電動(dòng)車電池中的CAE應(yīng)用探討

1 前言

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。