软包锂离子电池用铝塑膜成形性能研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.07.003

摘要/Abstract

摘要：

为保证软包锂离子电池用铝塑膜封装的可靠性，须严格控制成形后的铝层厚度，而其获得依赖大量的实物试验，导致前期设计优化和后期生产过程质量监控均须耗费高额成本。本文采用实物试验和仿真模拟相结合的方法，构建能精准表征铝塑膜力学性能的本构方程，并提出基于整体铝塑膜厚度对铝层厚度的预测方法，实现成形后铝塑膜和铝层厚度的精准预测。同时，基于仿真DOE，筛选关键影响因子，构建响应曲面模型，实现不同产品的快速预测及最佳参数匹配设计，也为生产实时质量监控提供解决方案。研究结果表明，多层复合铝塑膜在塑性阶段表现出了明显的各向异性，3参数Barlat-Lian本构模型，可较好表征铝塑膜的各向异性性能，明显优于单一方向弹塑性模型，可实现铝塑膜成形性能的精准预测。所构建的响应曲面模型可替代精细化有限元模型，实现对铝塑膜和铝层厚度精准预测和参数优化，误差小于5%，工艺参数优化后冲压成形铝层厚度可提升10%~20%。集成开发的应用APP可满足冲压工艺参数的快速设计评估、优化及成形质量实时监控等应用需求。

关键词: 锂电池, 铝塑膜, 冲压成形, 各向异性, 响应曲面, 预测及优化

Abstract:

To ensure the reliability of aluminum-plastic film encapsulation for lithium-ion batteries， strict control of the aluminum layer thickness after forming is necessary. However， obtaining the thickness relies heavily on physical experiments， resulting in high cost for both early design optimization and later production process quality monitoring. In this paper， a combination of physical experiments and simulation modeling is adopted to establish a constitutive equation that can well characterize the mechanical properties of the pouch during forming. Additionally， a prediction method for the aluminum layer thickness based on the overall aluminum-plastic film thickness is proposed， enabling precise prediction of the aluminum-plastic film and aluminum layer thickness after forming. Furthermore， based on simulation Design of Experiments （DOE）， key influencing factors are screened to construct a response surface model， facilitating rapid prediction and optimal parameter matching design for different products， which also provides a solution for online monitoring of forming quality during production. The results show that the multi-layer composite aluminum-plastic film exhibits obvious anisotropy during the plastic stage. The 3-parameters Barlat-Lian constitutive model effectively represents the anisotropic properties of the film， and outperforms the single-directional elastic-plastic model， achieving accurate prediction of the aluminum-plastic film performance after forming. The constructed response surface model can replace the refined finite element model， and have excellent prediction accuracy for the thickness of the composite aluminum-plastic film and the aluminum layer， with an error less than 5%. By optimizing the process parameters， the formed thickness of the aluminum layer can be increased by 10%~20%. The integrated development application APP can meet the requirements for quick design evaluation， parameters optimization， and online monitoring of the forming quality.

Key words: lithium-ion batteries, aluminum-plastic film, pouch forming, anisotropy, response surface, prediction and optimization

邓道林. 软包锂离子电池用铝塑膜成形性能研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(7): 1157-1166.

Daolin Deng. Study on Forming Performance of Aluminum-Plastic Film for Pouch Lithium-Ion Batteries[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(7): 1157-1166.

图/表 24

图1

表1

试样尺寸"

a/μm	b/mm	r/mm	$L 0$ /mm	$L c$ /mm	$L t$ /mm	B/mm	$h 1$ /mm	h/mm
153	15	25	50	90	160	30	20	15

表1

图2

图3

表2

图4

图5

表3

DNP153材料参数1"

方向	E/MPa	$ν$	抗拉强度/MPa	断裂应变
0°			120.8	0.68
45°	6 000	0.31	113.2	0.54
90°			116.0	0.49

表3

图6

表4

DNP153材料参数2"

E/MPa	$ν$	m	r₀	r₄₅	r₉₀
6 000	0.31	6	1.234	4.227	1.075

表4

图7

图8

表5

试验-仿真对标结果"

项目	试验值	仿真MAT36	仿真MAT24
材料参数	弹性	E=6000 MPa， $ν = 0.31$
	塑性曲线	0°/45°/90°	0°	45°	90°
	各向异性	m、r₀、r₄₅、r₉₀ 见表4
角位铝塑膜厚度/μm	99	98	84	87	90
角位铝层厚度/μm	24.2	24	19.8	20.7	21.5

表5

表6

表7

表8

图9

图10

表9

图11

图12

表10

图13

图14

参考文献 21

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凸模	长度/mm	宽度/mm	顶边圆角/mm	侧边圆角/mm	顶边棱角/mm
凸模	208.9	116.5	2	5	2
凹模	长度/mm	宽度/mm	圆角/mm	棱边圆角/mm
凹模	209.8	117.4	0.8	2.15
配合参数	压边力/N		凹凸模间隙/mm		中间茎宽/mm
配合参数	70 000		0.45		0.4

参数名称		低水平	高水平
冲压深度	A	5	10
凹凸模间隙	B	0.35	0.7
凸模顶边R角	C	1	3
凸模侧边R角	D	5	10
凸模棱边R角	E	1	3
凹模R角	F	0.8	1.8
中间茎宽	G	0.3	0.6

序号	A/mm	B/mm	C/mm	D/mm	E/mm	F/mm	G/mm	A角位铝塑膜厚度/μm	A角位铝层厚度/μm
1	5	0.35	1	5	1	0.8	0.3	117.52	29.48
2	10	0.7	1	10	1	0.8	0.3	114.17	28.51
3	10	0.7	3	10	3	1.8	0.6	116.63	29.22
4	5	0.7	1	10	3	0.8	0.6	129.58	32.97
5	10	0.35	1	10	3	1.8	0.3	112.21	27.95
6	5	0.35	1	10	1	1.8	0.6	132.67	33.86
7	10	0.7	3	5	3	0.8	0.3	104.33	25.67
8	10	0.35	3	5	1	1.8	0.3	103.63	25.47
9	5	0.7	3	5	1	0.8	0.6	127.46	32.35
10	10	0.35	1	5	3	0.8	0.6	97.25	23.62
11	5	0.35	3	5	3	1.8	0.6	131.13	33.41
12	5	0.7	3	10	1	1.8	0.3	141.88	36.52
13	10	0.7	1	5	1	1.8	0.6	101.29	24.79
14	5	0.7	1	5	3	1.8	0.3	126.33	32.03
15	10	0.35	3	10	1	0.8	0.6	113.50	28.32
16	5	0.35	3	10	3	0.8	0.3	130.88	33.34
17	7.5	0.525	2	7.5	2	1.3	0.45	114.92	28.73

来源	自由度	平方和	均方和	F值	P值
合计	16
模型	12	2 592.7	216.1	525.3	0.000
线性	7	2 514.0	359.2	873.2	0.000
A	1	1 901.8	1 901.8	4 623.7	0.000
B	1	32.8	32.8	79.7	0.001
C	1	92.1	92.1	224.0	0.000
D	1	426.0	426.0	1 035.8	0.000
E	1	0.9	0.9	2.2	0.215
F	1	60.3	60.3	146.6	0.000
G	1	0.1	0.1	0.3	0.605
2因子交互作用	4	64.6	16.2	39.3	0.002
AC	1	9.1	9.1	22.1	0.009
AD	1	19.0	19.0	46.2	0.002
AF	1	30.4	30.4	74.0	0.001
AG	1	6.1	6.1	14.9	0.018
弯曲	1	14.0	14.0	34.1	0.004
误差	4	1.65	41

参数名称		Model_1	Model_2
凸模	长度/mm	208.9	135
	宽度/mm	116.5	83.5
	凸模顶边R角/mm	2	2
	凸模侧边R角/mm	5	6
	凸模棱边R角/mm	2	1.8
凹模	长度/mm	209.8	136.2
	宽度/mm	117.4	84.7
	凹模R角/mm	0.8	1.8
	棱边R角/mm	2.15	1.95
	中间茎宽/mm	0.4	0.6
配合	凹凸模间隙/mm	0.45	0.6