电动车电池中的CAE应用探讨

　　1 前言

　　日本古河电池公司积极采用计算机辅助工程用于新产品的开发设计。实践证明，CAE（计算机辅助工程）用于电池开发设计是非常有效的方法。

　　将CAE用于电池开发设计的事例，其中含未发表的部分列于表1。CAE（计算机辅助工程设计）适用于流体、铸造、塑性加工等多种复杂的领域。本文介绍的是研讨拓展CAE的适用范围，将其用于可靠性高的固定型VRLA电池的结构设计的应用事例，是有关为提高36V—VRLA电池的性能，采用CAE研究电槽形状的实例报告。

　　2 事例（1）：固定型VRLA电池

　　2.1 分析的目的

　　固定型VRLA电池一般要求寿命性能在10年以上，特别是用于备用电源用途的电池，在使用期间必须确保电池性能。因此，这种类型的电池要求可靠性更高。众所周知，备用电源用蓄电池长时间的涓流充电，导致电池内部正板栅逐渐氧化腐蚀，随着氧化体积增大，极板本身膨胀变形。因此，在长期使用期间，为了维持电池的性能，有必要将极板膨胀以某种形式吸收，避免电池槽变形及破碎的现象出现。电池内部吸收时也能引起汇流排变形、破损，难以维持电池性能。

　　在设计VRLA电池时，重要之处是对使用期间可预测到的问题进行定量预测、采取对策。在此研讨了采取CAE（计算机辅助工程）设计对电池强度进行分析，试图预测使用中有可能出现的现象，要求进一步地提高电池的可靠性。

　　2.2 分析方法

　　经分析的VRLA电池有限影响要素模式示于图1。正极群进行了3层次模型化分析。模型化分析后进行装槽。板极膨胀是依据极板的膨胀率给与假定的温度，通过热膨胀表现极板的膨胀。分析是基于有限影响要素的分析程序。

　　分析所用的物性数据是采用图2所示的各种实验进行的，测定了构成电池各部位材料的强度。

　　2.3 分析结果

　　极群膨胀时的电池与电池内极群的应力分布示于图3。应力是集中在极柱树脂封口部分和与此接近的电池槽、盖部分。采用计算机模拟的变形、应力的分布与使用实物电池的变形、破坏试验结果的对比示于图4。

　　模拟模型是使电池内部的极群强制地向上方移位，观测达到电池被破坏程度时的状态，两者的变形过程一致。并确认在应力高的部位出现电池槽白化，发生了破坏，从而确认了计算机模拟的有效性。

　　从计算机模拟、模型验证的结果看，当设定极板的最大膨胀率超过5 %时，电池槽仍然完好，从而确认了这个电池的安全性能。

　　2.4 提高可靠性能

　　降低电池槽应力的试验，极板脚从2只削减为1只后的试验效果示于图5、图6。对比分析结果时，极板脚为一只，电池槽的最大应力削减了40%，并进一步提高了可靠性能。

　　削减电池内部汇流排应力的试验，研究汇流排的形态（形状）。根据传统的形状和极柱附近宽幅的新形状求出应力分布，其结果示于图7。汇流排长方向应力状态的对比示于图8。两者的对比结果是易引起破损的箭头部分，最大可削减50%，这样有效地提高了可靠性能。

　　3 事例（2）：36V—VRLA电池

　　3.1 分析的目的

　　36V—VRLA电池（以下简称36V电池），从其使用条件来讲对电池性能的要求很高。众所周知，高倍率放电性能是极板与隔板以及极群的压力（以下称群压）有着相互依存的关系，但是象36V多格整体槽结构的电池，群压根据单格的位置而变化，单格性能存在差异。其结果是性能不佳的单格将左右整体电池的性能。在此通过使用CAE计算机辅助工程设计对36V电池结构进行分析，可以定量的把握电池结构对性能的影响，同时可以得到为了提高电池性能的更广范围的认知。

　　3.2 分析方法

　　分析所用36V电池的有限影响要素模型示于图9。图中根据对称条件对整体电池的1/8进行了3层次模拟试验，电池槽内插入了由极板和隔板构成的极群模型。实际的电池是在极群以压缩的状态插入电池槽内，极群组通常处于群压状态下。分析模型时为了施加群压，极板部分比实际采用的要薄，使极板部分膨胀（假定的热膨胀），使其达到所定的极板厚度，因此电池槽内极群通常为群压状态。

　　分析应用的极群的物理特性，通过实际极群的压缩试验获得。

　　3.3 分析结果

　　初期状态（极群插入电槽状态）电池槽应力的分布示于图10。由于群电池槽膨胀变形，应力多半集中在棱角部位。极群从初期状态到膨胀时的电池槽变形量的变化示于图11。随着膨胀率的增加，变形量也逐渐加大，当膨胀率超过20 %时，变形量急剧增大。这是因为膨胀率在小的范围内，可通过隔板的压缩来平衡膨胀。但是当膨胀率接近20 %时，隔板变得无弹性，极板的刚性增加，对电池槽侧面受膨胀的影响原原本本表现出来。

　　不同位置单格的变形量示于图12。两端的第1、第9单格比其他单格的变形大，特别是膨胀率在20 %以下范围时电池整体的变形90 %以上都集中在第1、第9单格的部位。极群与电池槽内壁之间的压力分布示于图13，各单格求得的压力值分别示于图14。由图可以看出边格与其他格相比压力小。

　　实测36V电池高倍率放电试验，测定各单格放电电压的结果示于图15。图14与图15的内容走向基本一致，放电性能与群压密不可分。

　　3.4 电池槽结构的研讨

　　改变电池槽短则面筋条形状时的电池槽变形量示于图16。变形量的对比，横向筋条的变形小，其原因是单格形状为立式，短侧面向外膨胀时横向筋条的曲率比竖向大，因此横向的筋条效果明显。

　　4  小结

　　通过实践可以确认，采用CAE计算机辅助工程设计开发产品，在研发电池方面非常有效，不仅可缩短开发周期，而且还可以降低成本。