导读:方形锂电池,主要组成部件包括:顶盖,壳体,正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕,绝缘件,安全组件等。其中,红圈中的两个是安全结构,NSD针刺安全装置;OSD过充保护装置。
方形电池基本结构
一个典型的方形锂电池,主要组成部件包括:顶盖,壳体,正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕,绝缘件,安全组件等。其中,红圈中的两个是安全结构,NSD针刺安全装置;OSD过充保护装置。
针刺安全保护装置(NSD,Nail Safety Device)。这是在卷芯的最外面加上了金属层,例如铜薄片。当针刺发生时,在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低,这样可以防止针刺位置局部过热,缓减电池热失控发生。
过充安全保护装置(OSD,Overcharge Safety Device),目前这个安全设计在很多电池上都能看到。一般是一个金属薄片,配合fuse使用,fuse可以设计到正极集流体上,过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路,产生瞬间大电流,从而使Fuse熔断,从而切断电池内部电流回路。
壳体一般为钢壳或者铝壳,随着市场对能量密度的追求的驱动以及生产工艺的进步,铝壳逐渐成为主流。
方形电池特点
优点,方形电池封装可靠度高;系统能量效率高;相对重量轻,能量密度较高;结构较为简单,扩容相对方便,是当前通过提高单体容量来提高能量密度的重要选项;单体容量大,则系统构成相对简单,使得对单体的逐一监控成为可能;系统简单带来的另外一个好处是稳定性相对好。
缺点,由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产,所以市场上有成千上万种型号,而正因为型号太多,工艺很难统一;生产自动化水平不高,单体差异性较大,在大规模应用中,存在系统寿命远低于单体寿命的问题。
说到这里,不能不提一下2017年7月颁布,今年2月正式实施的国家推荐标准《GB/T 34013-2017 电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》,其中针对方形电池,给出了8个系列的尺寸,如下图和下表所示。
个人觉得,对电芯规格尺寸做出引导,短期也许没有特别明显的效果,甚至有人觉得这个时候给出指导意见,会束缚行业发展,而改变产品尺寸,对电芯生产来说,还不仅仅是工装模具的问题,影响甚大。
但作为一个推荐标准,只要能够给筹备新生产能力和做产线调整的厂家一个倾向,长期来看,必然对规格尺寸逐渐的向系列化方向发展有推动作用。而电芯和模块的一致性,是真正实现梯次利用的前提。至于技术路线在今后可能出现跨越,其实并不影响没有出现跨越之前向可见目标前进的努力。
主要厂家
下面的两张表格,国内主要厂商信息都在这里了。
国外的主要厂家三星SDI,正极材料主要采用NCA和NCM,方形铝壳。著名案例宝马i3。三星官网显示的方形电池单体。产品包括高能量的BEV(纯电动)60Ah、94Ah电池;PHEV(插电式混合电动车)26Ah、37Ah电池(26Ah会逐渐被37Ah取代);HEV(混合电动车)5.2Ah、5.9Ah电池;高功率电池(4.0Ah、11Ah),共4个系列。
典型方形电池模组
下图是三菱2011年的i-MiEV电池模块, PCB板采集cell的电压、温度,两端通过螺栓紧固。cell之间是最常见的busbar和螺栓连接方式。
接下来是2012MY丰田普瑞斯PHEV电池模块,采用线束(现在来看这种线束的采集方式,感觉在有些场合下是十分麻烦的,存在隐患)来采集cell信息,也是采用螺栓的连接方式,不过增加了橙色的部分进行保护。
下面是2014MY大众捷达HEV的电池模块,通过侧面的两根压条来紧固模块,端板外侧加上塑料盖板进行绝缘。
大众eGolf2015MY电池模块,端板的设计的功能比较丰富,减重的同时满足了结构强度需求,还达到了组装时的需求,采用PCB板采集cell信息,模块两端只需要留出低压接头(现在采用这种方式的模块越来越多了)。
下图是奥迪2014年的一个PHEV2的模块设计概念图,匹配液冷板的设计,从爆炸图可以看到上面看不到的一些内部结构。
宝马i3,使用三星SDI方形电芯。电池包共有8个模组组成,每个模组有12个电芯串联,共计96个电芯串联,183km续航版本使用94Ah电芯,如下图所示。(说明一下,下图不是现在传说中的那个最新版,网上流传的视频显示最新版的pack箱体已经与前面版本不同。)铝焊接模组壳体,四角有安装过孔固定到pack箱体内,结构简单,有利于实现自动化制造。
方形电池把容量做大,相对圆柱电芯要容易,在提升容量的过程中,受到的限制比较少。但随着单体体积的增加,也出现了一些问题,比如侧面鼓胀严重,散热困难且不均匀性增大。
方形电池典型问题和应对
1)侧面鼓胀问题
锂离子电池在充放电过程中电池的内部存在一定的压力(经验数据0.3～0.6 MPa),在相同的压力下,受力面积越大,电池壳壁的变形越严重。引起电池膨胀的重要原因:化成时形成SEI 的过程中产生气体,电池内气压升高,由于方形电池平面结构耐压能力差,因此造成壳体变形;充电时电极材料晶格参数发生变化,造成电极膨胀,电极膨胀力作用于壳体,造成电池壳体变形;高温贮存时,少量电液分解及由于温度效应气体压力增大,造成电池壳体变形。在以上三个原因中电极膨胀而引起的壳体膨胀是最主要原因。
方形电池的鼓胀问题是一个通病,特别是大容量方形锂离子电池更为严重,电池鼓胀会造成电池的内阻增加、局部的电液枯竭甚至壳体破裂,严重地影响了电池的安全性及循环寿命。
张超等人给出的方案,利用小结构形式,加强壳体强度;优化排列方式两个角度,解决方形电池鼓胀问题。
加强壳体强度,把原来的平面壳体设计成加强结构,并以向壳体内部打压的方式,测试壳体加强结构设计的效果,按照固定方式的不同(固定长度方向和固定宽度方向),分别测试。可以明显观察到加强结构的作用。以宽度固定情形为例,在0.3Mpa压力下,有加强结构的变形量为3.2mm,而没有加强结构的壳体变形量达到4.1mm,变形量降低了20%以上。
宽度固定条件下打压:
长度固定条件下打压:
优化模组中电芯排列方式,研究人员对比了两种排列型式,如下图所示,变形量如下面表格所示。对比发现,排列方式Ⅱ的厚度方向变形量明显小于排列方式Ⅰ。
2)大型方形电池散热性能变差
随着单体体积的增大,电池内部发热部分距离壳体的距离越来越长,传导的介质、界面越来越多,使得散热变得困难,并且在单体上,热量分布不均的问题越来越明显。
吴伟雄等人进行了一项研究,实验采用3.2 V/12 Ah 的方形锂离子电池,其基数如表1 所示。电池充放电设备为新威CT-3001W-50V120ANTF,测试过程中环境温度为31 ℃,散热方式为空气冷却,用温度巡检仪记录电池的温度变化。实验步骤:
1) 压充电,用12A 电流给电池充电至充电截止电压3.65V止电流1.8A;
2) 搁置,充电后搁置1 小时以使电池稳定;
3) 恒流放电,以不同的倍率放电至放电截止电压2 V。其中,放电倍率分别按为1C、2C、3C、4C、5C、6C 设定。
如下图所示,为不同放电倍率下电池表面的温度变化,可以看到,随着倍率增加,温度也越来越高,各放电倍率对应的电池表面最高温度分别为38.1、48.3、56.7、64.4、72.2、76.9 ℃。3C 倍率放电时,最高温度已超过50 ℃。6C 时温度达到了76.9 ℃且超过50 ℃的时间为470 s,占到了整个放电过程的三分之二,这对于电池安全持续工作非常不利。
利用相变材料作为导热介质,附着在单体电芯表面,散热效果得到大幅度改善。
施加导热材料后的温升对比如下图所示:
另外,也有方案,将导热材料与水冷相结合,让水冷系统把导热材料吸收过来的热量传递到系统外部去,其形式如下图所示:
锂电池系统,对于防止热失控问题,最理想的就是能够直接检测到每一颗电芯的参数(最基本的温度,电压、电流等),这样的话,即使没有新型物美价廉功能好的新型传感器出现,对热失控的预警和处置也都会成为可能。系统内电芯数量少,这应该是方形电池重要的竞争力之一。
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