作為電動/混合動力汽車中的一個關鍵部件，電池管理系統要經受住各種振動以及環境溫度變化、灰塵、防水、防潮等環境的考驗。因此在實際中，常常使用電子密封膠將電池管理系統模塊的電子元器件進行灌封，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境，對其粘接性能、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，從材質類型來說，目前使用最常見的主要分為三種，即環氧樹脂灌封膠、有機硅樹脂灌封膠、聚氨酯灌封膠。在實際應用中，三種灌封膠各有其優缺點。

在設計和研發電池管理系統時，常常將電池管理模塊小批量樣品進行多種環境試驗比如振動、防水、環境溫度變化等試驗，以驗證電池管理模塊是否能在不同環境下正常工作。現有一款灌封的電池管理模塊在溫度箱中進行高低溫試驗時，發生主芯片管腳脫焊，導致該電池管理模塊無法正常工作。

電池管理模塊包括不同的電子元件、電路板、外殼等多個零件，并且灌封膠將這些器件密封在內部。憑借常規方法在眾多影響因素中找出在高低溫試驗中芯片脫焊失效的具體原因相當困難，這樣也難以找到改進的方法。

借助于CAE仿真分析，模擬電池管理模塊在高低溫試驗過程，可以獲得密封膠內部各個器件的變形和應力狀態，從而識別出電池管理模塊失效原因，進而找到改進措施。另外傳統設計、小批量樣品、試驗驗證的周期長并且風險大，而CAE仿真分析可以快速分析不同設計方案，可以大大縮短電池管理模塊的研發周期以及減少開發風險。

1

電池管理模塊高低溫試驗仿真分析

該電池管理模塊小批量樣品在進行高低溫環境試驗時，QFN式微控制器管腳與焊盤發生脫焊現象，導致電池管理系統不能正常工作。通過仿真分析尋找微控制器管腳脫焊的原因，并提出改進措施。

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計幾何模型如下圖所示。

 

圖1 電池管理模塊初始設計幾何模型

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，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由外殼上的凸起臺階定位，通過焊錫與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 電池模塊初始設計的有限元模型

 

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130℃。其硬度為Shore D 50~60，玻璃轉化溫度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隨溫度變化的規律如下圖所示。在高低溫試驗溫度范圍-40~105℃中，該灌封膠將呈現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仿真分析

電池管理模塊的高低溫試驗過程如下所述：試驗所處的環境溫度為25℃。低溫試驗時，將該模塊放置于試驗箱內，然后將試驗箱中空氣溫度以規定的速率降低到規定的低溫-40℃。在箱內溫度達到穩定后，該模塊應該在低溫條件下暴露規定的時間。然后將試驗箱中空氣溫度以規定的速率升高到規定的高溫105℃。在箱內溫度達到穩定后，該模塊應該在高溫條件下暴露規定的時間。最后將試驗箱中空氣溫度以規定的速率降低到環境溫度。

試驗時溫度以規定的速率緩慢下降，可以處理為靜態過程。在仿真分析時，主要分析25~-40oC降溫過程和25~105℃升溫過程。

1.3.1工況25~-40oC分析結果

該電池管理模塊原始設計25~-40oC降溫過程的部分關鍵部件的仿真分析結果如下圖所示。

圖4 降溫25~-40oC的總變形云圖

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

圖5 降溫25~-40oC微控制器管腳應力（MPa）

圖6 降溫25~-40oC焊錫應力（MPa）

圖7 降溫25~-40oC連接pin針應力（MPa）

圖8 降溫25~-40oC灌封膠應力（MPa）

在電池管理模塊原始設計中，由于微控制器管腳材料采用了線性模型，在降溫過程仿真中微控制器管腳的應力達到了1075MPa，表明微控制器管腳應力遠遠超過了材料的屈服極限。焊錫的最大應力達到了139.4MPa，超過了焊錫的強度極限。密封膠的最大應力達到了253.3MPa。

1.3.2工況25~105oC分析結果

該電池管理模塊原始設計25~105oC降溫過程的部分關鍵部件仿真分析結果如下圖所示。

 

圖9 升溫25~105oC的總變形云圖

電池模塊原始設計25~105oC升溫過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，并且微控制器兩側的電路板變形量不一致。

圖10 升溫25~105oC微控制器管腳應力（MPa）

圖11 升溫25~105oC焊錫應力（MPa）

圖12 升溫25~105oC連接pin針應力（MPa）

圖13 升溫25~105oC灌封膠應力（MPa）

在電池管理模塊原始設計中，在升溫過程仿真中微控制器管腳的應力達到了492.3MPa。焊錫的最大應力達到了147.3MPa，超過了焊錫的強度極限。密封膠的最大應力達到了4.6。

1.3.3電池管理模塊高低溫失效原因

在降溫過程和升溫過程中各器件的最大應力匯總如下表所示。

表2 電池管理模塊中各器件最大應力

對比分析結果表明，各器件最大應力降溫過程比升溫過程大。 

通過降溫過程的變形云圖可知：外殼發生收縮，由于加強筋一側殼體厚度相對較厚，微控制器兩側的外殼部分變形不一致，這樣電路板PCB發生彎曲，導致微控制器與電路板PCB之間的相對變形變大。如果去掉外殼上的加強筋，可以適當減少外殼的收縮變形，從而減少位置控制器與電路板PCB之間的相對變形。

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

1.4電池管理模塊新設計

1.4.1電池管理模塊新設計

通過上述分析結果表明，選擇彈性模量低以及熱膨脹系數小的灌封膠有利于減少熱應力。另外如果灌封膠的玻璃轉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穩定，電池管理模塊中各器件中的熱應力將不會發生劇烈變化，有助于延長各器件的壽命。

 

圖14 電池管理模塊新設計幾何模型

在電池管理模塊新設計模型中，去除了外殼背部的三個加強筋，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電池管理模塊設計的有限元模型

電池管理模塊新設計的有限元模型如下圖所示。

圖15 電池模塊新設計的有限元模型

由于灌封膠材料特性隨溫度變化的大致規律類似，如果在降溫過程電池管理模塊可以正常工作，在升溫過程電池管理模塊也可以正常工作。在仿真分析計算時可以只計算低溫過程，這樣可以減少計算量。為了減少計算量，對電池管理模塊的新設計模型只計算降溫過程。

 1.4.3工況25~-40oC分析結果

電池管理模塊新設計和初始設計在降溫過程的分析結果對比如下表所示。

表4 新設計和初始設計在降溫過程的分析結果對比

新設計和初始設計降溫過程仿真分析結果對比表明，電池管理模塊新設計中微控制器管腳以及其他器件的應力顯著減少，基本上應力都沒有超過每個材料的極限強度。這樣管理管理模塊的新設計可以經受住高低溫試驗的考驗。

電池管理模塊新設計在25~-40℃降溫過程的部分關鍵部件仿真分析結果如下圖所示。

電池模塊原始設計25~-40oC降溫過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計中，在降溫過程仿真中微控制器管腳的應力達到了257.1MPa，比原始設計大大減小。焊錫的最大應力為59.7MPa，沒有超過焊錫的強度極限。密封膠的最大應力為1.6MPa，比原始設計大大減小。 

圖16 降溫25~-40oC過程的總變形云圖 

圖17 微控制器管腳應力（MPa）

圖18 焊錫應力（MPa） 

圖19 連接pin針應力（MPa） 

圖20 灌封膠應力（MPa）

2

結果

在研發電池管理模塊產品時，該模塊要通過嚴格高低溫試驗以驗證其是否能經受住環境溫度的變化。由于電池管理模塊包含的電子器件多，因此在高低溫試驗時結構的變形規律復雜。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化溫度的高聚物，其材料特性隨溫度具有很強的非線性。因此研發可靠耐用的電池管理模塊產品具有很大的挑戰性。

本文在研發一款電池管理模塊時，通過CAE模擬高低溫試驗過程，找到了該電池管理模塊的失效原因，并對該模塊初始設計進行了改進，確定了最終量產產品設計方案。如果在電池管理模塊的設計階段就引入仿真分析，可以極大的減少常規研發中的巨大風險，并顯著縮短開發時間。