1 前言

CAE（計算機輔助工程）用于電池開發設計是非常有效的方法。

將CAE用于電池開發設計的事例，其中含未發表的部分列于表1。CAE（計算機輔助工程設計）適用于流體、鑄造、塑性加工等多種復雜的領域。本文介紹的是研討拓展CAE的適用范圍，將其用于可靠性高的固定型VRLA電池的結構設計的應用事例，是有關為提高36V—VRLA電池的性能，采用CAE研究電槽形狀的實例報告。

2 事例（1）：固定型VRLA電池

2.1 分析的目的

固定型VRLA電池一般要求壽命性能在10年以上，特別是用于備用電源用途的電池，在使用期間必須確保電池性能。因此，這種類型的電池要求可靠性更高。眾所周知，備用電源用蓄電池長時間的涓流充電，導致電池內部正板柵逐漸氧化腐蝕，隨著氧化體積增大，極板本身膨脹變形。因此，在長期使用期間，為了維持電池的性能，有必要將極板膨脹以某種形式吸收，避免電池槽變形及破碎的現象出現。電池內部吸收時也能引起匯流排變形、破損，難以維持電池性能。

在設計VRLA電池時，重要之處是對使用期間可預測到的問題進行定量預測、采取對策。在此研討了采取CAE（計算機輔助工程）設計對電池強度進行分析，試圖預測使用中有可能出現的現象，要求進一步地提高電池的可靠性。

2.2 分析方法

經分析的VRLA電池有限影響要素模式示于圖1。正極群進行了3層次模型化分析。模型化分析后進行裝槽。板極膨脹是依據極板的膨脹率給與假定的溫度，通過熱膨脹表現極板的膨脹。分析是基于有限影響要素的分析程序。

分析所用的物性數據是采用圖2所示的各種實驗進行的，測定了構成電池各部位材料的強度。

2.3 分析結果

極群膨脹時的電池與電池內極群的應力分布示于圖3。應力是集中在極柱樹脂封口部分和與此接近的電池槽、蓋部分。采用計算機模擬的變形、應力的分布與使用實物電池的變形、破壞試驗結果的對比示于圖4。

模擬模型是使電池內部的極群強制地向上方移位，觀測達到電池被破壞程度時的狀態，兩者的變形過程一致。并確認在應力高的部位出現電池槽白化，發生了破壞，從而確認了計算機模擬的有效性。

從計算機模擬、模型驗證的結果看，當設定極板的最大膨脹率超過5 %時，電池槽仍然完好，從而確認了這個電池的安全性能。

2.4 提高可靠性能

降低電池槽應力的試驗，極板腳從2只削減為1只后的試驗效果示于圖5、圖6。對比分析結果時，極板腳為一只，電池槽的最大應力削減了40%，并進一步提高了可靠性能。

削減電池內部匯流排應力的試驗，研究匯流排的形態（形狀）。根據傳統的形狀和極柱附近寬幅的新形狀求出應力分布，其結果示于圖7。匯流排長方向應力狀態的對比示于圖8。兩者的對比結果是易引起破損的箭頭部分，最大可削減50%，這樣有效地提高了可靠性能。

3 事例（2）：36V—VRLA電池

3.1 分析的目的

36V—VRLA電池（以下簡稱36V電池），從其使用條件來講對電池性能的要求很高。眾所周知，高倍率放電性能是極板與隔板以及極群的壓力（以下稱群壓）有著相互依存的關系，但是象36V多格整體槽結構的電池，群壓根據單格的位置而變化，單格性能存在差異。其結果是性能不佳的單格將左右整體電池的性能。在此通過使用CAE計算機輔助工程設計對36V電池結構進行分析，可以定量的把握電池結構對性能的影響，同時可以得到為了提高電池性能的更廣范圍的認知。

3.2 分析方法

分析所用36V電池的有限影響要素模型示于圖9。圖中根據對稱條件對整體電池的1/8進行了3層次模擬試驗，電池槽內插入了由極板和隔板構成的極群模型。實際的電池是在極群以壓縮的狀態插入電池槽內，極群組通常處于群壓狀態下。分析模型時為了施加群壓，極板部分比實際采用的要薄，使極板部分膨脹（假定的熱膨脹），使其達到所定的極板厚度，因此電池槽內極群通常為群壓狀態。

分析應用的極群的物理特性，通過實際極群的壓縮試驗獲得。

3.3 分析結果

初期狀態（極群插入電槽狀態）電池槽應力的分布示于圖10。由于群電池槽膨脹變形，應力多半集中在棱角部位。極群從初期狀態到膨脹時的電池槽變形量的變化示于圖11。隨著膨脹率的增加，變形量也逐漸加大，當膨脹率超過20 %時，變形量急劇增大。這是因為膨脹率在小的范圍內，可通過隔板的壓縮來平衡膨脹。但是當膨脹率接近20 %時，隔板變得無彈性，極板的剛性增加，對電池槽側面受膨脹的影響原原本本表現出來。

不同位置單格的變形量示于圖12。兩端的第1、第9單格比其他單格的變形大，特別是膨脹率在20 %以下范圍時電池整體的變形90 %以上都集中在第1、第9單格的部位。極群與電池槽內壁之間的壓力分布示于圖13，各單格求得的壓力值分別示于圖14。由圖可以看出邊格與其他格相比壓力小。

實測36V電池高倍率放電試驗，測定各單格放電電壓的結果示于圖15。圖14與圖15的內容走向基本一致，放電性能與群壓密不可分。

3.4 電池槽結構的研討

改變電池槽短則面筋條形狀時的電池槽變形量示于圖16。變形量的對比，橫向筋條的變形小，其原因是單格形狀為立式，短側面向外膨脹時橫向筋條的曲率比豎向大，因此橫向的筋條效果明顯。

4 小結

通過實踐可以確認，采用CAE計算機輔助工程設計開發產品，在研發電池方面非常有效，不僅可縮短開發周期，而且還可以降低成本。