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2015产品创新数字化征文:基于CAE电池管理模块失效分析及改进

2015/11/10    来源:e-works    作者:谢德东      
关键字:CAE  电池管理  失效分析  
本文在研发一款电池管理模块时,通过CAE仿真分析模拟高低温试验过程,找到了该电池管理模块的失效原因,并对该模块初始设计进行了改进,确定了最终的量产产品设计方案。

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0 引言

    电动/混合动力汽车已成为未来汽车技术发展的趋势,随着电动车的发展,对先进电池的需求和对电池管理系统的要求也日益提高。电池管理系统测量监测电池组的电压、充放电电流、工作温度,并根据电压状态控制电流的充放电,根据温度状态推断电池当前的状态。电池管理系统对于电动汽车的安全、保持电池组性能,延长使用寿命、提高电池使用效率有重要意义。

    作为电动/混合动力汽车中的一个关键部件,电池管理系统要经受住各种振动以及环境温度变化、灰尘、防水、防潮等环境的考验。因此在实际中,常常使用电子密封胶将电池管理系统模块的电子元器件进行灌封,灌封胶固化以后可以起到耐温、防潮、防尘、绝缘、防震等作用。鉴于电子灌封胶的使用环境,对其粘接性能、绝缘性能和耐候性能具有较高的要求。电子灌封胶种类非常多,从材质类型来说,目前使用最常见的主要分为三种,即环氧树脂灌封胶、有机硅树脂灌封胶、聚氨酯灌封胶。在实际应用中,三种灌封胶各有其优缺点。

    在设计和研发电池管理系统时,常常将电池管理模块小批量样品进行多种环境试验比如振动、防水、环境温度变化等试验,以验证电池管理模块是否能在不同环境下正常工作。现有一款灌封的电池管理模块在温度箱中进行高低温试验时,发生主芯片管脚脱焊,导致该电池管理模块无法正常工作。

    电池管理模块包括不同的电子元件、电路板、外壳等多个零件,并且灌封胶将这些器件密封在内部。凭借常规方法在众多影响因素中找出在高低温试验中芯片脱焊失效的具体原因相当困难,这样也难以找到改进的方法。借助于CAE仿真分析,模拟电池管理模块在高低温试验过程,可以获得密封胶内部各个器件的变形和应力状态,从而识别出电池管理模块失效原因,进而找到改进措施。另外传统设计、小批量样品、试验验证的周期长并且风险大,而CAE仿真分析可以快速分析不同设计方案,可以大大缩短电池管理模块的研发周期以及减少开发风险。

1 电池管理模块高低温试验仿真分析

    该电池管理模块小批量样品在进行高低温环境试验时,QFN式微控制器管脚与焊盘发生脱焊现象,导致电池管理系统不能正常工作。通过仿真分析寻找微控制器管脚脱焊的原因,并提出改进措施。

1.1电池管理模块几何模型

    该电池管理模块主要包括电池夹持端、shunt、电路板PCB、微控制器、连接pin针、继电器、电容、外壳等。微控制器以QFN方式贴装在PCB上。连接pin针采用焊接在PCB上。该电池管理模块的样品设计几何模型如下图所示。

图1 电池管理模块初始设计几何模型

图1 电池管理模块初始设计几何模型

1.2电池管理模块有限元模型

    在建立电池管理模块有限元模型时,忽略体积比较小的部分元器件。电池夹持端、shunt、连接pin针等预埋在塑料外壳中,它们与外壳之间以绑定模拟。PCB由外壳上的凸起台阶定位,通过焊锡与pin针焊接在一起。微控制器、继电器、电容等焊接在PCB上。灌封胶与各器件以及外壳之间以接触模拟。建立的电池管理模块有限元模型如下图所示。

图2 电池模块初始设计的有限元模型

图2 电池模块初始设计的有限元模型

责任编辑:吴星星
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