基于CAE電池管理模塊失效分析及改進(jìn)，分享這份能量

2018-11-22 11:24:00

電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車已成為未來(lái)汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，隨著電動(dòng)車的發(fā)展，對(duì)先進(jìn)電池的需求和對(duì)電池管理系統(tǒng)的要求也日益提高。電池管理系統(tǒng)測(cè)量監(jiān)測(cè)電池組的電壓、充放電電流、工作溫度，并根據(jù)電壓狀態(tài)控制電流的充放電，根據(jù)溫度狀態(tài)推斷電池當(dāng)前的狀態(tài)。電池管理系統(tǒng)對(duì)于電動(dòng)汽車的安全、保持電池組性能，延長(zhǎng)使用壽命、提高電池使用效率有重要意義。

作為電動(dòng)/混合動(dòng)力汽車中的一個(gè)關(guān)鍵部件，電池管理系統(tǒng)要經(jīng)受住各種振動(dòng)以及環(huán)境溫度變化、灰塵、防水、防潮等環(huán)境的考驗(yàn)。因此在實(shí)際中，常常使用電子密封膠將電池管理系統(tǒng)模塊的電子元器件進(jìn)行灌封，灌封膠固化以后可以起到耐溫、防潮、防塵、絕緣、防震等作用。

鑒于電子灌封膠的使用環(huán)境，對(duì)其粘接性能、絕緣性能和耐候性能具有較高的要求。電子灌封膠種類非常多，從材質(zhì)類型來(lái)說(shuō)，目前使用最常見的主要分為三種，即環(huán)氧樹脂灌封膠、有機(jī)硅樹脂灌封膠、聚氨酯灌封膠。在實(shí)際應(yīng)用中，三種灌封膠各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)和研發(fā)電池管理系統(tǒng)時(shí)，常常將電池管理模塊小批量樣品進(jìn)行多種環(huán)境試驗(yàn)比如振動(dòng)、防水、環(huán)境溫度變化等試驗(yàn)，以驗(yàn)證電池管理模塊是否能在不同環(huán)境下正常工作。現(xiàn)有一款灌封的電池管理模塊在溫度箱中進(jìn)行高低溫試驗(yàn)時(shí)，發(fā)生主芯片管腳脫焊，導(dǎo)致該電池管理模塊無(wú)法正常工作。

電池管理模塊包括不同的電子元件、電路板、外殼等多個(gè)零件，并且灌封膠將這些器件密封在內(nèi)部。憑借常規(guī)方法在眾多影響因素中找出在高低溫試驗(yàn)中芯片脫焊失效的具體原因相當(dāng)困難，這樣也難以找到改進(jìn)的方法。

借助于CAE仿真分析，模擬電池管理模塊在高低溫試驗(yàn)過(guò)程，可以獲得密封膠內(nèi)部各個(gè)器件的變形和應(yīng)力狀態(tài)，從而識(shí)別出電池管理模塊失效原因，進(jìn)而找到改進(jìn)措施。另外傳統(tǒng)設(shè)計(jì)、小批量樣品、試驗(yàn)驗(yàn)證的周期長(zhǎng)并且風(fēng)險(xiǎn)大，而CAE仿真分析可以快速分析不同設(shè)計(jì)方案，可以大大縮短電池管理模塊的研發(fā)周期以及減少開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

1.電池管理模塊高低溫試驗(yàn)仿真分析

該電池管理模塊小批量樣品在進(jìn)行高低溫環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，QFN式微控制器管腳與焊盤發(fā)生脫焊現(xiàn)象，導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)不能正常工作。通過(guò)仿真分析尋找微控制器管腳脫焊的原因，并提出改進(jìn)措施。

1.1 電池管理模塊幾何模型

該電池管理模塊主要包括電池夾持端、shunt、電路板PCB、微控制器、連接pin針、繼電器、電容、外殼等。微控制器以QFN方式貼裝在PCB上。連接pin針采用焊接在PCB上。該電池管理模塊的樣品設(shè)計(jì)幾何模型如下圖所示。

電池管理模塊初始設(shè)計(jì)幾何模型

1.2 電池管理模塊有限元模型

在建立電池管理模塊有限元模型時(shí)，忽略體積比較小的部分元器件。電池夾持端、shunt、連接pin針等預(yù)埋在塑料外殼中，它們與外殼之間以綁定模擬。PCB由外殼上的凸起臺(tái)階定位，通過(guò)焊錫與pin針焊接在一起。微控制器、繼電器、電容等焊接在PCB上。灌封膠與各器件以及外殼之間以接觸模擬。建立的電池管理模塊有限元模型如下圖所示。

電池模塊初始設(shè)計(jì)的有限元模型

該電池管理模塊中各零件涉及到多種材料模型，各個(gè)器件的材料名稱如下表所示。

灌封膠Bectron PU4526是一種水性雙組份聚氨酯類灌封膠，工作溫度可達(dá)130℃。其硬度為Shore D 50~60，玻璃轉(zhuǎn)化溫度Tg為7℃左右。灌封膠Bectron PU 4526的泊松比為0.47，其彈性模量和熱膨脹系數(shù)隨溫度變化的規(guī)律如下圖所示。在高低溫試驗(yàn)溫度范圍-40~105℃中，該灌封膠將呈現(xiàn)明顯非線性材料特性。

Bectron PU 4526材料特性

表1 電池模塊中各器件材料屬性表

仿真模型中，電路板PCB材料模型采用各向異性模型，灌封膠Bectron PU 4526材料模型采用隨溫度變化的非線性材料模型。其他材料采用線彈性模型。

1.3電池管理模塊高低溫試驗(yàn)仿真分析

電池管理模塊的高低溫試驗(yàn)過(guò)程如下所述：試驗(yàn)所處的環(huán)境溫度為25℃。低溫試驗(yàn)時(shí)，將該模塊放置于試驗(yàn)箱內(nèi)，然后將試驗(yàn)箱中空氣溫度以規(guī)定的速率降低到規(guī)定的低溫-40℃。在箱內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定后，該模塊應(yīng)該在低溫條件下暴露規(guī)定的時(shí)間。然后將試驗(yàn)箱中空氣溫度以規(guī)定的速率升高到規(guī)定的高溫105℃。在箱內(nèi)溫度達(dá)到穩(wěn)定后，該模塊應(yīng)該在高溫條件下暴露規(guī)定的時(shí)間。最后將試驗(yàn)箱中空氣溫度以規(guī)定的速率降低到環(huán)境溫度。

試驗(yàn)時(shí)溫度以規(guī)定的速率緩慢下降，可以處理為靜態(tài)過(guò)程。在仿真分析時(shí)，主要分析25~-40oC降溫過(guò)程和25~105℃升溫過(guò)程。

1.3.1工況25~-40oC分析結(jié)果

該電池管理模塊原始設(shè)計(jì)25~-40oC降溫過(guò)程的部分關(guān)鍵部件的仿真分析結(jié)果如下圖所示。

降溫25~-40oC的總變形云圖

電池模塊原始設(shè)計(jì)25~-40oC降溫過(guò)程的總變形云圖表明：電路板最大變形量最大，變形為0.12mm，并且微控制器兩側(cè)的電路板變形量不一致。

降溫25~-40oC微控制器管腳應(yīng)力（MPa）

降溫25~-40oC焊錫應(yīng)力（MPa）

降溫25~-40oC連接pin針應(yīng)力（MPa）

降溫25~-40oC灌封膠應(yīng)力（MPa）

在電池管理模塊原始設(shè)計(jì)中，由于微控制器管腳材料采用了線性模型，在降溫過(guò)程仿真中微控制器管腳的應(yīng)力達(dá)到了1075MPa，表明微控制器管腳應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了材料的屈服極限。焊錫的最大應(yīng)力達(dá)到了139.4MPa，超過(guò)了焊錫的強(qiáng)度極限。密封膠的最大應(yīng)力達(dá)到了253.3MPa。

1.3.2工況25~105oC分析結(jié)果

該電池管理模塊原始設(shè)計(jì)25~105oC降溫過(guò)程的部分關(guān)鍵部件仿真分析結(jié)果如下圖所示。

升溫25~105oC的總變形云圖

電池模塊原始設(shè)計(jì)25~105oC升溫過(guò)程的總變形云圖表明：電路板的最大變形量最大，變形量為0.15mm，并且微控制器兩側(cè)的電路板變形量不一致。

升溫25~105oC微控制器管腳應(yīng)力（MPa）

升溫25~105oC焊錫應(yīng)力（MPa）

升溫25~105oC連接pin針應(yīng)力（MPa）

升溫25~105oC灌封膠應(yīng)力（MPa）

在電池管理模塊原始設(shè)計(jì)中，在升溫過(guò)程仿真中微控制器管腳的應(yīng)力達(dá)到了492.3MPa。焊錫的最大應(yīng)力達(dá)到了147.3MPa，超過(guò)了焊錫的強(qiáng)度極限。密封膠的最大應(yīng)力達(dá)到了4.6。

1.3.3電池管理模塊高低溫失效原因

在降溫過(guò)程和升溫過(guò)程中各器件的最大應(yīng)力匯總?cè)缦卤硭尽?

表2 電池管理模塊中各器件最大應(yīng)力

對(duì)比分析結(jié)果表明，各器件最大應(yīng)力降溫過(guò)程比升溫過(guò)程大。

通過(guò)降溫過(guò)程的變形云圖可知：外殼發(fā)生收縮，由于加強(qiáng)筋一側(cè)殼體厚度相對(duì)較厚，微控制器兩側(cè)的外殼部分變形不一致，這樣電路板PCB發(fā)生彎曲，導(dǎo)致微控制器與電路板PCB之間的相對(duì)變形變大。如果去掉外殼上的加強(qiáng)筋，可以適當(dāng)減少外殼的收縮變形，從而減少位置控制器與電路板PCB之間的相對(duì)變形。

灌封膠Bectron PU4526在其玻璃轉(zhuǎn)化溫度7℃附近材料特性發(fā)生顯著變化。當(dāng)溫度降低到Bectron PU 4526玻璃轉(zhuǎn)化溫度附近時(shí)，該灌封膠的彈性模量明顯變大7-10倍，熱膨脹系數(shù)減小2-3倍左右。這樣雖然降溫過(guò)程的溫度差65℃小于升溫過(guò)程的溫度差85℃，但降溫過(guò)程中的熱應(yīng)力大于升溫過(guò)程。在降溫過(guò)程中，微控制器管腳很容易發(fā)生失效。