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电池模组设计中要如何平衡预留空隙和膨胀力对电池容量衰减的影响?

作者:元能科技(厦门)有限公司 浏览: 发表时间:2021-05-10 09:00:00


 

作者信息及文章摘要

2020年中南大学和宁德时代联合研究了三元体系动力电池在不同设计和组装工艺条件下的循环膨胀力变化,进一步结合3D仿真,模拟分析电池包在循环失效后对模组外壳的膨胀力,从而指导电池设计。

 

测试信息

² 单体电池:S40(含40个电极片)、S60(含60个电极片),电极片与铝壳之间的间隙是相同的。

² 模组电池:S40_1P6S(含6个S40的单体电池)、S60_1P4S(含4S60的单体电池)

² 测试参数:25℃, 1C/1C。

 

 

结果分析

1. 实测单体电池和模组的循环膨胀力分析

从单体电芯的容量保持率和膨胀力曲线来看,S40和S60电芯在前1000个循环时,二者无显著区别,说明在此之前,电极片和铝壳之间预留的空隙还足够支持电极片膨胀。当继续循环至1300圈的过程中,S60电池的容量衰减速率明显大于S40电池,且S60的膨胀力的增加速率也大于S40。这说明当方形铝壳电芯中电极与铝壳的空隙一定时,电极片数量越多的电芯,在长期循环后期膨胀力增加更快,进而加快电池容量衰减。

 

 

 

两个模组电池,S40_1P6S的单体电池之间的间隙是2.4mm,S60_1P4S的单体电池之间的间隙是2.0mm,从两个模组电池的容量保持率和膨胀力曲线来看,S40和S60电芯在前400个循环时,二者无显著区别,说明在此之前,电芯和模组外壳之间预留的空隙还足够支持电芯的膨胀。当继续循环至1000圈过程中,S60_1P4S模组的容量衰减速率明显大于S40_1P6S模组,且S60的膨胀力的增加速率也大于S40,主要有两个原因:一是S60_1P4S模组的内部预留空间小于S40_1P6S模组,因此会更早的时模组外壳受到膨胀。另一个原因是S60单体电芯由于电极片数量较多,比S40单体电芯的膨胀力也会更大,因此反馈给模组外壳的膨胀力也更大。所以,在模组设计中要平衡考虑预留空隙和膨胀力对电池容量衰减的影响。

 

 

2.模组设计的仿真分析

基于之前的单体电池和模组电池的实际膨胀力测试,采用仿真的方法分析模组的三个主要结构件(顶盖、侧板、顶侧板焊接点)能承受的最大膨胀力,提前评估模组结构的可靠性。使用ABAQUS仿真软件,输入一些实测的电芯膨胀力及材料特性等参数,最终可以输出模组的结构部件所承受的应力,如图5和表2 所示。比较表2 给出的不同部件的仿真应力值和失效阈值,S60_1P4S模组各部件的膨胀力均大于S40_1P6S模组,若部件的失效阈值小于仿真值,则说明该结构件不满足设计需求。

 

 

 

 

 

 

总结

本文采用实验测试及3D仿真分析了三元体系单体电池和模组循环至EOL的膨胀力,指出在电池设计中需要注意的内部预留间隙、电极片数量、模组结构件的失效应力阈值等参数对电池循环的影响。

 

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参考文献

Yongkun Li, Chuang Wei, Yumao Sheng, Feipeng Jiao, and Kai Wu. Swelling Force in Lithium-Ion Power Batteries,Ind. Eng.Chem. Res2020, 59, 27, 12313–12318.


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