方形電池特點(diǎn)

方形電池是國(guó)內(nèi)較早推廣的一種動(dòng)力電池形式。2016年數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)圓柱、軟包、方形鋰電池產(chǎn)量分別為13.92GWh、21.64GWH、28.14GWh，占比分別為21.85%、33.97%、44.17%。方形電池重新獲得了市場(chǎng)的重視。

 

優(yōu)點(diǎn)，方形電池封裝可靠度高；系統(tǒng)能量效率高；相對(duì)重量輕，能量密度較高；結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，擴(kuò)容相對(duì)方便，是當(dāng)前通過(guò)提高單體容量來(lái)提高能量密度的重要選項(xiàng)；單體容量大，則系統(tǒng)構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單，使得對(duì)單體的逐一監(jiān)控成為可能；系統(tǒng)簡(jiǎn)單帶來(lái)的另外一個(gè)好處是穩(wěn)定性相對(duì)好。

 

缺點(diǎn)，由于方形鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行定制化生產(chǎn)，所以市場(chǎng)上有成千上萬(wàn)種型號(hào)，而正因?yàn)樾吞?hào)太多，工藝很難統(tǒng)一；生產(chǎn)自動(dòng)化水平不高，單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，存在系統(tǒng)壽命遠(yuǎn)低于單體壽命的問(wèn)題。

說(shuō)到這里，不能不提一下2017年7月頒布，今年2月正式實(shí)施的國(guó)家推薦標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 34013-2017  電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》，其中針對(duì)方形電池，給出了8個(gè)系列的尺寸，如下圖和下表所示。

 

 

 

個(gè)人覺(jué)得，對(duì)電芯規(guī)格尺寸做出引導(dǎo)，短期也許沒(méi)有特別明顯的效果，甚至有人覺(jué)得這個(gè)時(shí)候給出指導(dǎo)意見(jiàn)，會(huì)束縛行業(yè)發(fā)展，而改變產(chǎn)品尺寸，對(duì)電芯生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，還不僅僅是工裝模具的問(wèn)題，影響甚大。但作為一個(gè)推薦標(biāo)準(zhǔn)，只要能夠給籌備新生產(chǎn)能力和做產(chǎn)線調(diào)整的廠家一個(gè)傾向，長(zhǎng)期來(lái)看，必然對(duì)規(guī)格尺寸逐漸的向系列化方向發(fā)展有推動(dòng)作用。而電芯和模塊的一致性，是真正實(shí)現(xiàn)梯次利用的前提。至于技術(shù)路線在今后可能出現(xiàn)跨越，其實(shí)并不影響沒(méi)有出現(xiàn)跨越之前向可見(jiàn)目標(biāo)前進(jìn)的努力。

 

主要廠家

剛剛在“電池中國(guó)”看到兩張表格，國(guó)內(nèi)主要廠商信息都在這里了。

 

 

數(shù)據(jù)來(lái)源：動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)研究部整理

 

國(guó)外的主要廠家三星SDI，正極材料主要采用NCA和NCM，方形鋁殼。著名案例寶馬i3。三星官網(wǎng)顯示的方形電池單體。產(chǎn)品包括高能量的BEV(純電動(dòng))60Ah、94Ah電池； PHEV(插電式混合電動(dòng)車)26Ah、37Ah電池(26Ah會(huì)逐漸被37Ah取代)；HEV(混合電動(dòng)車)5.2Ah、5.9Ah電池；高功率電池(4.0Ah、11Ah)，共4個(gè)系列。

 

 

典型方形電池模組

下圖是三菱2011年的i-MiEV電池模塊， PCB板采集cell的電壓、溫度，兩端通過(guò)螺栓緊固。cell之間是最常見(jiàn)的busbar和螺栓連接方式。

 

 

接下來(lái)是2012MY豐田普瑞斯PHEV電池模塊，采用線束（現(xiàn)在來(lái)看這種線束的采集方式，感覺(jué)在有些場(chǎng)合下是十分麻煩的，存在隱患）來(lái)采集cell信息，也是采用螺栓的連接方式，不過(guò)增加了橙色的部分進(jìn)行保護(hù)。

 

下面是2014MY大眾捷達(dá)HEV的電池模塊，通過(guò)側(cè)面的兩根壓條來(lái)緊固模塊，端板外側(cè)加上塑料蓋板進(jìn)行絕緣。

 

 

大眾eGolf2015MY電池模塊，端板的設(shè)計(jì)的功能比較豐富，減重的同時(shí)滿足了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需求，還達(dá)到了組裝時(shí)的需求，采用PCB板采集cell信息，模塊兩端只需要留出低壓接頭（現(xiàn)在采用這種方式的模塊越來(lái)越多了）。

 

 

下圖是奧迪2014年的一個(gè)PHEV2的模塊設(shè)計(jì)概念圖，匹配液冷板的設(shè)計(jì)，從爆炸圖可以看到上面看不到的一些內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

 

 

寶馬i3，使用三星SDI方形電芯。電池包共有8個(gè)模組組成，每個(gè)模組有12個(gè)電芯串聯(lián)，共計(jì)96個(gè)電芯串聯(lián)，183km續(xù)航版本使用94Ah電芯，如下圖所示。（說(shuō)明一下，下圖不是現(xiàn)在傳說(shuō)中的那個(gè)最新版，網(wǎng)上流傳的視頻顯示最新版的pack箱體已經(jīng)與前面版本不同。）鋁焊接模組殼體，四角有安裝過(guò)孔固定到pack箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化制造。

 

 

方形電池把容量做大，相對(duì)圓柱電芯要容易，在提升容量的過(guò)程中，受到的限制比較少。但隨著單體體積的增加，也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，比如側(cè)面鼓脹嚴(yán)重，散熱困難且不均勻性增大。

 

方形電池典型問(wèn)題和應(yīng)對(duì)

1）側(cè)面鼓脹問(wèn)題

鋰離子電池在充放電過(guò)程中電池的內(nèi)部存在一定的壓力(經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)0.3～0.6 MPa)，在相同的壓力下，受力面積越大，電池殼壁的變形越嚴(yán)重。引起電池膨脹的重要原因：化成時(shí)形成SEI 的過(guò)程中產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)氣壓升高，由于方形電池平面結(jié)構(gòu)耐壓能力差，因此造成殼體變形；充電時(shí)電極材料晶格參數(shù)發(fā)生變化，造成電極膨脹，電極膨脹力作用于殼體，造成電池殼體變形；高溫貯存時(shí)，少量電液分解及由于溫度效應(yīng)氣

體壓力增大，造成電池殼體變形。在以上三個(gè)原因中電極膨脹而引起的殼體膨脹是最主要原因。

方形電池的鼓脹問(wèn)題是一個(gè)通病，特別是大容量方形鋰離子電池更為嚴(yán)重，電池鼓脹會(huì)造成電池的內(nèi)阻增加、局部的電液枯竭甚至殼體破裂，嚴(yán)重地影響了電池的安全性及循環(huán)壽命。

張超等人給出的方案，利用小結(jié)構(gòu)形式，加強(qiáng)殼體強(qiáng)度；優(yōu)化排列方式兩個(gè)角度，解決方形電池鼓脹問(wèn)題。

 

 

加強(qiáng)殼體強(qiáng)度，把原來(lái)的平面殼體設(shè)計(jì)成加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并以向殼體內(nèi)部打壓的方式，測(cè)試殼體加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的效果，按照固定方式的不同（固定長(zhǎng)度方向和固定寬度方向），分別測(cè)試?？梢悦黠@觀察到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用。以寬度固定情形為例，在0.3Mpa壓力下，有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的變形量為3.2mm，而沒(méi)有加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的殼體變形量達(dá)到4.1mm，變形量降低了20%以上。