軟包電池模組約束壓力理論設(shè)計(jì)研究

高 斌，屈迎雪，張會(huì)平，邵賡華

(北汽福田汽車股份有限公司工程研究總院，北京 102200)

軟包鋰離子電池通過(guò)鋁塑膜封裝，具備高比能量、不易爆炸、極耳空間充裕等特點(diǎn)，是車載動(dòng)力電池系統(tǒng)的主要選擇之一；但軟包電池也存在碰撞易變形、易脹氣鼓包、充放電厚度變化明顯等問(wèn)題，在成組過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)足夠的機(jī)械部件支撐、約束軟包電池模組。

鋰離子電池充放電厚度變化現(xiàn)象，主要由負(fù)極嵌入鋰離子后的石墨層間距增大，以及SEI 膜不斷生長(zhǎng)導(dǎo)致[1]；尤其對(duì)鋁塑膜封裝的軟包電池，厚度變化比較明顯，易將電池體積變化轉(zhuǎn)化為模組機(jī)械約束壓力。近年來(lái)多項(xiàng)研究表明，鋰離子電池外部適當(dāng)?shù)膲毫筛纳齐姌O界面接觸、減小離子遷移路徑，降低電池的內(nèi)阻并提高電芯循環(huán)穩(wěn)定性[2-3]；過(guò)小的約束壓力易降低電極-電解質(zhì)界面接觸，電池容量衰減嚴(yán)重，另外可導(dǎo)致電池跟隨車身底盤共振產(chǎn)生機(jī)械損害；過(guò)大機(jī)械約束壓力則會(huì)導(dǎo)致極片、隔膜局部變形堵塞離子遷移通道，電池內(nèi)阻增加明顯，容量迅速衰減，甚至破壞電池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生安全隱患[4]。

因此，在軟包電池模組設(shè)計(jì)過(guò)程中，除設(shè)計(jì)一定約束壓力的機(jī)械部件，還要增加一層阻燃性緩沖泡棉材料[5]，減小電芯厚度變化導(dǎo)致模組壓力變化程度。但對(duì)電芯、泡棉壓力膨脹特性綜合作用的軟包模組，如何進(jìn)行模組約束壓力設(shè)計(jì)，使模組處于合理壓力環(huán)境，需要進(jìn)一步探索研究。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 電芯壓力、厚度測(cè)試裝置

搭建電芯壓力測(cè)試裝置如圖1 所示，由4 部件組成：(1)36 Ah 三元軟包電芯，電壓使用范圍為2.75～4.12 V，長(zhǎng)寬尺寸：226 mm×161 mm，厚度：8.2 mm，極耳絕緣防護(hù)；(2)4 mm 厚度PP 材質(zhì)上夾板；(3)4 mm 厚度PP 材質(zhì)下夾板；(4)外部載荷，分別施加60、200 和400 kg 壓力。

圖1 電芯壓力、厚度測(cè)試裝置圖

1.2 電芯壓力、厚度測(cè)試方案及條件

(1)7 支電芯放電至0%SOC，置于試驗(yàn)裝置中靜置30 min，分別施加60、200 和400 kg 壓力，游標(biāo)卡尺測(cè)試厚度數(shù)值；(2)7支電芯充電至100%SOC，置于試驗(yàn)裝置中靜置30 min，分別施加60、200和400 kg壓力，游標(biāo)卡尺測(cè)試厚度數(shù)值。

1.3 模組壓力試驗(yàn)裝置

搭建模組擠壓力測(cè)試試驗(yàn)裝置如圖2 所示，由5 部件組成：(1)模組擠壓裝置：模擬電池模組擠壓力環(huán)境，包含一個(gè)壓力測(cè)試表、一個(gè)螺紋壓緊機(jī)構(gòu)，監(jiān)測(cè)充放電過(guò)程模組壓力變化；(2)軟包電池模組：12 個(gè)36 Ah 三元軟包電芯按1 并12 串組成，單體電壓使用范圍為2.75～4.12 V；(3)單個(gè)電芯表面布置1 塊1.1 mm/1.2 mm 厚度聚氨酯泡棉；(4)單個(gè)電芯表面布置1 塊0.5 mm 厚度導(dǎo)熱鋁板；(5)充放電設(shè)備：對(duì)軟包電池模組進(jìn)行充放電循環(huán)，監(jiān)控模組電壓、容量數(shù)據(jù)。

圖2 模組壓力、厚度測(cè)試裝置圖

1.4 模組壓力試驗(yàn)方案及條件

采用美凱麟MMT2-300-0100 設(shè)備進(jìn)行模組充放電測(cè)試，電壓量程0～120 V，電流量程：±300 A；試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置為25 ℃。

模組壓力測(cè)試方案為：(1)將模組置于試驗(yàn)工裝中，按單個(gè)電芯、導(dǎo)熱鋁板、泡棉占據(jù)9.3 mm 間隙設(shè)計(jì)，外部施加擠壓力將模組尺寸擠壓至111.6 mm，并固定該尺寸不變；(2)在(25±2) ℃環(huán)境條件下，1C充電放電至單體2.75 V，靜置30 min 后，1C充電至模組電壓4.12 V，靜置1 h，進(jìn)行循環(huán)測(cè)試；(3)記錄模組在0%SOC、100%SOC條件下模組擠壓力、容量、電壓數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓強(qiáng)對(duì)電芯厚度影響

7 個(gè)電芯樣品，分別施加60、200 和400 kg 載荷(折算電芯表面壓強(qiáng)為16.2、53.8 和108.0 kPa)，測(cè)試電芯在0%SOC、100%SOC荷電狀態(tài)下厚度變化，如圖3 所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：電芯厚度在100%SOC狀態(tài)下比0%SOC狀態(tài)下增大，主要原因是負(fù)極在嵌入鋰離子后厚度增加明顯，產(chǎn)生膨脹與外部載荷壓力平衡[6-7]；另外在荷電狀態(tài)相同條件下，隨著載荷壓力的增大，電芯厚度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，主要是外部機(jī)械壓力壓縮極片、隔膜多孔結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生厚度空間壓縮。

圖3 不同壓力、荷電狀態(tài)電芯厚度

2.2 壓強(qiáng)對(duì)泡棉壓縮率影響

軟包電池模組主要通過(guò)緩沖泡棉吸收電芯厚度變化，泡棉受到的擠壓壓強(qiáng)越大，泡棉壓縮率越大(壓縮率為泡棉厚度減小尺寸占初始厚度比例)。聚氨酯泡棉供應(yīng)商提供的“泡棉擠壓壓強(qiáng)-壓縮率”特性曲線數(shù)據(jù)參見圖4，在泡棉壓縮率大于0.5 條件下，壓強(qiáng)會(huì)顯著提高。

圖4 泡棉擠壓壓強(qiáng)-壓縮率曲線

由于在過(guò)大約束壓強(qiáng)條件下，電池會(huì)產(chǎn)生鋰離子傳輸通道障礙，導(dǎo)致循環(huán)老化、容量衰減嚴(yán)重；另外，劇烈的約束壓強(qiáng)變化，也易造成電池極片開裂、脫落[4]。因此，在模組尺寸設(shè)計(jì)及泡棉選型過(guò)程中，需要合理設(shè)計(jì)模組尺寸及泡棉厚度，且最大壓強(qiáng)不宜導(dǎo)致泡棉壓縮率過(guò)大，保證電池處于相對(duì)平緩的壓力波動(dòng)范圍。根據(jù)同類型軟包模組設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)＝M選用1.1 和1.2 mm 泡棉進(jìn)行約束壓力設(shè)計(jì)分析。

2.3 電芯擠壓后對(duì)泡棉壓縮率影響

試驗(yàn)軟包電池模組選用電芯初始厚度為8.2 mm，導(dǎo)熱鋁板厚度為0.5 mm，1.1 mm/1.2 mm 厚度泡棉按0.5 壓縮率約為0.6 mm。計(jì)算軟包模組內(nèi)單電芯占據(jù)厚度尺寸約為9.3 mm(電芯厚度8.2 mm+鋁板厚度0.5 mm+泡棉壓縮后厚度0.6 mm)，因此試驗(yàn)?zāi)＝M先按單電芯占據(jù)9.3 mm 尺寸進(jìn)行壓強(qiáng)設(shè)計(jì)，模組內(nèi)電芯周邊結(jié)構(gòu)參見圖5。

圖5 電芯周邊結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)電芯與泡棉之間不存在相互作用力，僅考慮電芯受到擠壓后的厚度變化，分析其對(duì)泡棉壓縮率的影響。針對(duì)不同載荷壓強(qiáng)、荷電狀態(tài)下電芯厚度，使用9.3 mm 設(shè)計(jì)尺寸減去電芯擠壓厚度、導(dǎo)熱鋁板厚度，可計(jì)算出泡棉剩余厚度空間、泡棉壓縮率，如表1、圖6 所示。數(shù)據(jù)顯示電芯受到擠壓壓強(qiáng)和泡棉壓縮率呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，因?yàn)殡娦臼艿降臄D壓壓強(qiáng)越大導(dǎo)致厚度減小，反而會(huì)釋放膨脹空間給泡棉，進(jìn)而壓縮率減小。

表1 電芯被擠壓壓強(qiáng)-壓縮率數(shù)據(jù)

圖6 電芯被擠壓壓強(qiáng)-泡棉壓縮率曲線

2.4 軟包電池模組平衡壓強(qiáng)計(jì)算

軟包模組內(nèi)實(shí)際受力過(guò)程中，電芯與泡棉表面相互作用達(dá)到平衡狀態(tài)，電芯表面壓強(qiáng)與泡棉產(chǎn)生壓強(qiáng)相等。因此在相同SOC荷電狀態(tài)下，通過(guò)“泡棉擠壓壓強(qiáng)-壓縮率曲線”及“電芯被擠壓壓強(qiáng)-泡棉壓縮率曲線”交叉點(diǎn)可取值平衡壓強(qiáng)，即為軟包模組實(shí)際狀態(tài)壓強(qiáng)。由于在0%SOC時(shí)電芯厚度最小，對(duì)應(yīng)平衡壓強(qiáng)為模組最低壓強(qiáng)，在100%SOC時(shí)電芯厚度最大，對(duì)應(yīng)平衡壓強(qiáng)為模組最高壓強(qiáng)。

模組若選用1.2 mm 厚度泡棉，使用上述平衡壓強(qiáng)取值方法，計(jì)算模組在0%SOC壓縮率為0.32，對(duì)應(yīng)最低壓強(qiáng)為25 kPa；在100%SOC壓縮率為0.42，對(duì)應(yīng)最高壓強(qiáng)為41 kPa，詳細(xì)參見圖7。由于軟包模組最大壓縮率達(dá)到0.42，考慮到電芯壽命終止階段厚度膨脹會(huì)更明顯，且電芯、泡棉、導(dǎo)熱鋁板存在厚度誤差，實(shí)際模組應(yīng)用中泡棉壓縮率可能接近甚至超過(guò)0.5，宜導(dǎo)致泡棉產(chǎn)生過(guò)大壓力，因此改用1.1 mm 厚度泡棉評(píng)估計(jì)算。

圖7 1.2 mm泡棉模組平衡壓強(qiáng)取值

模組改用1.1 mm 厚度泡棉，進(jìn)行平衡壓強(qiáng)取值，計(jì)算模組在0%SOC壓縮率為0.27，對(duì)應(yīng)最低壓強(qiáng)為22 kPa；在100%SOC壓縮率為0.38，對(duì)應(yīng)最高壓強(qiáng)為34 kPa，詳細(xì)參見圖8。在電池整個(gè)SOC范圍內(nèi)，泡棉壓縮率和壓力數(shù)據(jù)都處于相對(duì)平緩范圍；因此實(shí)際模組設(shè)計(jì)，單個(gè)電芯可選用1.1 mm 泡棉，配置9.3 mm 空間。

圖8 1.1 mm泡棉模組平衡壓強(qiáng)取值

2.5 軟包電池模組實(shí)際壓強(qiáng)測(cè)試

模組分別使用1.1 和1.2 mm 泡棉，按圖2 試驗(yàn)工裝進(jìn)行三次充放電循環(huán)，分別記錄0%SOC、100%SOC狀態(tài)實(shí)際壓強(qiáng)數(shù)據(jù)。將模組實(shí)際壓強(qiáng)與圖6、圖7 理論壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)誤差不超過(guò)10%，詳細(xì)數(shù)據(jù)參見表2；但壓強(qiáng)越大時(shí)誤差增大，分析是泡棉在較大壓縮率下壓強(qiáng)變化增大，導(dǎo)致測(cè)試誤差較大。物理試驗(yàn)表明，模組平衡壓強(qiáng)理論值準(zhǔn)確反映實(shí)際壓強(qiáng)，該平衡壓力設(shè)計(jì)方法可有效應(yīng)用于模組設(shè)計(jì)，尤其是電芯膨脹較明顯的軟包電池模組。

表2 模組實(shí)際壓強(qiáng)、理論壓強(qiáng)數(shù)據(jù)對(duì)比 kPa

另外，該物理試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論壓強(qiáng)一致性表明，軟包模組內(nèi)部壓力主要由電芯膨脹特性、泡棉膨脹特性相互作用產(chǎn)生。因此，模組約束壓力設(shè)計(jì)過(guò)程中，需重點(diǎn)分析不同電芯、泡棉的壓力膨脹特性。

按圖2 試驗(yàn)裝置繼續(xù)充放電循環(huán)90 次，記錄分析模組充電至50%SOC狀態(tài)壓強(qiáng)、電壓數(shù)據(jù)；模組實(shí)際壓強(qiáng)、電壓數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致，計(jì)算定距變量相關(guān)系數(shù)R=0.501，查詢90個(gè)樣本相關(guān)性臨界值為0.283[8]，相關(guān)系數(shù)計(jì)算值高于臨界值，代表兩組數(shù)據(jù)相關(guān)性關(guān)系顯著，詳細(xì)參見圖9。表明兩組數(shù)據(jù)具有顯著正相關(guān)性，電池荷電狀態(tài)微小變化可直接影響模組壓力狀態(tài)；之前也有研究表明通過(guò)軟包模組堆疊壓力可以預(yù)測(cè)電芯厚度，用于估計(jì)電池荷電狀態(tài)[9]。因此，模組約束壓力與電芯電化學(xué)狀態(tài)相互作用密切，進(jìn)行模組約束壓力設(shè)計(jì)對(duì)保證電芯電性能穩(wěn)定有直接意義。

圖9 50%SOC模組壓強(qiáng)、電壓趨勢(shì)圖

3 結(jié)論

本論文通過(guò)對(duì)軟包電池、泡棉及模組不同壓力下試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及理論計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)軟包電池模組的壓力特性規(guī)律及平衡壓力設(shè)計(jì)方法：

(1)軟包電芯在不同荷電狀態(tài)、壓強(qiáng)下均有較明顯厚度差異，電芯厚度隨SOC增大而增加，隨外部壓強(qiáng)增大而減小；主要是負(fù)極極片膨脹與外部機(jī)械裝置壓力相互作用結(jié)果。

(2)聚氨酯泡棉壓強(qiáng)隨壓縮率提高而增大，但在＜50%壓縮率范圍內(nèi)壓強(qiáng)相對(duì)穩(wěn)定；模組約束壓力不宜導(dǎo)致泡棉壓縮率過(guò)大，應(yīng)設(shè)計(jì)在相對(duì)平緩壓力波動(dòng)范圍。

(3)根據(jù)電芯與泡棉表面相互作用壓力平衡原理，通過(guò)“泡棉擠壓壓強(qiáng)-壓縮率曲線”及“電芯被擠壓壓強(qiáng)-泡棉壓縮率曲線”交叉點(diǎn)可取值計(jì)算平衡壓強(qiáng)；物理試驗(yàn)表明，該模組平衡壓力設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)確反映模組實(shí)際壓強(qiáng)，可有效應(yīng)用于軟包電池模組壓力設(shè)計(jì)。

(4)軟包模組內(nèi)部壓力狀態(tài)主要由電芯膨脹特性、泡棉膨脹特性在表面相互作用產(chǎn)生，需重點(diǎn)分析不同電芯、泡棉的膨脹特性。

(5)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明，模組約束壓力與電芯電化學(xué)狀態(tài)相互作用密切，進(jìn)行模組約束壓力設(shè)計(jì)對(duì)保證電芯電性能穩(wěn)定有直接意義。