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约束压力对软包电池厚度、容量衰减影响及对应PHEV电池包设计策略

发布时间:2019-05-31 02:25 来源:未知 编辑:admin

  约束压力对电池性能的影响正受到越来越多的关注和研究。此前,[1]和大众[2]均公开发表过所开展的约束压力对电池循环寿命影响的研究。其实从锂离子电池的工作原理出发,正极、负极、电解液和隔膜等多种构成决定了其包含多种界面,且部分材料和工艺均为多孔结构,外加不可避免的副反应产气,都决定了其电化学性能逃不脱约束压力影响的。不同于圆柱电池和方形电池由于有坚硬外壳这一靠山,软包电池由的铝塑膜封装,约束压力对其的影响相对显著。因此,开展对约束压力对动力电池尤其是软包电池电化学等性能影响的研究是极为必要的。

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  亮点:提供了完整的软包电池电池包设计思路,极为罕见!该方法可以为动力电池企业和车企相关从业人员提供指导,约束压力对电池的影响不容忽视。

  实验所用软包电池容量35Ah,正极为NCM,负极为天然石墨和人造石墨混合,工作电压范围为2.5-4.2V,电池尺寸为292mm*96mm*8.8mm。为了测试充放电过程不同约束压力下软包电池厚度变化,作者设计了如图1所示的实验装置,包括约束电池的一套铝制夹具、四根产生约束压力的弹簧以及装置下方的四个测压单元。具体测试在40℃恒温箱中进行,对外连接充放电机可对电池进行充放电,具体测试场景如图2所示。四根弹簧的尺寸为50*50mm,弹性系数为31.25kgf/mm。电池的厚度变化同时光学装置实时测量。

  实验装置都准备好了,下一步就是确定电池循环测试方案了。由于本研究最终的服务对象是PHEV,因此作者考虑了车辆充电和驾驶时两种状态,同时考虑了图3所示的两种电量消耗模型的放电模式,并基于此得到图4所示的电池循环测试方案。电池循环DOD为15%-95%,采用CC-CV模式充电,充电倍率1C。一个单独循环耗时约5h,对应的能量大概可行驶105Km。

  充放电过程电池会发生膨胀收缩,此外电池长期使用由于副反应的作用电池总体会不断膨胀产生内部压力,内部压力既会影响电池结构和性能,同时又会对pack结构产生影响。基于此,实际使用中电池都是在一定的约束压力下运行以消除由于膨胀导致的负面影响。因此,研究不同初始约束压力下循环电池厚度变化极为必要。如图5所示,在初始约束压力0-40KPa范围,压力越大电池的厚度越小。如图6所示,在20KPa或40KPa初始压力下,随着循环的进行EOL阶段电池内部压力将分别增长50%和75%。这也意味着如果初始约束压力不当,EOL阶段电池的内部压力将极大导致模组或pack结构发生破坏。

  图8.电池分别在20KPa和40KPa初始压力下电池厚度随车辆行驶里程变化。

  在摸清楚软包电池不同约束压力下BOL和EOL电池厚度及内压的变化的基础上,作者设计了如图10所示的模组和pack。其中每个模组包含四个子模组,一个字模组内含4个软包电池。每个电池之间都包含冷却板,每两电池之间隔着压缩片以维持电池的内压。可通过控制压缩片的不用压缩厚度来控制电池的初始约束压力。

  由于老化作用,MOL电池厚度较BOL电池会有所增加,此时电池厚度的增加(XMOL)绝大部分由压缩片所吸收,具体如公式(2)所示:

  为了验证模组和pack结构能否承受EOL阶段电池内部压力,作者用OPTISTRUCTV14软件进行了仿真分析。条件为:电池初始厚度8.8mm,20KPa约束压力下压缩片厚度1.3mm,压缩片的最大压缩量为80%、对应的作用力为367kgf。根据以上条件,电池在寿命循环周期内总厚度变化为初始厚度的5%。

  在初始20KPa约束压力下,压缩片初始变形量为0.1mm。如图14所示,在EOL阶段,模组的最大变形量发生在侧板,为0.94mm,而pack的最大变形发生在端板,为1.0mm。如图15所示,与图14相对应,EOL阶段模组侧板最大压力为85.1MPa,pack最大压力出现在支撑杆,高达406.5MPa。

  最后,作者对仿真结果和实测结果进行了对比,所用模组、pack如图16所示。测试前,作者用表面压力纸对电池的初始约束压力进行了测量,为20KPa。pack的循环测试条件与图4所示的电池测试条件相同。如图17所示,循环早期pack容量保持率略低于电池的容量保持率,这主要是初始阶段压缩片的压缩量略低所致。总体来看,pack测试结果同软包电池端的测试结果有着较好的一致性。

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