小容量電池多并還是大容量電池少并是電動汽車系統(tǒng)設計中需要面臨的實際選擇。如BMW i3和Mitsubishi iMiEV選擇的是大容量電池少并的方案，而Tesla Model S、VW e-Golf和Nissan Leaf選擇的是小容量電池多并。那這兩種方案中，究竟哪一種更安全呢？戴姆勒公司的Sascha Koch等人結合實驗和模型深入研究了針刺觸發(fā)多并電池熱擴散的放電過程，發(fā)現(xiàn)小容量電池多并更為安全，成果以Discharge by Short Circuit Currents of Parallel-ConnectedLithium-Ion Cells in Thermal Propagation發(fā)表在期刊Batteries上。

 

 

 

一．不同SOC下電池加熱熱失控行為

 

 

 

實驗使用的電池為NMC體系、容量40 Ah的軟包電池。在多并電池熱失控實驗之前，作者先考察了電池在不同SOC下加熱的熱失控行為，實驗示意圖如圖2所示。軟包電池被夾具固定，通過加熱板加熱觸發(fā)熱失控。如圖1和圖2所示，隨著電池SOC從30%增加到100%，加熱觸發(fā)熱失控的起始溫度不斷降低，同時電池熱失控釋放的能量和失重量不斷增加。值得注意的是圖1中100%SOC電池熱失控釋放的能量反而較90%SOC有所降低，而失重卻顯著增大，作者判斷這是由于100%SOC下電池熱失控極為猛烈導致很多未來得及反應的內容物噴出所致(注：這一現(xiàn)象很關鍵，在企業(yè)中測試也能觀察到類似現(xiàn)象)。此外，圖1中未給出0%-20%SOC下電池的熱失控觸發(fā)溫度和能量釋放，這主要是此SOC范圍電池熱失控溫度不好判斷所致。從以上結果不難看出，SOC狀態(tài)越低電池相對更為安全。

 

 

 

二．12P2S模組針刺觸發(fā)熱擴散實驗

 

 

 

小容量電池多并vs大容量電池少并，哪種更安全？

 

圖3. 針刺觸發(fā)多并電池熱擴散實驗裝置圖。圖中1為模組中的電芯，2為夾具，3為busbar，4為完整模組，5為針刺觸發(fā)器，6-9為連接線。

 

 

 

小容量電池多并vs大容量電池少并，哪種更安全？

 

圖4.針刺觸發(fā)12P2S模組熱擴散過程電流值變化。其中電流為正值表示該電池在充電，負值表示該電池在放電。圖中的灰色區(qū)域表示單個電池的可見熱失控過程。

 

 

 

隨后，作者利用圖3所示裝置分別對6P4S、12P2S和24P1S的模組進行了針刺觸發(fā)熱擴散實驗，并監(jiān)測了整個熱擴散過程每個電池的電流變化。圖4所示為針刺觸發(fā)12P2S模組熱擴散過程電流值變化。以電池1為例，被針刺后充電電流峰值約Icell1 ≈80 A，而其他各電池放電電流值Icell2–12≈4-15 A，根據(jù)基爾霍夫公式電Icell1 應為。此外，熱失控過程電流值較高(圖中灰色區(qū)域)，熱失控后電流值顯著降低，表明熱失控過程電池1的電阻Rtr較小，而熱失控后電池1的電阻Rptr顯著增大。其他各電池熱失控過程電流值變化同電池1類似，6P4S和24P1S模組熱擴散現(xiàn)象同圖4所示的12P2S模組類似。

 

 

 

 

為了更好的分析針刺觸發(fā)多并電池模組熱擴散過程電流值變化，作者利用等效電路模型進行了模擬分析，并同實測結果進行了對比。

 

 

 

小容量電池多并vs大容量電池少并，哪種更安全？

 

圖6. 針刺觸發(fā)12P2S模組熱擴散過程實測結果和等效電路模擬結果對比。

 

 

 

從圖6實測結果和模擬結果看，針刺觸發(fā)模組熱擴散過程單一電池行為可分為三個階段：首先，熱失控開始時被針刺電池電流值陡然增大，表明此時該電池電阻較小，其他健康電池對其放電；隨后，熱失控結束后電流緩慢上升，表明電池電阻顯著增大，其他電池對外放電放緩；最后，相鄰電池發(fā)生熱失控，重復前一電池的行為。如此重復，直至最后一個電池熱失控結束。從圖中還可以看到熱失控過程電流實測值和模擬值符合較好，而熱失控后二者之間偏差較大。

 

 

 

小容量電池多并vs大容量電池少并，哪種更安全？

 

圖7. 等效電路模型模擬得到的Rtr預估值(a)和Rptr預估值。

 

 

 

等效電路模型模擬結果顯示，Rtr值在20-180 mΩ范圍變化，均值為92 mΩ。從圖7a可以觀察到后發(fā)生熱失控電池的Rtr值呈不斷增大趨勢，作者認為這是熱失控導致模組中的約束變弱、電池膨脹增大所致。Rptr值在0.2-1.5 Ω范圍變化，均值為0.54 Ω，但數(shù)據(jù)點極為范圍沒有顯著規(guī)律。

 

 

 

四．6P4S、12P2S和24P1S模組等效電路模型

 

 

 

小容量電池多并vs大容量電池少并，哪種更安全？

 

圖8. 刨除測量設備影響后的等效電路模型：(a)電池熱失控結束后部分，其中沒有電池處在熱失控階段；(b)電池熱失控結束部分，但其中有一電池處在熱失控階段；(c)未發(fā)生熱失控的健康電池部分。

 

 

 

為了更好的模擬分析模組熱擴散過程，作者刨除了測量設備的影響，并重新設計了等效電路模型。新的等效電路模型共包含三部分，具體如圖3所示。模型中所用的參數(shù)同表1中的參數(shù)一致。

 

 

 

小容量電池多并vs大容量電池少并，哪種更安全？

 

圖9. 不同因素對模組熱擴散過程的影響：(a)電池內阻Ri；(b)放電電池數(shù)量；(c)連接電阻Rcn；(d)熱失控過程的Rtr；(e)熱失控后的Rptr。

 

 

 

以多并電池模組中最后一個電池放電容量為考察點，圖9系統(tǒng)總結了新等效電路模型得到的各因素對模組熱擴散過程的影響結果。對比各因素的影響不難看出，Rptr值對電池放電容量的影響最大(圖9e)，尤其是并聯(lián)電池數(shù)量增加、Rptr值減小的情形下。如上所述，Rptr值會受模組約束狀態(tài)的影響，因此控制模組的約束狀態(tài)對熱擴散結果有顯著影響。此外，從結果看共24個電池的多并模組熱擴散過程最后一個電池的放電量CDCH≈6-10 Ah。結合圖1和圖2結果顯示30%SOC以下電池更為安全，不難想到如果多并模組中電池單體總容量Ccell ≈10–15 Ah，就可以確保放電后電池SOC低于30%，從而降低電池熱失控猛烈程度甚至阻止熱擴散的發(fā)生。因此，在這個意義上講，小容量電池多并較大容量電池少并更為安全。