热膨胀影响下的电池模组结构优化

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.ep.002

摘要/Abstract

摘要：

为了降低电芯膨胀对电池模组结构的危害，针对传统方形电池模组抑制膨胀效果的不足性，本文提出了一种方形电芯呈H形排布的新型电池模组优化结构。首先进行了方形电芯热膨胀实验，获得了电芯温度场和膨胀位移数据，结果表明电芯顶部发热最多，产生的膨胀变形相对于初始厚度增加了0.63 mm。然后基于实验数据依次建立了电芯热膨胀模型、传统方形电池模组和新型电池模组的热膨胀模型，并分析了不同充电倍率下的膨胀。最后通过仿真分析发现新型电池模组端板膨胀力最大降低了36.2%，模组膨胀变形最大减少了21%，端板与侧板应力最大分别减少了61.5%和37.4%。本文的研究能够提高电池模组的可靠性，为电池模组设计提供了新思路和参考依据。

关键词: 电池, 热膨胀, 结构优化, 仿真

Abstract:

To mitigate the detrimental effects of cell expansion on battery module structures， this paper introduces a novel optimization structure for battery modules with H-shaped cell arrangement， aiming to address the limitations in suppressing expansion effects of traditional square battery modules. Firstly， thermal expansion experiments were conducted on square battery cells to acquire temperature fields and expansion displacement data. The results indicated that the top of the battery cells exhibited the highest heat generation， leading to an expansion deformation increase of 0.63 mm compared to the initial thickness. Then， thermal expansion models were established based on experimental data for battery cells， traditional square battery modules， and the newly proposed battery modules， enabling analysis of expansion under various charging rates. Finally， through simulation analysis， it was revealed that the maximum expansion force of the end plate in the new battery module decreased by 36.2%， the maximum expansion deformation of the module decreased by 21%， and the maximum stress on the end plate and side plate decreased by 61.5% and 37.4%， respectively. This study enhances the reliability of battery modules and offers novel insights and guidance for battery module design.

Key words: battery, thermal expansion, structural optimization, simulation

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图/表 25

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项目	参数	项目	参数
长度	220 mm	容量	116 A·h
高度	108 mm	工作电压	3.75 V
厚度	33 mm	内阻	0.4 mΩ

类型	密度^［21］/（kg·m^-3）	质量^［测量］/kg	厚度^［测量］/mm	比热容/（J·（kg·K）^-1）	导热系数/（W·（m·K）^-1）
内芯	2 330	1.424	106.8/15.9/45	1 123	30.5/0.84/30.5
电池外壳	2 670	0.125	0.8/0.6/1.6	2 670	158

类别	数值
欧姆过电位	0.240 92 V
无量纲电荷交换电流	-4.304 1
扩散时间常数	62 295 s

网格尺寸/mm	网格数量	温度/℃
10	1 217	26.5
5	5 498	27.3
4	8 524	27.6
3	20 377	27.6
2	43 615	27.6

名称	0.1C	0.4C	1C	2C
端板应力/MPa	89.7	186.4	272.3	314.7
侧板应力/MPa	128.7	257.6	308.3	334.3
膨胀力/N	1 735.7	3 294.5	5 144.9	7 365.5
膨胀变形/mm	0.83	1.82	3.14	5.48