電動/混合動力汽車已成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，隨著電動車的發(fā)展，對先進電池的需求和對電池管理系統(tǒng)的要求也日益提高。電池管理系統(tǒng)測量監(jiān)測電池組的電壓、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)對于電動汽車的安全、保持電池組性能，延長使用壽命、提高電池使用效率有重要意義。
作為電動/混合動力汽車中的一個關(guān)鍵部件，電池管理系統(tǒng)要經(jīng)受住各種振動以及環(huán)境溫度變化、灰塵、防水、防潮等環(huán)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(tǒng)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(huán)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(zhì)類型來說，目前使用最常見的主要分為三種，即環(huán)氧樹脂灌封膠、有機硅樹脂灌封膠、聚氨酯灌封膠。在實際應(yīng)用中，三種灌封膠各有其優(yōu)缺點。
在設(shè)計和研發(fā)電池管理系統(tǒng)時，常常將電池管理模塊小批量樣品進行多種環(huán)境試驗比如振動、防水、環(huán)境溫度變化等試驗，以驗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行高低溫試驗時，發(fā)生主芯片管腳脫焊，導(dǎo)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(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(nèi)部各個器件的變形和應(yīng)力狀態(tài)，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(tǒng)設(shè)計、小批量樣品、試驗驗證的周期長并且風(fēng)險大，而CAE仿真分析可以快速分析不同設(shè)計方案，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。
該電池管理模塊小批量樣品在進行高低溫環(huán)境試驗時，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(shè)計幾何模型如下圖所示。
電池管理模塊初始設(shè)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(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。
電池模塊初始設(shè)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(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(huán)境溫度為25℃。低溫試驗時，將該模塊放置于試驗箱內(nèi)，然后將試驗箱中空氣溫度以規(guī)定的速率降低到規(guī)定的低溫-40℃。在箱內(nèi)溫度達到穩(wěn)定后，該模塊應(yīng)該在低溫條件下暴露規(guī)定的時間。然后將試驗箱中空氣溫度以規(guī)定的速率升高到規(guī)定的高溫105℃。在箱內(nèi)溫度達到穩(wěn)定后，該模塊應(yīng)該在高溫條件下暴露規(guī)定的時間。最后將試驗箱中空氣溫度以規(guī)定的速率降低到環(huán)境溫度。
試驗時溫度以規(guī)定的速率緩慢下降，可以處理為靜態(tài)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(jié)果
該電池管理模塊原始設(shè)計25~-40oC降溫過程的部分關(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(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(yīng)力達到了1075MPa，表明微控制器管腳應(yīng)力遠遠超過了材料的屈服極限。焊錫的最大應(yīng)力達到了139.4MPa，超過了焊錫的強度極限。密封膠的最大應(yīng)力達到了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25~105oC降溫過程的部分關(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(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)計中，在升溫過程仿真中微控制器管腳的應(yīng)力達到了492.3MPa。焊錫的最大應(yīng)力達到了147.3MPa，超過了焊錫的強度極限。密封膠的最大應(yīng)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(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
對比分析結(jié)果表明，各器件最大應(yīng)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(fā)生收縮，由于加強筋一側(cè)殼體厚度相對較厚，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之間的相對變形變大。如果去掉外殼上的加強筋，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，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(yīng)力大于升溫過程。在降溫過程中，微控制器管腳很容易發(fā)生失效。
