1. 引言
储能电站已经成为新能源发电系统中不可或缺的部分，电池是电化学储能系统的核心器件[1]。目前在锂离子电池、钠离子电池、液流电池等领域的基础研究和实践应用不断深化，储能电池展现出广阔的应用前景。也正因如此其安全可靠性和续航里程一直以来都备受各界关注[2]。而端板作为燃料电池电堆中重要的部件[3]，更应该具备足够的机械强度和刚度，以此来保证电堆紧固可靠和内部接触压力均匀分布，除此之外，还应具有质量轻、体积小和易于加工等特点[4]。端板在设计时，需设置一定量的螺栓孔位，为保证电堆整体受力均匀，对其施加作用力装配紧固后，需控制其端板的最大形变量[5]。目前燃料电池电堆端板多采用金属材料，例如铝合金、不锈钢等[6]，电池端板部件的材料选择和结构设计是影响电堆性能、寿命及安全性的关键性因素[7]。岑波，周攀峰等[8]通过CAE手段建立了电池包精细化有限元模型分析动力电池包受到X方向(汽车行驶方向)和Y方向(垂直汽车行驶方向)的挤压和Z方向上的机械冲击，能够发现电池包箱体在整车碰撞中可能存在的风险位置，该有限元分析手段可以为后期电池包结构设计和优化提供方向。戴志宏等人[9]考虑动力电池组受到球状撞击下的变形、应力、应变分布情况的影响，结果发现环状芯体结构、BRAS夹层结构、鳞片多层结构相比传统均质铝板表现出更优的能量吸收效果，可以降低电池的最大轴向压缩力，提高其在碰撞情况下的安全性能。徐珂等[10]为了保证新能源储能装置的安全性和可靠性，对电池箱体进行参数化建模，构建对应的布尔运算，根据约束模态分析和振动分析得出电池箱盖增加其强筋的数量和厚度可以提升箱盖局部强度，优化焊接的数量及精度可减少应力的响应。当前，动力电池的研究已较为广泛，而针对储能电池盖板的研究相对不足，因此，开展针对端板材料、厚度、槽钢数量和布局等多参数的优化设计研究，对于提升储能电池整体性能具有重要的实际意义。
2. 建模与仿真
2.1. 端板几何模型的建立
目前由于槽钢具有较高的强度和刚性，它常被用于各种建筑结构中，承担着承重的重要任务，能够在承受较大的荷载的同时，并将荷载均匀传递给其他部分，并且能够降低成本。因此为了提高端板的抗变形性能，选择在钢板上添加6号槽钢来提高其抗变形的能力。根据六号槽钢以及端板长度为1230 mm、宽度641 mm、板厚为16 mm的结构尺寸参数，在solidworks软件中建立其三维实体模型如图1所示。主要的模型结构包含无槽钢、十字槽钢、两对槽钢、三对槽钢以及多条槽钢共五种类型。对于槽钢布局方面，主要考虑三种情况对变形量的影响，其中包含零间距、一半间距、原始间距，如图2所示。
Figure 1. Diagram of Five End Plate Models: (a) No channel steels; (b) Cross-shaped channel steels; (c) Two pairs of channel steels; (d) Three pairs of channel steels; (e) Multiple channel steels
图1. 五种端板模型示意图：(a) 无槽钢；(b) 十字槽钢；(c) 两对槽钢；(d) 三对槽钢；(e) 多条槽钢
Figure 2. The different spacings of two types of end plates
图2. 两种类型端板的不同间距
2.2. 有限元仿真分析
将建好的实体模型保存为step格式后，导入到ansys workbench中，对其进行有限元分析。端板材料则使用Q235和Q345两种钢材作为此次的研究对象，材料属性如表1所示[11]。材料属性赋予其模型后，对其进行网格划分，网格划分方法选择四面体，如图3所示。为了提高精度对单元尺寸加以控制，单元尺寸设置为8 mm，共划分419,505个节点，123,919个单元(仅是其中一种情况) [12]。
Table 1. Material properties
表1. 材料属性
材料 |
密度/kg*m-3 |
泊松比 |
杨氏模量/GPa |
屈服强度/MPa |
Q235 |
7850 |
0.3 |
206 |
321 |
Q345 |
7850 |
0.5 |
210 |
371 |
Figure 3. Mesh discretization
图3. 网格划分
根据端板的实际工况，在外部环境或其他组件的安装时可能会对盖板施加垂直载荷，当储能电池处于工作状态时在充电和放电过程中，电池内部的电极材料可能会发生膨胀和收缩，当环境温度变化也会导致电池材料的热膨胀和收缩端板，这些都会使安装在电池外部的端板受到一个垂向力，不能够确定的正是这些力的大小以及端板的受力面积。端板通过四周一圈的螺栓孔固定，因此固定约束施加在外围一圈的螺栓孔内表面处，作用力施加在没有槽钢的端板面处[13]，在分析受力面积大小不同所引起的变形量的变化时，受力面积分别设置为0.27 m2，0.45 m2，0.79 m2三种情况。如图4所示。
Figure 4. Load region
图4. 受力区域
3. 分析与讨论
3.1. 选材问题
为探究材料对端板所造成的影响，有限元分析过程中只改变材料属性，其他设定保持一致，受力大小设定为2500 KN，受力面积采用图4(a)所示。避免结果的偶然性，分析五种类型的端板分别为无槽钢、十字槽钢、两对槽钢、三对槽钢端板以及多条槽钢端板，板厚同时设定为16 mm。有限元分析结果如图5所示仅展示无槽钢及多条槽钢的变形云图。整理其他分析结果图6所示。
Figure 5. Deformation cloud diagram: (a) Q235 End Plate with Multiple Channel Steels; (b) Q345 End Plate with Multiple Channel Steels; (c) Q235 End Plate without Channel Steels; (d) Q345 End Plate without Channel Steels
图5. 变形云图：(a) Q235多条槽钢端板；(b) Q345多条槽钢端板；(c) Q235无槽钢端板；(d) Q345无槽钢端板
Figure 6. Differences in deformation of five types of end plates made of different materials
图6. 不同材料的五种类型端板变形量差异
通过结果分析能够发现当材料由Q235材料换到Q345时，变形量均有所下降，但整体来看下降的幅度较小，综合考虑到成本、强度等因素，作为这种端板选择Q235材料比较合适。
3.2. 槽钢数量与端板厚度对变形与重量的影响分析
3.2.1. 槽钢数量的影响
槽钢的加入可以大大增强结构的强度和刚度，增加槽钢的数量可以提高盖板的承载能力，同时起到一个将力分散和传递在端板上的作用，减少局部应力集中，从而降低结构失效的风险，提高端板抵抗变形的能力。
由上一节可知端板材料选择Q235较为合适，后续分析均在Q235材料基础上，对图1五种类型端板同样施加2500 KN，图4(a)的受力面积分别对这五种的槽钢数量端板分析其变形量的大小作出对比。有限元分析结果图7所示，整理结果如图8所示。
能够发现，槽钢的添加对抵抗变形起到一个很好的抑制作用，这点可以从无槽钢到十字槽钢所引起的变形量变化能够明显发现，整体的变形量下降程度非常大，而当十字槽钢变化到两对槽钢时，变形量的下降已经远不如从没有槽钢到添加槽钢时所引起变形量的变化。这是因为初始状态下，端板刚度较低，变形量较大，添加十字槽钢显著改变了受力路径，提高了整体刚度，变形量的减少非常显著。这种大幅
Figure 7. Deformation cloud diagrams of different types of end plates
图7. 不同类型端板的变形云图
Figure 8. Comparison of deformation for five types of channel steel end plates
图8. 五种类型槽钢端板的变形量对比
度的变化类似于经济学中的“初始边际效益最大”，因为早期的槽钢(投入)对结构刚度的贡献非常高。而进一步增加槽钢数量，结构的刚度仍然增加，但每新增一对槽钢对刚度的提升低于上一阶段，结构的总刚度提升已经趋于饱和，尽管整体刚度继续提升，但其对变形量减少的边际贡献逐渐减小，这是典型的边际效应递减现象。在三对槽钢变化到多条槽钢的时候此时变形量更只是起到了一个微小的变化，此外罗镇雄[14]在研究空调室外机顶盖结构参数优化设计中，随着加筋条高度的增加对整体刚度增加效应也是逐渐减少的。这也进一步验证了我们的想法，随着槽钢数量的增加，刚度提升的效果逐渐饱和。另一方面从图8发现无槽钢以及十字槽钢引起变形量已经达到了10 mm以上，尤其当没有槽钢加入时，变形量更是高达30 mm，相比较其他结果这两种槽钢的数量是达不到工作的需求。
3.2.2. 端板板厚的影响
板厚同样也是影响端板产生变形的一个重要因素。厚度的增加能够提高其端板的刚度，减少其在载荷作用下的变形，选择合适的厚度有助于保持整个电池模块的形状和尺寸稳定性，确保电池内部元件的正常工作。但同时厚度的增加重量也随之上升，因此需要权衡厚度带来的强度和刚度提升与重量增加之间的关系。
3.2.1中能够发现在三对槽钢与多条槽钢的变形量已经差距很小，现以2 mm为一个梯度改变板材的厚度仅针对三对槽钢依次在solidworks中进行14 mm、16 mm、18 mm、20 mm以及22 mm的建模，随后导入ansys workbench中进行静力学分析。分析过程中施加负荷依旧保持2500 KN，受力面积与前两节保持一致，分析结果图9所示。为了更明显的看出端板各点的变化趋势，在ANSYS分析过程中，通过路径的定义选择端板的中轴线作为本次观察路径的对象[15]，如图10所示，各项结果通过origin整理如图11所示。
通过图11(a)能够观察到，对于这五种不同厚度的端板它的整个变形趋势都呈现出先增大后减小，在整个板材的中间位置达到变形量的最大值，厚度越大变形量越小。对于同一种厚度的端板在中轴线0~300 mm以及900~1200 mm处，变形趋势呈现的更是一种线性的变化，中间部分区域呈现一种非线性的变化，这可能是因为中间区域是由槽钢在此位置处相互交叉的作用所引起的[16]。通过图11(b)发现板厚的增加的确能够起到减小变形的作用，当板厚越厚时端板的变形量呈现非线性的下降趋势，当板厚厚度达到22 mm时变形量已经来到了4 mm以下。除此之外能够发现当板厚变化从16 mm到18 mm时相比较板厚从18 mm到20 mm以及20 mm到22 mm，所对应的变形量变化是较大的，因此选择16 & 18 mm的板厚是比较合适的，这样既能保证端板变形保持在合理区间，也能够保证端板的重量不会过大，而14 mm厚度所引起的变形量过大。
Figure 9. Deformation cloud diagrams for different plate thicknesses: (a) 14 mm Plate Thickness; (b) 16 mm Plate Thickness; (c) 18 mm Plate Thickness; (d) 20 mm Plate Thickness; (e) 22 mm Plate Thickness
图9. 不同板厚的变形云图：(a) 14 mm端板；(b) 16 mm端板；(c) 18 mm端板；(d) 20 mm端板；(e) 22 mm 端板
Figure 10. Central axis of the end plate
图10. 端板中轴线
Figure 11. The influence of different plate thicknesses on the deformation characteristics of end plates
图11. 不同板厚对端板变形特性的影响
3.2.3. 端板厚度与槽钢数量的重量差异分析
在分析了端板厚度和槽钢数量对结构变形的影响后，重量因素同样是设计中的关键考量。端板的厚度以及槽钢数量的变化不仅影响结构的力学性能，还对总重量产生显著影响[17]，尤其在轻量化设计中尤为重要。
整体结构的材料使Q235结构钢，各种类型结构重量如图12所示。尽管无槽钢以及十字槽钢端板在这几种厚度的情况下，重量都能控制在150 Kg以内，但同时带来的劣势就是抗变形强度大大降低。多条槽钢的端板毋庸置疑抵抗变形的能力是其中表现最优异的，但从重量方面而看，14 mm厚度类型都已经达到了近140 kg。通过前节分析，16 & 18 mm端板更加合适，而三对槽钢端板重量相比较多条槽钢端板减重约11.6%，二对槽钢端板减重相比较多条槽钢约为18%。因此，可以根据实际需求选择更注重的方面来决定是选用二对槽钢还是三对槽钢。这取决于在重量减少与其他性能需求之间的平衡。
Figure 12. Weight variation
图12. 重量差异
3.3. 槽钢布局的影响
分析完端板板厚及槽钢数量的影响后，考虑到槽钢作为端板结构中的重要承载构件，因此其布局方式的不同也是影响整体刚度的关键，可能还会对其整体稳定性和变形模式产生显著影响，这里主要分析的是槽钢间距的不同对端板抗弯性能的影响。
依据3.2的分析，无槽钢和十字槽钢在实际工作中很可能无法确保安全性，所以在槽钢布局影响方面，对无槽钢以及十字槽钢不予分析。利用图2中6种端板的类型，包括了两对槽钢及三对槽钢类型端板的三种间距差异的三维模型，导入到ansys中进行静力学分析，分析其造成端板变形程度的差异，所有分析边界条件保持一致。
从图13中的变形云图能够发现，槽钢布局的变化对这种端板整体的变形趋势是有影响的。从图14总体结果来看相比较原始间距，对于这种板材结构适当的缩小槽钢在布置时的间距，无论是两对槽钢还是三对槽钢对于抵抗变形是有一定效果的，但如果过度减小其中的间隙反而是不利于防止变形的，例如两对槽钢的零间距引起的变形量反而比原始间距变形量更大。
Figure 13. Deformation contour of end plates under different spacing
图13. 端板不同间距的变形云图
Figure 14. Differences in spacing
图14. 不同间距的差异
3.4. 作用力与受力面积的影响
通过对槽钢数量及布局、材料选择和端板厚度等参数的研究，我们已经了解了这些因素对端板整体性能的显著影响。然而，除了这些结构参数外，分析过程中受到作用力的大小以及受力面积同样是决定端板性能的关键因素。因此本节考虑无槽钢、十字槽钢、两对槽钢、三对槽钢、多条槽钢五种类型在作用力1000 KN~2500 KN梯度增长对端板变形的差异。除此之外，保证其他边界条件一致，结合绘图软件具体结果图15所示。
Figure 15. The effect of different loads on five types of end plates
图15. 载荷不同对五种类型端板的影响
结果表明变形量的变化随着载荷的增加而增大，整体变化趋势是非线性的。两对槽钢、三对槽钢及多条槽钢端板在较小压力下，变形量相差不大；在较高作用力下，多条槽钢端板的抗变形能力最好，但同时多条槽钢的加入，对于端板的重量及经济性来说都是不如其他端板类型。而反观三对槽钢与多条槽钢在此范围的作用力下，所引起的变形量几乎相差不大，其次再到两对槽钢效果较好。
相比较无槽钢及十字槽钢类型的端板，很明显能够发现引起的变形量远大于其他三种类型端板，尤其是没有添加槽钢这种端板，远远不如槽钢添加后抵抗变形效果，且力越大变化量也就越大。这也与3.2节讨论的结果相似，无槽钢以及十字槽钢这种结构是不满足工作要求的，故应该不予考虑。虽然多条槽钢的抵抗效果最好，但此种类型端板在重量和成本效益上都逊色于其他类型，因此在实际情况下需酌情考虑。
Figure 16. Effect of load-bearing area on deformation
图16. 受力面积对变形的影响
通过上述分析，对于受力面积这一影响因素只考虑两对及三对槽钢类型端板。受力面积考虑三种情况如图4所示，同样是保持其他边界条件一致。变形情况经整理如图16所示，结果显而易见，变形量随着受力面积的增大而减小，并且受力面积越大，两种类型端板变形的程度差异也就越小。这可能是由于受力面积增大时，施加在端板上的力会更均匀地分布在整个板面上，减少了局部应力集中。这种均匀的受力分布使得槽钢的布局对整体变形的影响减小，从而导致不同数量的槽钢(如两对、三对槽钢)对变形的抑制作用差异变小。
4. 结论
本文研究了电池外部端板的性能优化，结果表明，在材料选择方面，尽管Q345的抗变形性能略优于Q235，但差异较小，结合成本因素，Q235因其较高的性价比成为更优选择。在结构设计中，添加槽钢能够显著提升端板的强度和刚度，合理布置两对或三对槽钢可以在有效降低变形的同时，又避免显著增加重量，而槽钢的间距优化对提升整体性能至关重要。此外，板厚的增加能够显著减小变形量，且这一趋势呈非线性下降；同时，随着施加载荷的增大，端板的变形量呈非线性上升。在无槽钢和十字槽钢布局下，抗变形性能较差，而当受力区域扩大时，两对和三对槽钢结构的变形差异逐渐减小。因此，合理选择材料、优化槽钢布局和板厚设计是提升端板强度与性能的关键策略。