方形電池的特點有哪些？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-27 19:11
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方形電池特點
方形電池是國內(nèi)較早推廣的一種動力電池形式。2016年數(shù)據(jù)顯示，國內(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的重視。
優(yōu)點，方形電池封裝可靠度高；系統(tǒng)能量效率高；相對重量輕，能量密度較高；結(jié)構(gòu)較為簡單，擴容相對方便，是當(dāng)前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項；單體容量大，則系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，使得對單體的逐一監(jiān)控成為可能；系統(tǒng)簡單帶來的另外一個好處是穩(wěn)定性相對好。
缺點，由于方形鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一；生產(chǎn)自動化水平不高，單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，存在系統(tǒng)壽命遠低于單體壽命的問題。
說到這里，不能不提一下2017年7月頒布，今年2月正式實施的國家推薦標準《GB/T 34013-2017 電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》，其中針對方形電池，給出了8個系列的尺寸，如下圖和下表所示。
個人覺得，對電芯規(guī)格尺寸做出引導(dǎo)，短期也許沒有特別明顯的效果，甚至有人覺得這個時候給出指導(dǎo)意見，會束縛行業(yè)發(fā)展，而改變產(chǎn)品尺寸，對電芯生產(chǎn)來說，還不僅僅是工裝模具的問題，影響甚大。但作為一個推薦標準，只要能夠給籌備新生產(chǎn)能力和做產(chǎn)線調(diào)整的廠家一個傾向，長期來看，必然對規(guī)格尺寸逐漸的向系列化方向發(fā)展有推動作用。而電芯和模塊的一致性，是真正實現(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，其實并不影響沒有出現(xiàn)跨越之前向可見目標前進的努力。
主要廠家
剛剛在“電池中國”看到兩張表格，國內(nèi)主要廠商信息都在這里了。
數(shù)據(jù)來源：動力電池應(yīng)用分會研究部整理
國外的主要廠家三星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)60Ah、94Ah電池； PHEV(插電式混合電動車)26Ah、37Ah電池(26Ah會逐漸被37Ah取代)；HEV(混合電動車)5.2Ah、5.9Ah電池；高功率電池(4.0Ah、11Ah)，共4個系列。
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，兩端通過螺栓緊固。cell之間是最常見的busbar和螺栓連接方式。
接下來是2012MY豐田普瑞斯PHEV電池模塊，采用線束（現(xiàn)在來看這種線束的采集方式，感覺在有些場合下是十分麻煩的，存在隱患）來采集cell信息，也是采用螺栓的連接方式，不過增加了橙色的部分進行保護。
下面是2014MY大眾捷達HEV的電池模塊，通過側(cè)面的兩根壓條來緊固模塊，端板外側(cè)加上塑料蓋板進行絕緣。
大眾eGolf2015MY電池模塊，端板的設(shè)計的功能比較豐富，減重的同時滿足了結(jié)構(gòu)強度需求，還達到了組裝時的需求，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越多了）。
下圖是奧迪2014年的一個PHEV2的模塊設(shè)計概念圖，匹配液冷板的設(shè)計，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個模組組成，每個模組有12個電芯串聯(lián)，共計96個電芯串聯(lián)，183km續(xù)航版本使用94Ah電芯，如下圖所示。（說明一下，下圖不是現(xiàn)在傳說中的那個最新版，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，四角有安裝過孔固定到pack箱體內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單，有利于實現(xiàn)自動化制造。
方形電池把容量做大，相對圓柱電芯要容易，在提升容量的過程中，受到的限制比較少。但隨著單體體積的增加，也出現(xiàn)了一些問題，比如側(cè)面鼓脹嚴重，散熱困難且不均勻性增大。
方形電池典型問題和應(yīng)對
1）側(cè)面鼓脹問題
鋰離子電池在充放電過程中電池的內(nèi)部存在一定的壓力(經(jīng)驗數(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重。引起電池膨脹的重要原因：化成時形成SEI 的過程中產(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，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。
方形電池的鼓脹問題是一個通病，特別是大容量方形鋰離子電池更為嚴重，電池鼓脹會造成電池的內(nèi)阻增加、局部的電液枯竭甚至殼體破裂，嚴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，加強殼體強度；優(yōu)化排列方式兩個角度，解決方形電池鼓脹問題。
加強殼體強度，把原來的平面殼體設(shè)計成加強結(jié)構(gòu)，并以向殼體內(nèi)部打壓的方式，測試殼體加強結(jié)構(gòu)設(shè)計的效果，按照固定方式的不同（固定長度方向和固定寬度方向），分別測試。可以明顯觀察到加強結(jié)構(gòu)的作用。以寬度固定情形為例，在0.3Mpa壓力下，有加強結(jié)構(gòu)的變形量為3.2mm，而沒有加強結(jié)構(gòu)的殼體變形量達到4.1mm，變形量降低了20%以上。
