电池模组的脱胶拆解分析方法与流程

1.本发明涉及动力电池检修维护技术领域，特别涉及一种电池模组的脱胶拆解分析方法。


背景技术：

2.近年来，新能源汽车得到了快速普及，其中，以动力电池为动力源的电动车辆得到迅猛发展，众多的动力电池企业也涌向市场。
3.动力电池作为电动新能源汽车的三个主要的组件之一，其性能也越来越受到客户和大众的关注。在动力电池正常使用过程中，有时会进行动力电池的正常局部维修或更新，例如，对部分模组进行替换或检查；此时，就需要进行模组的拆解。
4.过去，当电池包出现异常问题时，通常进行整包更换，导致车辆的使用和检修成本过高；而针对电池包中出现问题的模组进行检查和针对性地模组更换，则有利于降低电池包的使用和检修成本。
5.但是，现有技术中，缺乏对电池包进行拆解，以针对性更换电池中异常模组的工艺研究；拆解过程中，可能导致模组相关零部件损坏失效，而无法再次使用；也可能因水冷板与电芯壳体之间粘附绝缘膜的导热结构胶脱离异常，而造成绝缘膜的破损失效，从而影响电池包的安全和使用性能。
6.因此，有必要研发一种模组脱胶拆解的相关分析评价方法，以便估算拆解电池模组适合的拆解力度，以便既可以顺利完成拆解过程，且能减少相关部件的损坏；从而保障电池包拆解过程的可靠性，降低因电池包拆解可能造成的安全隐患。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明旨在提出一种电池模组的脱胶拆解分析方法，便于分析估算电池模组拆解所需的适合的拆解力，有利于减少因拆解可能造成的模组粘接处导热结构胶脱离异常、绝缘膜破损等情况。
8.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
9.一种电池模组的脱胶拆解分析方法，用于估算从电池包的下底座上拆解所述电池模组需要的拆解力，通过建立模组拆解仿真模型，在所述模组拆解仿真模型中采用有限单元法将所述电池模组和所述下底座相粘接的区域划分为多个节点的单元刚度矩阵，并将拆解相关部件的属性、类型、厚度赋值到所述模组拆解仿真模型中；
10.在模组拆解仿真模型中模拟拆解所述电池模组的外部载荷作用力，并求出在外部载荷作用力下各节点的节点位移列向量{d}以及对应的单元刚度矩阵的等效应力[σ]；当粘接材料由弹性应力阶段进入塑性应力阶段时，所述外部载荷作用力的值即为拆解所述电池模组需要的拆解力。
[0011]
进一步的，所述节点位移列向量{d}在引入边界条件后采用模组拆解仿真模型的系统受力方程计算：{f}＝[k]
×
{d}；其中，[k]为系统总体刚度矩阵，{f}为节点载荷列向
量。
[0012]
进一步的，所述等效应力[σ]通过单元刚度矩阵的高斯积分点上获取。
[0013]
进一步的，所述等效应力[σ]通过单元刚度矩阵的高斯积分点上获取包括：
[0014]
在高斯积分点上，根据几何方程{ε}＝[b]
×
{d}计算高斯积分点上的应变{ε}，其中[b]为几何矩阵；根据物理方程[σ]＝[d]{ε}推导出等效应力[σ]，其中，[d]为弹性系数矩阵。
[0015]
进一步的，所述模组拆解仿真模型根据所述电池模组的拆解总成装配形式构建，包括下底座、导向设置于所述下底座上方的上支座、以及连接于所述电池模组和所述上支座之间的连接支架；所述下底座上嵌装有水冷板，所述电池模组粘接于所述水冷板上；所述下底座和所述上支座之间设置有顶升装置，所述外部载荷作用力由所述顶升装置提供。
[0016]
进一步的，所述连接支架包括设于所述上支座上的第一连接支架、以及连接于所述电池模组的侧部与所述第一连接支架之间的第二连接支架。
[0017]
进一步的，所述下底座的四个角部均设有导向杆，所述上支座经各所述导向杆导向设于所述下底座上方。
[0018]
进一步的，所述拆解相关部件包括所述连接支架、所述电池模组的壳体、所述水冷板、以及所述导向杆。
[0019]
进一步的，所述顶升装置设于所述电池模组的一侧。
[0020]
进一步的，在模组拆解仿真模型中模拟拆解所述电池模组时，所述水冷板中模拟通入75℃～110℃的液体。
[0021]
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
[0022]
本发明的电池模组的脱胶拆解分析方法，通过为待拆解的电池模组建立模组拆解仿真模型，采用有限单元法可以模拟计算出拆解电池模组所需要的拆解力，且该拆解力不至于造成电池模组粘接部位导热结构胶的脱离异常、以及水冷板、绝缘膜等的损坏，利于减少因拆解可能造成的模组粘接处导热结构胶脱离异常、绝缘膜破损等情况。
[0023]
此外，采用系统受力方程、以及高斯积分点的几何方程和物理方程，可以准确计算出节点位移列向量{d}、高斯积分点上的应变{ε}，并最终求解处单元刚度矩阵的等效应力[σ]，进而获得所需要的拆解力。
附图说明
[0024]
构成本发明的一部分的附图，是用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明是用于解释本发明，其中涉及到的前后、上下等方位词语仅用于表示相对的位置关系，均不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0025]
图1为本发明实施例所述的电池模组的脱胶拆解分析方法的步骤流程示意图；
[0026]
图2为本发明实施例所述的模组拆解仿真模型的拆解总成结构示意图；
[0027]
图3为本发明实施例所述的模组拆解仿真模型的拆解总成中电池模组、水冷板以及导热结构胶的装配结构示意图；
[0028]
图4为本发明实施例所述的非线性分析软件中钢材的相关参数设置图；
[0029]
图5为本发明实施例所述的非线性分析软件中水冷板材料的相关参数设置图；
[0030]
图6为本发明实施例所述的非线性分析软件中涉及到的求解参数的设置图；
[0031]
图7为本发明实施例所述的模组拆解仿真模型中获取的拆解力为1694n、胶应力为1.41mpa的仿真图；
[0032]
图8为本发明实施例所述的模组拆解仿真模型中获取的拆解力为1694n、水冷板应变为0.188％的仿真图；
[0033]
图9为本发明实施例所述的模组拆解仿真模型中获取的拆解力为1694n、水冷板变形为3.31mm的仿真图；
[0034]
图10为本发明实施例所述的模组拆解仿真模型中获取的拆解力为1694n、水冷板应力为53.77mpa的仿真图；
[0035]
附图标记说明：
[0036]
1、下底座；10、拆解支撑位；100、导向杆；101、水冷板；102、导热结构胶；
[0037]
2、上支座；20、拆解顶升位；201、第一连接支架；202、第二连接支架；
[0038]
3、电池模组。
具体实施方式
[0039]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0040]
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现“上”、“下”、“内”、“背”等指示方位或位置关系的术语，其为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0041]
此外，在本发明的描述中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“连接件”应做广义理解。例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，亦或是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0042]
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0043]
本发明涉及一种电池模组的脱胶拆解分析方法，该电池模组的脱胶拆解分析方法用于估算从电池包的下底座1上拆解电池模组3需要的拆解力，便于分析估算出电池模组拆解所需的适合的拆解力，从而减少因拆解可能造成的模组粘接处导热结构胶脱离异常、绝缘膜破损等情况；该方法的一种示例性流程步骤如图1所示。
[0044]
整体而言，该方法通过建立模组拆解仿真模型，在模组拆解仿真模型中采用有限单元法将电池模组3和下底座1相粘接的区域划分为多个节点的单元刚度矩阵，并将粘接处涉及材料的属性、类型、厚度赋值到模组拆解仿真模型中；在模组拆解仿真模型中模拟拆解电池模组3的外部载荷作用力，并求出在外部载荷作用力下各节点的节点位移向量以及对应的单元刚度矩阵的等效应力；当粘接材料由弹性应力阶段进入塑性应力阶段时，外部载荷作用力的值即为拆解电池模组3需要的拆解力。
[0045]
基于上述的设计思想，如图1并结合图2、图3所示，本实施例的电池模组的脱胶拆解分析方法可采用如下的具体方式进行。
[0046]
针对电池模组3在电池包中的粘接布置情况，建立模组拆解仿真模型。由于，电池
模组3主要是通过其底部的壳体粘接在电池包底部的水冷板101。因此，本实施例提供了一种适用性较强的模组拆解仿真模型的拆解总成装配形式。
[0047]
参照如2和图3所示，该模组拆解仿真模型的拆解总成结构包括下底座1、导向设置在下底座1上方的上支座2、以及连接在电池模组3和上支座2之间的连接支架。优选地，该连接支架包括设于上支座2上的第一连接支架201、以及连接在电池模组3的侧部与第一连接支架201之间的第二连接支架202。为使上支座2上下导向移动，可在下底座1的四个角部均设置一个导向杆100，将上支座2经各导向杆100导向设在下底座1上方。
[0048]
显然，为了将整个电池模组3从下底座1上拆下，连接支架应该至少配备两组，两组连接支架分别设在电池模组3的两侧，以使电池模组3均衡受力。
[0049]
在下底座1上嵌装有水冷板101，电池模组3粘接在水冷板101上；下底座1和所述上支座2之间设置有顶升装置，上述的外部载荷作用力由顶升装置提供。在实际拆解电池模组3时，该顶升装置可以采用千斤顶；拆解过程中，可以在电池模组3的一侧只设置一个千斤顶进行对上支座2的顶升，也可以在电池模组3两侧各设置一个千斤顶同步进行顶升拆解。自然，在模组拆解仿真模型的模拟计算时，也应针对实际拆解时使用的顶升装置数量和设置位置，进行相同设置的模拟计算。
[0050]
本实施例中，设置一个顶升装置，位于电池模组3一侧；如图2所示，该顶升装置放置在下底座1端部的拆解支撑位10上，顶升装置的顶部顶压在上支座2端部下表面的拆解顶升位20上。
[0051]
基于上述建立的模组拆解仿真模型的拆解总成装配形式，本发明的方法采用有限单元法对模组拆解进行结构静力学分析，通过求解结构的基本控制方程，得到拆解模型中所有节点的的刚度矩阵、位移列向量、载荷的列向量等数据。此前，需要把拆解相关部件的属性、类型、厚度赋值到模组拆解仿真模型中，基于上述的拆解总成的结构，该处的拆解相关部件包括连接支架、电池模组3的壳体、水冷板101、以及导向杆100；包括这些部件的材质、应力系数、类型、厚度等相关参数。
[0052]
需要说明的是，本发明的仿真计算，需要充分考虑部件材料的非线性本构关系，分析计算使用现有的非线性分析软件进行即可。图4和图5分别示出了分析软件中钢材(连接支架和导向杆100使用钢材的情况)和水冷板材料的相关参数设置。
[0053]
在分析求解过程中，非线性分析软件涉及到对求解参数的设置，为充分准确考察整个模组拆解过程中的水冷板101受力及变形情况，需要设置拆解工装与水冷板101之间的接触、导向杆(100)及下底座(1)和上支座(2)之间的接触等，同时需要几何非线性、材料非线性及接触非线性等的考量。该处的相关参数设置如图6所示。
[0054]
完成上述的设置后，即可进行仿真模拟，并求解单元刚度矩阵的等效应力[σ]。根据有限元基础理论及材料的塑性行为，若模组拆解仿真模型的系统在外部载荷作用力下，可得到其受力方程如下：
[0055]
{f}＝[k]x{d}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0056]
其中[k]为系统总体刚度矩阵，{d}为节点位移列向量，{f}为节点载荷列向量。
[0057]
在引入边界条件后，求解方程(1)可得到节点位移列向量{d}；得到位移解后，可求解应变解和应力解。
[0058]
在此需要指出的是，分析载荷及边界的建立，基于本实施例的模组拆解仿真模型
的拆解总成装配形式，分析边界为下底座1上四个导向杆100的安装孔，由它们进行全约束，同时约束水冷板101一端部分节点的x及y向自由度。
[0059]
在常温条件下的拆解，外部载荷作用力为在上支座2端部施加拆解力7497n左右，可根据实际情况调整。但在本实施例的模组拆解仿真模型中、以及实际的拆解中，为提升拆解的效率与安全性、降低拆解可能造成的损坏，采用在高温条件下进行电池模组3的拆解。此间，在模组拆解仿真模型中模拟拆解电池模组3时，水冷板101中模拟通入75℃～110℃的液体，以提升电池模组3粘接部位的温度，在实际拆解时也采用同样的升温操作。
[0060]
基于上述求解方程(1)得到节点位移列向量{d}，应变和应力首先通过单元高斯积分点上获取。
[0061]
在高斯积分点上，根据以下的几何方程进行计算：
[0062]
{ε}＝[b]x{d}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0063]
根据方程(2)可计算得到高斯积分点上的应变{ε}，其中[b]为几何矩阵。
[0064]
再根据胡克定律和几何方程推导出应力，即以下的物理方程(3)，来计算高斯积分点的应力
[0065]
[σ]＝[d][b]{d}＝[d]{ε}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
其中，[σ]为高斯积分点处应力，[d]为弹性系数矩阵，即通常的弹性模量e。
[0067]
在考虑材料的非线性本构关系后，材料在外部载荷作用力下，在经历弹性阶段后会慢慢进入塑性阶段，此时得到的应力为塑性应力和塑性应变；此刻正好是可以实现电池模组3被拆下所需要的拆解力，且不会造成电池模组3粘接处导热结构胶102脱离异常、绝缘膜破损等情况。
[0068]
经过上述的求解计算，可以得到在保证导热结构胶102完整脱离以及水冷板101不破坏等情况下的拆解力。同时，如图1所示，在积分求解的过程中，当计算结果难以收敛，可能是设置的模型及其连接等参数、或者求解的相关参数设置不合理，应通过原因分析对相关参数进行调整。
[0069]
如图7～10所示，拆解力为1694n时导热结构胶应力为1.41mpa，小于导热结构胶破坏阀值1.5mpa；水冷板101塑性应变结果为0.188％，小于0.2％；水冷板101变形仅为3.31mm，不会造成水冷板101的失效；水冷板101应力结果为53.77mpa，小于54mpa。此时，水冷板101及流道钎焊处不会被破坏。
[0070]
通过上述的仿真计算和理论分析，可建议在实际操作中，电池模组3拆解时，实现水冷板101脱胶的拆解力应小于1700n，这样可保证导热结构胶102完整不破坏，且水冷板101流道钎焊处不破裂等。下表示出了模组脱胶拆解的理论分析结果：
[0071][0072]
通过上述的仿真计算和理论分析，获得的拆解力值可应用到实际的电池模组3的拆解中，可保证模组的正常拆解，各零部件不易损坏而能继续正常使用。如水冷板101与电池模组3的壳体间的绝缘膜能正常脱离之间的导热结构胶102，本发明的分析技术流程及评估方法提供了一种快速找出模组拆解力的高效分析方法及途径，能极大的降低企业的研发成本，对整个电池包的安全性及使用周期都有着积极的作用。
[0073]
该方法能大幅度缩短模组拆解工作，能较好的为模组及整包修改等工作提供参考和借鉴。同时，该方法中充分考虑了模组之间各零部件的关系，从模组拆解时对水冷板101及导热结构胶102脱离等方面出发，对实际工程指导意义重大。
[0074]
综上所述，本实施例的电池模组的脱胶拆解分析方法，通过为待拆解的电池模组3的建立模组拆解仿真模型，采用有限单元法可以模拟计算出拆解电池模组3所需要的拆解力，且该拆解力不至于造成电池模组3粘接部位导热结构胶102的脱离异常、以及水冷板101、绝缘膜等的损坏，利于减少因拆解可能造成的模组粘接处导热结构胶脱离异常、绝缘膜破损等情况。
[0075]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。