受世界范圍內(nèi)能源危機(jī)和環(huán)保節(jié)能理念的影響，新能源汽車迅猛發(fā)展，同時在雙碳政策的影響下，電動汽車的市場份額逐年增高。隨著電動汽車市場保有量的增加，對電動汽車的安全性也提出了更高的要求。目前，無模組（Cell To Pack, CTP）電池包能夠更好地適應(yīng)和滿足電動汽車對于高續(xù)駛里程的需求，逐漸成為目前新能源汽車行業(yè)高續(xù)駛里程車型的主流選擇。CTP技術(shù)主要是利用結(jié)構(gòu)膠或?qū)峤Y(jié)構(gòu)膠來完成電芯組與箱體之間的粘接固定，以實(shí)現(xiàn)電池包的長期可靠性。作為CTP方案的主要承力零件，結(jié)構(gòu)膠的評估就顯得越來越重要，包括模組底部結(jié)構(gòu)膠脫膠的仿真評估方式，以及后續(xù)振動試驗結(jié)束后結(jié)構(gòu)膠失效區(qū)域的表征方法。

1、CTP電池包概述

CTP結(jié)構(gòu)是指動力電池包（見圖1）由電芯（特別是方形電芯）直接組裝到Pack殼體中，這種結(jié)構(gòu)省卻或大幅度減少了中間模組部件，大大減輕了電池包的整體質(zhì)量，直接為電動汽車的輕量化和續(xù)駛里程做出了貢獻(xiàn)。這種CTP結(jié)構(gòu)的電池包，一般需要大量使用膠黏劑來連接固定電芯，而無法使用傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式。

膠接固定電芯方式大多是將電芯通過導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠粘接在液冷板上方，然后通過上蓋完成電池包的封裝。這樣的設(shè)計方案中電芯上方需要留出上蓋的安裝間隙，浪費(fèi)包內(nèi)空間，且液冷板面積較大，平面度無法保證。粘接電芯時，膠層厚度難以控制，且沖壓式大液冷板剛度較差，電芯裝配入箱后無法施壓將膠黏劑攤開，電芯粘接面積較難控制。

電芯底部采用導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠膠接，在加熱固化工序中必須采用合理的工裝夾具和加熱參數(shù)，以保證產(chǎn)品性能。涂膠工藝必須按照圖紙要求操作，包括涂膠位置、涂膠量以及膠水型號等，需用膠水填補(bǔ)液冷板平面度差的位置，以保證充分壓實(shí)。振動試驗是《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（GB38031－2020）（下文簡稱“國標(biāo)”）中針對電池包和電池系統(tǒng)的主要安全性試驗之一。導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠作為CTP電池包的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，在滿足膠黏劑本身的性能要求以外，需通過耐振性能測試，再結(jié)合有限元分析的結(jié)果進(jìn)而評估實(shí)際狀態(tài)下，導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠能否滿足設(shè)計需求。

2、仿真評估脫膠面積

采用國標(biāo)中安全測試的振動功率譜對電池組進(jìn)行隨機(jī)載荷加載，對結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力進(jìn)行分析。分別施加X、Y、Z三個方向的振動載荷，求解完成后，統(tǒng)計導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的法向應(yīng)力，應(yīng)力值超出仿真評估標(biāo)準(zhǔn)值的部分即為脫膠區(qū)域。CTP電池包電芯膠粘示意圖如圖3所示，根據(jù)設(shè)計要求可知，模組底部（導(dǎo)熱）結(jié)構(gòu)膠的厚度是一定的，故脫膠區(qū)域與總膠粘區(qū)域的面積比等于脫膠區(qū)域與總膠粘區(qū)域的體積比。脫膠面積占比公式如下：

T為脫膠面積；AZ為總膠粘面積；VT為脫膠體積；VZ為總膠粘體積。

綜合多個項目經(jīng)驗，仿真制定出脫膠面積的安全閾值，如表1所示。

3、試驗實(shí)測脫膠面積

針對CTP項目，可通過紅墨水示蹤法對脫膠縫隙實(shí)現(xiàn)浸潤，待墨水干燥后拆解模組即可顯示脫膠區(qū)域。紅墨水法的原理是模組脫膠區(qū)域與液冷板導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)膠的界面存在縫隙，當(dāng)膠量偏少時，膠不足以實(shí)現(xiàn)電芯和液冷板的全面結(jié)合，產(chǎn)生了更多的膠粘不良，導(dǎo)致紅墨水滲入；而當(dāng)膠量開始增加到一定程度，已經(jīng)足以實(shí)現(xiàn)電芯和液冷板的全面結(jié)合時，膠粘不良將趨于沒有，紅墨水將無法滲入。首先開展振動試驗（見圖4），振動試驗結(jié)束后，對電池包進(jìn)行拆解，觀察是否存在結(jié)構(gòu)破壞或異常，將電池包放電至電池的荷電狀態(tài)為20%，拆除高壓匯流排，裁斷模組極片；

然后在電芯組縫隙間注入紅墨水（見圖5），靜置數(shù)日（可利用烘箱加速干燥），待紅墨水完全滲入干涸后，拆除所有電芯組；最后，依照圖6中的方法查看脫膠位置及面積大小，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比對。

4、結(jié)果與討論

4.1原始方案仿真與試驗對標(biāo)

4.2加強(qiáng)方案仿真與試驗對標(biāo)

針對原始方案剛度不足且脫膠面積較大的情況，對電池包進(jìn)行了加強(qiáng)。為驗證仿真模型的準(zhǔn)確性，采用某CTP電池包加強(qiáng)方案進(jìn)行了模態(tài)和振動臺架試驗對標(biāo)（見圖8）。振動前進(jìn)行掃頻測試，主要用于模態(tài)模型對標(biāo)，掃頻共振頻率約為38.9Hz，仿真結(jié)果電池包一階模態(tài)為37.7Hz，仿真與試驗一致率為96.9%，模型準(zhǔn)確度較高。根據(jù)前述搭建的有限元模型，計算出脫膠面積占比為2.7%（綠色項），仿真判定無振動風(fēng)險。為驗證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，故開展試驗驗證，振前掃頻為38.9Hz，振后掃頻為39.1Hz，無掉頻現(xiàn)象，判定振動試驗通過。利用紅墨水法對電池包進(jìn)行拆解，拆解后發(fā)現(xiàn)，模組底部近乎無脫膠現(xiàn)象，脫膠面積占比為2.5%，仿真與試驗一致率為92.0%，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。脫膠面積匯總結(jié)果如表3所示。

5、結(jié)論

本文以某方形鐵鋰電池為模型，以標(biāo)準(zhǔn)GB38031－2020中對電池進(jìn)行振動測試的載荷PSD為計算邊界，采用模態(tài)疊加法計算電池殼體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度是否滿足要求。振動試驗完成后，采用紅墨水法對CTP電池包進(jìn)行拆解統(tǒng)計脫膠面積，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對標(biāo)。最終得出以下結(jié)論：

1）本文的模態(tài)分析結(jié)果與掃頻測試結(jié)果的一致率均在90%以上，說明了本文建模方法和系統(tǒng)各零部件材料參數(shù)設(shè)置是合理的；

2）本文的仿真評估與試驗實(shí)測脫膠面積的一致率均在90%以上，說明了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性；

3）當(dāng)脫膠面積在3%以內(nèi)，無振動失效風(fēng)險；當(dāng)脫膠面積占比在3%～5%之間，存在振動失效風(fēng)險；當(dāng)脫膠面積占比在5%以上，振動失效風(fēng)險較大。

電池資料

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