【干货】锂电池模组膨胀位移分析方法！

动力电池在充放电过程中会产生膨胀。 电池单体的膨胀会带动整个电池模组发生形变， 影响模组外观，如果膨胀较大，壳体材料无法抵抗膨胀力，甚至可能造成安全问题。

膨胀分析的前期规划是按照模组功能设计要求，布局核 心部件的尺寸。如表1所示，通过电性能和模组的空间布局， 可以初步确定电芯的基本尺寸。通过化学体系结合之前的 开发经验，可以初步确定电池从生命初期(BOL)空电-生命末 期(EOL)满电的变形量。通过挤压、冲击、振动等机械性能 测试要求，可以初步确定模组的壳体厚度。通过安全防护的 功能要求，可以初步确定隔热材料的厚度。

经过 初步的规划和布局，可以基本确定模组在宽度方向 的主要部件，如图1所示。

通过图1可以看出，模组主要包含电芯、气凝胶、云母、壳 体绝缘膜、壳体等部件。剩余间隙主要用来填充缓冲垫，通 过压缩缓冲垫来调节电芯入壳时候的预紧力。然而，各个部 件都有一定的尺寸公差，考虑尺寸公差的影响，对应求出来 的剩余间隙也会有一定的差异。因此需要进行尺寸链分析， 确定剩余间隙的范围。如图1所示，将核心部件拆解为不同 的尺寸环，导入到 DCC 尺寸链分析软件中进行求解计算。软 件自动生成方程组如下：

因为组成环个数大于3，采用概率法进行计算，软件计算 出A0，如图2所示。

根据3 s 分布的准则， A0的尺寸为(7.14±0.54)mm，对应预 留给缓冲垫的空间范围为[6.6 7.68]。确定缓冲垫压缩范围 后，下一步是选择合适的缓冲垫厚度和缓冲垫类型，以确保 缓冲垫吸收装配公差，压缩后反作用力的范围正好能落在电 芯最佳循环预紧力的范围之内。另外缓冲垫的类型还需要 确保后期电芯膨胀过程中能平稳且最大限度地吸收膨胀。 基于此要求，选取了某款聚氨酯泡棉，其在压缩前期可以快 速达到电芯预紧力的要求，压缩中期压力也是平缓地提升， 压缩后期拐点来得较慢，且80%压缩量下压力未超过400 kPa，确保泡棉可以最大限度吸收电芯的膨胀。泡棉曲线如 图3所示。

基于前期的布局和规划，采用了CATIA建立了模组的三 维模型。其中泡棉按照原始厚度进行建模，电芯的厚度根据 泡棉的厚度进行等分调整。确保仿真过程中，电芯膨胀到对 应尺寸，泡棉的反馈力符合实际情况。 仿真模型如图4所示。

通过图7可以对标出电芯厚度变化和壳体厚度增量的关 系，结合不同荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)下的电芯变形 可以推断出模组变形，为相似的布局提供参考和借鉴。

为了测试模组的膨胀位移，搭建了综合测试平台。平台 主要包含恒温测试箱、充放电测试仪、位移检测工装、实验模 组等部件。实验模组选取和仿真分析一致的模组，将模组放 置在特制的膨胀位移检测工装之中，模组的定位和系统之中 的定位方式一致。

然后把工装放置在恒温测试箱中，设定温 度45℃，接通充放电测试仪，采用1C/1C的充放电方式，进 行模组加速老化循环测试，记录每100周模组的膨胀量，直至 记录到模组循环到800周以后，系统层级认为模组达到了 EOL状态。平台的整体布局如图8所示，测试结果如图9所 示。