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      如何處理方形鋰離子電池的問題

      作者:admin????來源:未知????發布時間:2021-07-30 09:17????瀏覽量:
        1.方形電池的基本結構

        典型方形鋰離子電池的關鍵部件包括:頂蓋、外殼、由正極板、負極板和隔膜組成的疊片或繞組、絕緣體、安全部件等。其中,紅色圓圈中的兩個是安全結構,NSD針灸安全裝置;OSD過充保護裝置。

        針灸安全保護裝置(NSD,釘安全裝置)。以這種方式,諸如銅片的金屬層被添加到芯的最外表面。針刺時,針刺位置的局部大電流通過大面積銅箔迅速降低單位面積電流,可以防范針刺位置的局部過熱,減少電池熱失控的發生。

        過度充電設備(OSD),目前在許多電池上都可以看到。一般是金屬箔,與熔斷器配合使用時可以設計在正極集流體上。過度充電時,電池內部的壓力導致OSD觸發內部短路,產生瞬間大電流,從而熔斷保險絲,切斷電池內部電流回路。

        外殼一般為鋼殼或鋁殼。隨著市場對能量密度的追求和加工技術的進步,鋁殼逐漸成為主流。

        2.方形電池的特性

        方形電池是我國推廣較早的一種動力鋰離子電池。2016年數據顯示,圓柱形、軟包、方形鋰離子電池國內產量分別為13.92萬瓦時、21.64萬瓦時、28.14萬瓦時,占比分別為21.85%、33.97%、44.17%。方形電池重新獲得了市場的關注。

        優點,方形電池封裝可靠性高;該系統能效高;重量相對較輕,能量密度高;結構相對簡單,擴容相對方便,是目前通過增加單體容量來提高能量密度的迫切選擇;如果單體容量大,系統結構相對簡單,可以對單體進行逐一監控;簡單系統帶來的另一個好處是相對較好的穩定性。

        缺點:因為方形鋰離子電池可以根據產品尺寸定制,市場上有上千種型號,而且因為型號太多,工藝很難統一;加工自動化水平不高,單體差異較大。在大規模使用中,存在系統壽命比單體壽命短很多的問題。

        話雖如此,還是有必要提一下2017年7月頒布、去年2月正式實施的國家推薦標準《Gb/T34013-2017電動汽車用動力蓄電池產品規格尺寸》,其中方形電池給出了8個系列尺寸,如下圖和表所示。

        個人認為,指導電池的規格尺寸,短時間內可能不會有特別明顯的效果。甚至有人認為此時給出命令意見會約束行業發展,改變產品尺寸不僅僅是電池加工的工裝模具問題,影響也很大。但作為推薦標準,只要能給廠商準備新的加工能力,讓生產線調整成為一種趨勢,從長遠來看,肯定會推動規格尺寸向系列化發展。電池和模塊之間的一致性是實現級聯利用的前提。至于未來可能穿越的技術路線,其實并不影響穿越前向可見目標推進的努力。3.關鍵制造商

        之前看了兩張表,國內重要廠商的信息都在這里。

        數據來源:動力鋰離子電池使用分會研究部

        國外重要廠商三星SDI,采用NCA和NCM作為陰極材料和方形鋁殼。著名案例寶馬i3。三星官網展示的方形電芯。產品包括高能bEV(純電動)60Ah和94Ah電池;PHEV(插電式混合動力汽車)26Ah和37Ah電池(26Ah將逐步被37Ah取代);HEV(混合動力汽車)5.2Ah和5.9Ah電池;大功率電池有4個系列(4.0Ah、11Ah)。

        4.典型方形電池模塊

        下圖為2011年三菱i-MiEV電池模組。PCb板收集電池的電壓和溫度,兩端用螺栓固定。電池是母線和螺栓連接最常見的方式。

        接下來是2012MY豐田普銳斯PHEV電池模塊,采用線束(現在感覺很麻煩,有些場合還有隱患)收集電芯信息,也采用螺栓連接的方式,不過加了橙色部分保護。

        以下是2014MY大眾捷達HEV的電池模塊。模塊由側面的兩個板條緊固,端板外側由塑料蓋板絕緣。

        大眾eGolf2015MY電池模塊,端板的設計功能豐富,既減輕了重量,又滿足了結構強度和裝配的要求。PCb板用于采集電池信息,模塊兩端只剩下低壓連接器(如今越來越多的模塊采用這種方式)。

        下圖是2014年奧迪某PHEV2模塊的概念設計圖,與液冷板設計相匹配。從爆炸圖中,我們可以看到一些上面看不到的內部結構。

        寶馬i3采用三星SDI方形電池。電池組由8個模塊組成,每個模塊有12節電池串聯,總共有96節電池串聯。183km續航版本采用94Ah電池,如下圖所示。(注意,下圖不是目前傳說中的最新版本,網上流傳的視頻顯示,最新版本的包裝盒與之前的版本不同。)鋁焊接模塊外殼固定在四角有安裝孔的包裝盒內,結構簡單,有利于自動化制造。

        與圓柱形電池相比,方形電池更容易擴大容量。在增加容量的過程中,限制較少。但隨著單體體積的增大,也出現了側脹嚴重、散熱困難、不均勻性增大等問題。

        5.方形電池的典型問題及對策

        側膨脹問題

        鋰離子電池在充放電過程中存在一定的壓力(相關經驗數據為0.3 ~ 0.6 MPa)。相同壓力下,應力面積越大,電池殼壁變形越嚴重。電池膨脹的關鍵原因是:成型時SEI形成過程中出現氣體,電池內部氣壓上升,由于方形電池平面結構耐壓性差,導致外殼變形;充電時,電極材料的晶格參數發生變化,導致電極膨脹,電極膨脹力施加在殼體上,導致電池殼體變形;

        高溫儲存時,由于溫度作用,少量電液分析和氣壓增加,導致電池外殼變形。以上三個原因中,中間電極膨脹引起的外殼膨脹是最重要的原因。

        方形電池的鼓包問題是常見問題,特別是對于大容量方形鋰離子電池,會導致新的內阻、電液部分耗盡甚至破殼,嚴重影響電池的安全性和循環壽命。

        Juck  Zhang等人給出的方法是利用小結構來增強殼體的強度;從兩個角度優化排列處理方形電池鼓包問題。

        為了增強殼體的強度,將原平面殼體設計為加強結構,通過按壓殼體內部來檢測殼體加強結構設計的效果,根據不同的固定方式(固定長度方向和固定寬度方向)進行檢測。

        可以清楚地觀察到加強結構的使用。以固定寬度為例,在0.3兆帕的壓力下,加固結構的變形為3.2毫米,而未加固結構的殼體變形達到4.1毫米,變形減少20%以上。

        在寬度固定的情況下壓制:

        定長壓制:

        為了優化電池在模塊中的排列,研究人員比較了兩種排列,如下圖所示,變形量如下表所示。通過對比發現,排列方式的厚度方向變形明顯小于排列方式。

        大型方形電池的散熱性能變差

        隨著單體體積的增大,電池內部發熱部分與外殼的距離變得越來越長,越來越多的導電介質和界面使得散熱困難,單體上熱量分布不均勻的問題越來越明顯。

        吳偉雄等人進行了研究,試驗采用了3.2V/12Ah方形鋰離子電池,其基數如表1所示。電池的充放電設備為信威CT-3001W-50V120ANTF,檢測過程中環境溫度為31,冷卻方式為風冷。電池的溫度變化由溫度檢測儀器記錄。

        測試步驟:

        1)電壓充電,用12A電流給電池充電至充電截止電壓為3.65V,電流為1.8A;

        2)擱置:充電后擱置1小時,使電池穩定;

        3)恒流放電,以不同速率放電至2V的放電截止電壓。其中,放電率分別設定為1C、2C、3C、4C、5C和6C。

        如下圖所示,是不同放電速率下電池表面的溫度變化??梢钥闯?,隨著倍率的增加,溫度越來越高,每次放電倍率對應的電池表面最高溫度分別為38.1、48.3、56.7、64.4、72.2和76.9。以3C速度排放時,最高溫度已超過50。在6C時,溫度達到76.9,超過50的時間為470s,占整個放電過程的三分之二,對電池的安全運行非常不利。相變材料作為導熱介質附著在單電池表面,大大提高了散熱效果。

        應用導熱材料后的溫升對比如下圖所示:

        此外,還有導熱材料與水冷相結合的方式,使水冷系統可以將導熱材料吸收的熱量傳遞到系統外部,如下圖所示:

        對于鋰離子電池系統來說,最理想的是能夠直接測試參數(最基本的溫度、電壓、電流等。)的電池。這樣,即使沒有質量好、價格低、功能好的新型傳感器,熱失控的預警和處置也將成為可能。系統中的電池很少,這應該是方形電池的關鍵競爭力之一。

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