩端裸露電極的保護(hù)，而恰恰是兩端電極易受環(huán)境條件的影響而產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象[6]，引發(fā)爆炸等危險(xiǎn)事件。

針對鋰電池運(yùn)輸包裝存在的不足，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，本文選擇圓柱形的車用動力鋰電池為研究對象，進(jìn)行鋰電池運(yùn)輸包裝的設(shè)計(jì)及跌落仿真試驗(yàn)評價(jià)。

1 運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)

所研究的圓柱形動力鋰電池選擇型號為21700型圓柱形鋰電池，為5C動力電池，通常的容量為4 800/4 500/4 300 mA·h，內(nèi)阻為12～14 Ω，電壓為3.63～3.64 V，可循環(huán)使用2 500次。此類圓柱形電池尺寸為21 mm×70 mm，凈質(zhì)量為69 g，通常的儲運(yùn)溫度為?20～60 ℃，相對濕度范圍為<60%，多應(yīng)用于電動車、電動玩具車、電動工具等器械上。

圓柱形動力鋰電池的運(yùn)輸方式為陸運(yùn)方式，實(shí)際流通過程會使用火車貨車與汽車貨車。設(shè)置流通環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化體系為2K1/2B1/2C1/2S1/2M2。運(yùn)輸包裝要求：儲運(yùn)環(huán)境要干燥、保證電池表面整潔、保證電池不移位、防意外導(dǎo)電、需滿足1.2 m任意方向的跌落測試等。

1.1 內(nèi)部緩沖包裝設(shè)計(jì)

鋰電池產(chǎn)品在運(yùn)輸流通過程中，由于產(chǎn)品自身特性和流通環(huán)境條件的影響，容易受到外部的沖擊力使產(chǎn)品發(fā)生振動、跌落沖擊等現(xiàn)象，使得產(chǎn)品發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)加大，因此，為避免或減少產(chǎn)品受損的概率，在產(chǎn)品進(jìn)入運(yùn)輸流通環(huán)節(jié)之前，需先對產(chǎn)品進(jìn)行內(nèi)部緩沖防護(hù)包裝設(shè)計(jì)。

1.1.1 材料選取及性能分析

由于鋰電池屬于危險(xiǎn)品，且兩端電極容易受損而發(fā)生漏液短路現(xiàn)象，電池表面易受到污染和破損。所以在緩沖包裝材料的選取中，需要抗靜電能力強(qiáng)，能夠保證電池表面光潔等緩沖性能優(yōu)良的緩沖材料。

在應(yīng)用較多的緩沖包裝材料中，EPE[7]發(fā)泡聚乙烯塑料材料的密度低，材質(zhì)較軟，經(jīng)過發(fā)泡成型后，呈閉孔結(jié)構(gòu)，能夠防水防潮，抗靜電能力強(qiáng)，能夠回收利用，材料來源廣，經(jīng)濟(jì)成本低。從包裝材料的彈性、壓縮變形恢復(fù)性、耐候性、抗蠕變性、使用溫濕度范圍、采購來源及成本高低、回收利用便利性等因素綜合考慮，結(jié)合產(chǎn)品特性、運(yùn)輸包裝要求，EPE材料恰好滿足鋰電池運(yùn)輸包裝的要求。

綜上，內(nèi)部緩沖防護(hù)包裝采用EPE發(fā)泡聚乙烯塑料材料，材料性能見表1。

表1 EPE材料的性能參數(shù)

Tab.1 Property parameters of EPE materials

1.1.2 包裝結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

根據(jù)鋰電池運(yùn)輸包裝的要求，內(nèi)部緩沖防護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于保護(hù)電池兩端裸露電極與保證電池在包裝內(nèi)部不移動、不晃動。結(jié)合鋰電池產(chǎn)品特性與運(yùn)輸流通環(huán)境條件，將內(nèi)部緩沖包裝設(shè)計(jì)成局部緩沖包裝形式。結(jié)構(gòu)尺寸[8]的計(jì)算方法采用緩沖系數(shù)–最大應(yīng)力曲線計(jì)算方法。

已知單個圓柱形動力鋰電池的質(zhì)量=0.069 g，產(chǎn)品脆值=180，受力面積=3.46×10–4m2，則可計(jì)算產(chǎn)品受力的最大應(yīng)力值c為：

由最大應(yīng)力值查得密度為35 kg/m3的EPE材料緩沖系數(shù)[7]=4.5，而鋰電池跌落的高度=1.2 m，則可計(jì)算內(nèi)部防護(hù)緩沖包裝襯墊厚度為：

鋰電池產(chǎn)品在運(yùn)輸時，如果一個包裝件只運(yùn)輸一個圓柱形鋰電池單體，那么所花費(fèi)的包裝用材成本將非常大，運(yùn)輸成本也會非常大。為了減少包裝和運(yùn)輸成本，避免過度包裝，在實(shí)際包裝設(shè)計(jì)過程中多采用多組鋰電池產(chǎn)品集合包裝，并使用托盤單元化運(yùn)輸。國際上通用的托盤尺寸為1.2 m×1 m，遵循運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)的聯(lián)運(yùn)化、通用化原則，故采用該尺寸托盤進(jìn)行包裝的設(shè)計(jì)。

由于托盤長寬尺寸的比例為1.2∶1，為使空間最大利用化，節(jié)省運(yùn)輸成本，故鋰電池包裝件在設(shè)計(jì)時，長寬的比例也設(shè)計(jì)成1.2∶1。這樣包裝件內(nèi)部產(chǎn)品的排列形式將采用P型方向排列方式，鋰電池放置的姿態(tài)采用立放形式。根據(jù)鋰電池產(chǎn)品的規(guī)格形態(tài)，考慮到外箱紙板的用量、抗壓強(qiáng)度、人工搬運(yùn)的難易度、美學(xué)設(shè)計(jì)等因素，結(jié)合鋰電池的運(yùn)輸包裝要求，通過計(jì)算得到鋰電池排列的個數(shù)為14×12，整個包裝件裝載圓柱形鋰電池單體的個數(shù)為168個，總質(zhì)量為11.592 kg。

根據(jù)產(chǎn)品在包裝件內(nèi)部的排列方式，設(shè)計(jì)的緩沖襯墊結(jié)構(gòu)為固定與防護(hù)功能為一體，采用上下對稱嵌裝形式，保證電池之間相互獨(dú)立，防止相互間摩擦引起損傷。緩沖襯墊尺寸為381 mm×316 mm×30 mm，共有168個圓孔，緩沖襯墊結(jié)構(gòu)見圖1，襯墊包裝效果見圖2。

圖1 緩沖襯墊結(jié)構(gòu)

圖2 襯墊包裝效果

1.2 外包裝紙箱設(shè)計(jì)

在外包裝紙箱的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)中，主要是依據(jù)內(nèi)裝物的質(zhì)量和尺寸選擇合適的瓦楞紙板材質(zhì)和箱型結(jié)構(gòu)。已知內(nèi)裝物為鋰電池產(chǎn)品和緩沖襯墊，質(zhì)量約為12 kg，尺寸為381 mm×316 mm×130 mm。查閱瓦楞紙板相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用C楞單瓦楞紙箱，箱型結(jié)構(gòu)為0201型結(jié)構(gòu)，加工工藝簡單，裝箱工作量少，能夠提高包裝工序效率。

經(jīng)過對紙箱結(jié)構(gòu)內(nèi)外尺寸和制造尺寸的計(jì)算[8]，可知紙箱外尺寸為393 mm×328 mm×150 mm。對紙箱的抗壓強(qiáng)度和堆碼載荷進(jìn)行計(jì)算，抗壓強(qiáng)度=3 654.93 N，堆碼層數(shù)為12層，堆碼載荷=2 589.84 N。對強(qiáng)度進(jìn)行校核評價(jià)：

說明紙箱的抗壓強(qiáng)度足夠抵抗紙箱堆碼的載荷作用，所設(shè)計(jì)的紙箱尺寸和強(qiáng)度合理。

2 包裝方案跌落仿真試驗(yàn)分析

運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)五步法的最后一步是對所設(shè)計(jì)的包裝方案進(jìn)行試驗(yàn)評價(jià)。由于鋰電池是危險(xiǎn)品，而且附加價(jià)值高，價(jià)格昂貴，如果直接進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，所耗費(fèi)的經(jīng)濟(jì)和時間成本較大，故在此環(huán)節(jié)中，采用仿真試驗(yàn)方法。運(yùn)用國際上著名的有限元分析軟件ANSYS的LS–DYNA分析模塊進(jìn)行仿真分析。

在鋰電池運(yùn)輸包裝測試要求中，要求所設(shè)計(jì)的包裝件能夠滿足任意方向1.2 m的跌落沖擊測試，為更好地評價(jià)所設(shè)計(jì)的運(yùn)輸包裝方案，試驗(yàn)主要為底面跌落測試。

2.1 鋰電池產(chǎn)品包裝模型及其簡化

鋰電池產(chǎn)品包裝件包括圓柱形鋰電池產(chǎn)品、內(nèi)部緩沖襯墊與外包裝紙箱等3個部分。其中圓柱形鋰電池的結(jié)構(gòu)材料包括外殼、蓋帽、正負(fù)極、隔膜、電解液、PTC元件、墊圈、安全閥等，外包裝紙箱瓦楞紙板包括三層瓦楞原紙。

圓柱形鋰電池和瓦楞紙板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果將全部結(jié)構(gòu)和材料都表現(xiàn)出來，那么，在仿真分析過程中，容易出現(xiàn)錯誤提示，且分析的計(jì)算量會非常大，分析的時間也會很長，因此，在實(shí)際仿真分析時，將圓柱形鋰電池產(chǎn)品與外包裝紙箱的結(jié)構(gòu)簡化[9-11]，選取最能體現(xiàn)兩者性能的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。在SolidWorks三維軟件里繪制鋰電池產(chǎn)品包裝模型，簡化后的包裝跌落模型見圖3。

圖3 簡化后的鋰電池產(chǎn)品包裝跌落模型

2.2 試驗(yàn)工程

1）導(dǎo)入模型。將建立好的包裝件模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件，導(dǎo)入后的模型見圖4。

圖4 導(dǎo)入ANSYS后的包裝跌落模型

2）設(shè)置材料屬性。在仿真分析時，包裝跌落模型所使用的材料屬性參數(shù)如表2所示[12-15]。

表2 相關(guān)材料參數(shù)設(shè)置

Tab.2 Setting of relevant material parameters

3）劃分網(wǎng)格。ANSYS有限元分析對模型的分析為離散化分析，因此，在分析計(jì)算之前，需要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的疏密決定著計(jì)算精度的高低，網(wǎng)格劃分得越密，意味著計(jì)算分析結(jié)果越精確。劃分后的模型見圖5，劃分的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)個數(shù)為624 587，網(wǎng)格單元個數(shù)為634 974。

圖5 模型網(wǎng)格劃分

4）添加邊界約束條件。包裝件跌落時，沖擊面板需固定，模擬跌落地面真實(shí)情況，采用面接觸，設(shè)置摩擦因數(shù)為0.1。沖擊面約束固定狀態(tài)如圖6所示。

圖6 約束沖擊面板為固定狀態(tài)

由于包裝件的跌落高度為1.2 m，在模擬跌落過程中，如果令包裝件以初速度為0向下豎直跌落，則分析的計(jì)算量太大，分析模擬所需要的實(shí)際時間很長。所以在有限的時間內(nèi)，給定包裝件一個1.2 m高度跌落的初始沖擊速度0=4.9 m/s，使包裝件在受到?jīng)_擊動能和重力勢能的情況向下跌落，給定速度約束條件見圖7。

圖7 給包裝件給定速度約束條件

5）設(shè)置分析計(jì)算時間。分析計(jì)算設(shè)置主要是設(shè)置時間。由于包裝件的運(yùn)動類型為自由跌落，跌落高度為=1.2 m，初始位置為0=0.018 m，模擬跌落沖擊試驗(yàn)中包裝件所獲得的初速度0=4.9 m/s，則可計(jì)算出包裝件由初始位置跌落到?jīng)_擊面所需的時間[9]為3.7 ms。

由于產(chǎn)品包裝件跌落的過程經(jīng)歷掉落、壓縮、恢復(fù)3個階段，因此，在設(shè)置分析時間時，為反映包裝件跌落的真實(shí)情況，將分析時間設(shè)置為8 ms。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析與評價(jià)

鋰電池產(chǎn)品在跌落過程中，在壓縮階段3.7 ms時所受到的等效應(yīng)力最大，為5.865 MPa，見圖8；鋰電池產(chǎn)品在跌落過程中所受等效應(yīng)力的變化曲線見圖9。

上下緩沖襯墊的受力位移變形情況見圖10和圖11，變形量的變化曲線見圖12，其中上緩沖襯墊所產(chǎn)生的最大變形量為17.59 mm，下緩沖襯墊所產(chǎn)生的最大變形量為15.27 mm。

圖8 底面跌落3.7 ms時鋰電池所受等效應(yīng)力情況

圖9 底面跌落鋰電池產(chǎn)品所受等效應(yīng)力變化曲線

圖10 底面跌落3.7 ms時上緩沖襯墊的位移變形情況

圖11 底面跌落3.7 ms時下緩沖襯墊的位移變形情況

圖12 底面跌落上下緩沖襯墊所受位移變形量變化曲線

已知鋰電池產(chǎn)品外殼材料的許用應(yīng)力值為132.2 MPa[13]，所設(shè)計(jì)的運(yùn)輸包裝方案中，緩沖襯墊的厚度為30 mm。對包裝方案進(jìn)行底面跌落仿真試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可知，鋰電池產(chǎn)品所受到的最大沖擊應(yīng)力（5.865 MPa）在鋰電池產(chǎn)品底部與緩沖襯墊接觸處，緩沖襯墊的最大位移變形量為17.59 mm，均在極限值內(nèi)。說明所設(shè)計(jì)的包裝方案沒有使鋰電池產(chǎn)品發(fā)生損壞，能夠保證產(chǎn)品的完好性，故評價(jià)所設(shè)計(jì)的運(yùn)輸包裝方案合理。

3 結(jié)語

文中分析了鋰電池運(yùn)輸包裝的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對圓柱形動力鋰電池進(jìn)行了內(nèi)外運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)。內(nèi)部緩沖包裝采用EPE發(fā)泡聚乙烯塑料材料，外部防護(hù)包裝紙箱采用0201型的C楞單瓦楞紙箱。對所設(shè)計(jì)的包裝方案進(jìn)行跌落仿真試驗(yàn)評價(jià)，仿真結(jié)果顯示，在設(shè)置時間內(nèi)，包裝件以底面平行于沖擊面的姿態(tài)跌落后，鋰電池產(chǎn)品所受的最大等效應(yīng)力值為5.865 MPa，低于鋰電池材料的許用應(yīng)力值132.2 MPa，并且緩沖襯墊的最大變形量為17.59 mm，低于所設(shè)計(jì)的緩沖襯墊厚度30 mm。對結(jié)果進(jìn)行分析與評價(jià)，所設(shè)計(jì)的運(yùn)輸包裝方案能夠滿足鋰電池的運(yùn)輸包裝要求，能夠很好地保護(hù)鋰電池產(chǎn)品，包裝方案設(shè)計(jì)合理。圓柱形動力鋰電池的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)及跌落仿真試驗(yàn)分析，對鋰電池類危險(xiǎn)品的運(yùn)輸包裝設(shè)計(jì)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

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Green Packaging Design and Drop Simulation Test of Cylindrical Power Lithium Battery

WANG Tian-you1,LU Qiu-ting2,LIANG Yi-liang2,ZHENG Xiao-xue2,ZHANG Xin-chang2

(1. Jiangsu Tailai Packaging Engineering Group Co., Ltd., Jiangsu Wuxi 214100, China; 2. Jiangnan University, Jiangsu Wuxi 214122, China)

The work aims to conduct transportation packaging design and drop simulation test analysis of cylindrical lithium batteries for vehicle power. By using the five-step method of transportation packaging design, according to the product characteristics, transportation packaging requirements and circulation environment conditions, the shortcomings of existing packaging were analyzed. Packaging solutions were put forward. And the packaging materials and structural dimensions were designed according to the packaging design scheme. The strength of the designed packaging was checked. At last, the drop simulation test on the packaging pieces was conducted and the designed packaging scheme was analyzed and evaluated. The designed transportation packaging solution consisted of two parts: inner and outer packaging. The inner packaging was made of EPE foamed polyethylene plastic material with porous structure, and the outer packaging was made of C corrugated cardboard with 0201 box structure. The bottom drop simulation test of the designed packaging solution showed that the maximum equivalent stress of lithium battery products was 5.865 MPa, which was lower than the allowable stress of cylindrical power lithium battery materials of 132.2 MPa. The transportation packaging scheme of cylindrical power lithium batteries is reasonable, which has certain guiding significance for the transportation and packaging design of dangerous goods such as lithium batteries.

lithium battery; transport package; drop simulation test

TB485.3

A

1001-3563(2023)05-0291-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.05.036

2022?09?22

王天佑（1986—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檩p工工程設(shè)計(jì)。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋