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(jiàn)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(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

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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。

 

圖1 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。

 

圖2 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。

圖3 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。

圖4 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。

圖5 降溫25~-40oC微控制器管腳應(yīng)力（MPa）

圖6 降溫25~-40oC焊錫應(yīng)力（MPa）

圖7 降溫25~-40oC連接pin針應(yīng)力（MPa）

圖8 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。

 

圖9 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。

圖10 升溫25~105oC微控制器管腳應(yīng)力（MPa）

圖11 升溫25~105oC焊錫應(yīng)力（MPa）

圖12 升溫25~105oC連接pin針應(yīng)力（MPa）

圖13 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?/span>

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。

1.4電池管理模塊新設(shè)計(jì)

1.4.1電池管理模塊新設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析結(jié)果表明，選擇彈性模量低以及熱膨脹系數(shù)小的灌封膠有利于減少熱應(yīng)力。另外如果灌封膠的玻璃轉(zhuǎn)化溫度接近或者處于電池管理模塊的工作溫度范圍之外，灌封膠的性能將相對(duì)穩(wěn)定，電池管理模塊中各器件中的熱應(yīng)力將不會(huì)發(fā)生劇烈變化，有助于延長(zhǎng)各器件的壽命。

 

圖14 電池管理模塊新設(shè)計(jì)幾何模型

在電池管理模塊新設(shè)計(jì)模型中，去除了外殼背部的三個(gè)加強(qiáng)筋，如上圖所示。另外將灌封膠材料更換為彈性模量和熱膨脹系數(shù)較小的Resin PU 925。Resin PU 925的工作溫度為-40~120℃，硬度為Shore A 70~75，彈性模量為14MPa，熱膨脹系數(shù)為65ppm/K(<-20℃)和200ppm/K(>-20℃)。

表3 Resin PU 925材料屬性表

1.4.2電池管理模塊設(shè)計(jì)的有限元模型

電池管理模塊新設(shè)計(jì)的有限元模型如下圖所示。

圖15 電池模塊新設(shè)計(jì)的有限元模型

由于灌封膠材料特性隨溫度變化的大致規(guī)律類似，如果在降溫過(guò)程電池管理模塊可以正常工作，在升溫過(guò)程電池管理模塊也可以正常工作。在仿真分析計(jì)算時(shí)可以只計(jì)算低溫過(guò)程，這樣可以減少計(jì)算量。為了減少計(jì)算量，對(duì)電池管理模塊的新設(shè)計(jì)模型只計(jì)算降溫過(guò)程。

 1.4.3工況25~-40oC分析結(jié)果

電池管理模塊新設(shè)計(jì)和初始設(shè)計(jì)在降溫過(guò)程的分析結(jié)果對(duì)比如下表所示。

表4 新設(shè)計(jì)和初始設(shè)計(jì)在降溫過(guò)程的分析結(jié)果對(duì)比

新設(shè)計(jì)和初始設(shè)計(jì)降溫過(guò)程仿真分析結(jié)果對(duì)比表明，電池管理模塊新設(shè)計(jì)中微控制器管腳以及其他器件的應(yīng)力顯著減少，基本上應(yīng)力都沒(méi)有超過(guò)每個(gè)材料的極限強(qiáng)度。這樣管理管理模塊的新設(shè)計(jì)可以經(jīng)受住高低溫試驗(yàn)的考驗(yàn)。

電池管理模塊新設(shè)計(jì)在25~-40℃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。

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：電路板的變形減小并且變形趨于一致。

在電池管理模塊新設(shè)計(jì)中，在降溫過(guò)程仿真中微控制器管腳的應(yīng)力達(dá)到了257.1MPa，比原始設(shè)計(jì)大大減小。焊錫的最大應(yīng)力為59.7MPa，沒(méi)有超過(guò)焊錫的強(qiáng)度極限。密封膠的最大應(yīng)力為1.6MPa，比原始設(shè)計(jì)大大減小。 

圖16 降溫25~-40oC過(guò)程的總變形云圖 

圖17 微控制器管腳應(yīng)力（MPa）

圖18 焊錫應(yīng)力（MPa） 

圖19 連接pin針應(yīng)力（MPa） 

圖20 灌封膠應(yīng)力（MPa）

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結(jié)果

在研發(fā)電池管理模塊產(chǎn)品時(shí)，該模塊要通過(guò)嚴(yán)格高低溫試驗(yàn)以驗(yàn)證其是否能經(jīng)受住環(huán)境溫度的變化。由于電池管理模塊包含的電子器件多，因此在高低溫試驗(yàn)時(shí)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律復(fù)雜。另外電子管理模塊的電子器件需要灌封膠密封，但是精密電子器件灌封常用的聚氨酯類灌封膠材料一般是具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的高聚物，其材料特性隨溫度具有很強(qiáng)的非線性。因此研發(fā)可靠耐用的電池管理模塊產(chǎn)品具有很大的挑戰(zhàn)性。

本文在研發(fā)一款電池管理模塊時(shí)，通過(guò)CAE模擬高低溫試驗(yàn)過(guò)程，找到了該電池管理模塊的失效原因，并對(duì)該模塊初始設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，確定了最終量產(chǎn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。如果在電池管理模塊的設(shè)計(jì)階段就引入仿真分析，可以極大的減少常規(guī)研發(fā)中的巨大風(fēng)險(xiǎn)，并顯著縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。