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如何处理方形锂离子电池的问题

作者:admin    来源:未知    发布时间:2021-07-30 09:17    浏览量:
  1.方形电池的基本结构

  典型方形锂离子电池的关键部件包括:顶盖、外壳、由正极板、负极板和隔膜组成的叠片或绕组、绝缘体、安全部件等。其中,红色圆圈中的两个是安全结构,NSD针灸安全装置;OSD过充保护装置。

  针灸安全保护装置(NSD,钉安全装置)。以这种方式,诸如铜片的金属层被添加到芯的最外表面。针刺时,针刺位置的局部大电流通过大面积铜箔迅速降低单位面积电流,可以防范针刺位置的局部过热,减少电池热失控的发生。

  过度充电设备(OSD),目前在许多电池上都可以看到。一般是金属箔,与熔断器配合使用时可以设计在正极集流体上。过度充电时,电池内部的压力导致OSD触发内部短路,产生瞬间大电流,从而熔断保险丝,切断电池内部电流回路。

  外壳一般为钢壳或铝壳。随着市场对能量密度的追求和加工技术的进步,铝壳逐渐成为主流。

  2.方形电池的特性

  方形电池是我国推广较早的一种动力锂离子电池。2016年数据显示,圆柱形、软包、方形锂离子电池国内产量分别为13.92万瓦时、21.64万瓦时、28.14万瓦时,占比分别为21.85%、33.97%、44.17%。方形电池重新获得了市场的关注。

  优点,方形电池封装可靠性高;该系统能效高;重量相对较轻,能量密度高;结构相对简单,扩容相对方便,是目前通过增加单体容量来提高能量密度的迫切选择;如果单体容量大,系统结构相对简单,可以对单体进行逐一监控;简单系统带来的另一个好处是相对较好的稳定性。

  缺点:因为方形锂离子电池可以根据产品尺寸定制,市场上有上千种型号,而且因为型号太多,工艺很难统一;加工自动化水平不高,单体差异较大。在大规模使用中,存在系统寿命比单体寿命短很多的问题。

  话虽如此,还是有必要提一下2017年7月颁布、去年2月正式实施的国家推荐标准《Gb/T34013-2017电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》,其中方形电池给出了8个系列尺寸,如下图和表所示。

  个人认为,指导电池的规格尺寸,短时间内可能不会有特别明显的效果。甚至有人认为此时给出命令意见会约束行业发展,改变产品尺寸不仅仅是电池加工的工装模具问题,影响也很大。但作为推荐标准,只要能给厂商准备新的加工能力,让生产线调整成为一种趋势,从长远来看,肯定会推动规格尺寸向系列化发展。电池和模块之间的一致性是实现级联利用的前提。至于未来可能穿越的技术路线,其实并不影响穿越前向可见目标推进的努力。3.关键制造商

  之前看了两张表,国内重要厂商的信息都在这里。

  数据来源:动力锂离子电池使用分会研究部

  国外重要厂商三星SDI,采用NCA和NCM作为阴极材料和方形铝壳。著名案例宝马i3。三星官网展示的方形电芯。产品包括高能bEV(纯电动)60Ah和94Ah电池;PHEV(插电式混合动力汽车)26Ah和37Ah电池(26Ah将逐步被37Ah取代);HEV(混合动力汽车)5.2Ah和5.9Ah电池;大功率电池有4个系列(4.0Ah、11Ah)。

  4.典型方形电池模块

  下图为2011年三菱i-MiEV电池模组。PCb板收集电池的电压和温度,两端用螺栓固定。电池是母线和螺栓连接最常见的方式。

  接下来是2012MY丰田普锐斯PHEV电池模块,采用线束(现在感觉很麻烦,有些场合还有隐患)收集电芯信息,也采用螺栓连接的方式,不过加了橙色部分保护。

  以下是2014MY大众捷达HEV的电池模块。模块由侧面的两个板条紧固,端板外侧由塑料盖板绝缘。

  大众eGolf2015MY电池模块,端板的设计功能丰富,既减轻了重量,又满足了结构强度和装配的要求。PCb板用于采集电池信息,模块两端只剩下低压连接器(如今越来越多的模块采用这种方式)。

  下图是2014年奥迪某PHEV2模块的概念设计图,与液冷板设计相匹配。从爆炸图中,我们可以看到一些上面看不到的内部结构。

  宝马i3采用三星SDI方形电池。电池组由8个模块组成,每个模块有12节电池串联,总共有96节电池串联。183km续航版本采用94Ah电池,如下图所示。(注意,下图不是目前传说中的最新版本,网上流传的视频显示,最新版本的包装盒与之前的版本不同。)铝焊接模块外壳固定在四角有安装孔的包装盒内,结构简单,有利于自动化制造。

  与圆柱形电池相比,方形电池更容易扩大容量。在增加容量的过程中,限制较少。但随着单体体积的增大,也出现了侧胀严重、散热困难、不均匀性增大等问题。

  5.方形电池的典型问题及对策

  侧膨胀问题

  锂离子电池在充放电过程中存在一定的压力(相关经验数据为0.3 ~ 0.6 MPa)。相同压力下,应力面积越大,电池壳壁变形越严重。电池膨胀的关键原因是:成型时SEI形成过程中出现气体,电池内部气压上升,由于方形电池平面结构耐压性差,导致外壳变形;充电时,电极材料的晶格参数发生变化,导致电极膨胀,电极膨胀力施加在壳体上,导致电池壳体变形;

  高温储存时,由于温度作用,少量电液分析和气压增加,导致电池外壳变形。以上三个原因中,中间电极膨胀引起的外壳膨胀是最重要的原因。

  方形电池的鼓包问题是常见问题,特别是对于大容量方形锂离子电池,会导致新的内阻、电液部分耗尽甚至破壳,严重影响电池的安全性和循环寿命。

  Juck  Zhang等人给出的方法是利用小结构来增强壳体的强度;从两个角度优化排列处理方形电池鼓包问题。

  为了增强壳体的强度,将原平面壳体设计为加强结构,通过按压壳体内部来检测壳体加强结构设计的效果,根据不同的固定方式(固定长度方向和固定宽度方向)进行检测。

  可以清楚地观察到加强结构的使用。以固定宽度为例,在0.3兆帕的压力下,加固结构的变形为3.2毫米,而未加固结构的壳体变形达到4.1毫米,变形减少20%以上。

  在宽度固定的情况下压制:

  定长压制:

  为了优化电池在模块中的排列,研究人员比较了两种排列,如下图所示,变形量如下表所示。通过对比发现,排列方式的厚度方向变形明显小于排列方式。

  大型方形电池的散热性能变差

  随着单体体积的增大,电池内部发热部分与外壳的距离变得越来越长,越来越多的导电介质和界面使得散热困难,单体上热量分布不均匀的问题越来越明显。

  吴伟雄等人进行了研究,试验采用了3.2V/12Ah方形锂离子电池,其基数如表1所示。电池的充放电设备为信威CT-3001W-50V120ANTF,检测过程中环境温度为31,冷却方式为风冷。电池的温度变化由温度检测仪器记录。

  测试步骤:

  1)电压充电,用12A电流给电池充电至充电截止电压为3.65V,电流为1.8A;

  2)搁置:充电后搁置1小时,使电池稳定;

  3)恒流放电,以不同速率放电至2V的放电截止电压。其中,放电率分别设定为1C、2C、3C、4C、5C和6C。

  如下图所示,是不同放电速率下电池表面的温度变化。可以看出,随着倍率的增加,温度越来越高,每次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和76.9。以3C速度排放时,最高温度已超过50。在6C时,温度达到76.9,超过50的时间为470s,占整个放电过程的三分之二,对电池的安全运行非常不利。相变材料作为导热介质附着在单电池表面,大大提高了散热效果。

  应用导热材料后的温升对比如下图所示:

  此外,还有导热材料与水冷相结合的方式,使水冷系统可以将导热材料吸收的热量传递到系统外部,如下图所示:

  对于锂离子电池系统来说,最理想的是能够直接测试参数(最基本的温度、电压、电流等。)的电池。这样,即使没有质量好、价格低、功能好的新型传感器,热失控的预警和处置也将成为可能。系统中的电池很少,这应该是方形电池的关键竞争力之一。

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