福特方形模组电芯膨胀力结构仿真的思路

很多情况下,我们对模组进行建模分析时,需要考虑电芯的膨胀力问题。电芯膨胀力是由于电芯内部电学化不断反应,从而导致体积沿大面向外侧凸出,如果此时电芯间没有留有间隙,那么电芯将因此被限制住而产生向两侧的力。这个力还是不小的,早些时候模组结构设计考虑不周时,机械结构有可能会被膨胀力致断。

膨胀力体现的是一个可靠性、安全问题,它不会在短期内出现,经过一定的充放电次数才能有明显的现状。

因此,在一些测试仿真中,如机械冲击,就不能单单对新电芯状态电池包(BOL)进行仿真,还要能够对电芯发生膨胀状态(如EOL)时进行仿真。

这时,就需要能够对膨胀力进行建模。但在开发实际产品时,又不可能将一个电池包不断地做循环,直到寿命终止。所以,就要换个思路,利用膨胀力和模组侧板受力变形而产生的反压力,间接得出膨胀力和侧板变形之间的关系。这就是福特在开发C-MAX混合动力和Fusion混合动力电池包时采用的方案。

C-MAX的电池包如上图所示,共4个模组,分两层;约118kg;在进行机械冲击测试时采用55g,持续时间为11ms。

在对+Y/-Y轴各进行3次连续冲击后,模组两边的侧板会产生变形(下图中黄色双箭头;变形使侧板长度变短,从而对电芯产生压力,与侧板保持不变,而电芯向外产生膨胀力相当),通过对变形量的测试,来建立膨胀力与形变的关系。

在仿真中通过对模组两侧板的位移距离进行分析,得到位移与时间的关系图。注意这里的模组与C-MAX的应该不同,C-MAX每个模组是21个电芯,从上图可以数出模组电芯为30个,但整个模组的设计是相似的。这里可能是开发过程中的模组。

最后,得到膨胀力与模组侧板形变之间的关系图,如下:

膨胀力在模组层面的建模完成后,再对整个PACK层面进行建模。


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