通常單體電池的循環(huán)在自由狀態(tài)下進(jìn)行。多個(gè)電池組裝形成模組后，循環(huán)過程導(dǎo)致的單個(gè)電池體積變化，不可避免會(huì)影響臨近電池的受力狀態(tài)。此外，成組過程中也會(huì)對(duì)其整體電池施加一定的預(yù)壓力，由此造成了模組中電池的受力狀態(tài)完全不同于單個(gè)電池。因此，有必要對(duì)電池約束力范圍的影響因素進(jìn)行研究，供模組設(shè)計(jì)參考，選取合適的工藝參數(shù)。

圖 電池外壓力測試裝置原理

1. 實(shí)驗(yàn)部分

儀器

主要儀器：外壓力傳感器（深圳產(chǎn)）；鋰電池測試柜（深圳產(chǎn)）。

實(shí)驗(yàn)方案：所用電池及充放電方案

所用電池為容量38Ah的三元方形電芯，該方形電芯尺寸為厚度27mm×寬度148mm ×高度91mm，正極材料為NCM111，負(fù)極為人造石墨。電池循環(huán)過程中采用的充放電范圍為3.0V－4.2V，采用的充放電方案為1C恒流恒壓充電至4.2V，1C放電至3.0V。

循環(huán)外壓力與循環(huán)約束初始充放電態(tài)

初始外壓約束力固定，保證SOC為50%狀態(tài)下，將電池約束后初始循環(huán)狀態(tài)設(shè)定為充電和放電態(tài)兩種情況。觀察循環(huán)過程中，電池約束外壓力隨著循環(huán)的變化情況。

循環(huán)外壓力與循環(huán)約束初始SOC狀態(tài)

初始外壓約束力固定，將電池約束后初始循環(huán)狀態(tài)統(tǒng)一設(shè)定為放電態(tài)，約束電池初始放電SOC分別設(shè)定為0％SOC（充）、25％SOC、50％SOC、75％SOC、100％SOC共5個(gè)梯度，觀察初始約束SOC變化的情況下，電池約束外壓力隨著循環(huán)的變化情況。

2. 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)約束初始充放電態(tài)對(duì)循環(huán)外壓力的影響

首先，我們考察了在50％SOC條件下對(duì)電池施加200kg預(yù)壓力后，充電和放電對(duì)電池實(shí)際約束力范圍的影響，如圖1所示。從圖中可得知，電池所受的實(shí)際壓力波動(dòng)與電壓變化保持一致。外壓力隨著充電電壓的增加而增加，隨著放電電壓的減小而減小。擱置階段，外壓力幾乎恒定不變。

圖1 50％SOC初始充（a）放（b）電態(tài)下對(duì)應(yīng)的外壓力曲線圖

電池實(shí)際受到的壓力范圍值如表1中顯示，初始外壓約束力均為200kg，SOC為50％的狀態(tài)下，電池初始約束為充電態(tài)時(shí)，循環(huán)5周的外壓力浮動(dòng)范圍為173±118kg；電池初始約束為放電態(tài)時(shí)，循環(huán)5周的外壓力浮動(dòng)范圍為182±109kg。約束力浮動(dòng)范圍相近，說明在50％SOC狀態(tài)下，后續(xù)電池的實(shí)際壓力變化僅與電池電壓直接相關(guān)，與電池約束后進(jìn)行充電或放電的順序并無關(guān)聯(lián)。

表1 50％SOC狀態(tài)下的約束外壓力數(shù)據(jù)

2.2 循環(huán)約束初始SOC狀態(tài)對(duì)循環(huán)外壓力的影響

固定初始外壓約束力為200kg，SOC分別設(shè)定為0％、25％、50％、75％、100％五個(gè)梯度，監(jiān)控電池外壓力的變化，結(jié)果如圖2所示。同樣電池約束力與外壓力保持一致。圖2f比較了不同SOC下電池壓力變化范圍，可知當(dāng)電池約束時(shí)SOC越低，電池循環(huán)過程受到的實(shí)際壓力峰值越大。

圖2 初始約束SOC狀態(tài)下循環(huán)外壓力變化曲線圖

外壓力浮動(dòng)范圍列于表2中，初始SOC從低到高對(duì)應(yīng)的壓力范圍分別為：306±137kg、253±76kg、180±110kg、149±104kg及91±84kg。

表2 不同SOC狀態(tài)下的約束外壓力數(shù)據(jù)

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)殡姵卦诔潆娺^程中鋰離子從正極脫出，嵌入負(fù)極石墨片層，造成整體電池體積增加，放電過程中體積恢復(fù)。因此在0％SOC即放電狀態(tài)下約束電池，電池在隨后的充電過程中不斷膨脹，導(dǎo)致約束壓力持續(xù)上升，高于設(shè)定值；相反，在充電狀態(tài)下約束，當(dāng)電池放電至低于初始約束時(shí)的SOC狀態(tài)，電池體積降低，因此會(huì)出現(xiàn)約束力低于初始設(shè)定值的情況發(fā)生。考慮到實(shí)際情況，從存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性及自放電保持率的角度，以及當(dāng)前的外壓力浮動(dòng)范圍，以50％SOC狀態(tài)為最佳初始約束狀態(tài)。此時(shí)約束力在設(shè)定值上下較為均勻波動(dòng)，偏差較小。

結(jié)論

本文研究了在不同初始SOC狀態(tài)，不同約束力大小情況下電池所受的實(shí)際壓力大小。結(jié)論如下：電池處于約束狀態(tài)下時(shí)，隨著充放電進(jìn)行，會(huì)導(dǎo)致電池所受約束力的變化，約束力變化與電池電壓基本一致，即充電過程中增加，放電過程中降低，對(duì)應(yīng)著電池充放電過程中的膨脹和收縮。電池實(shí)際受到的約束力并不等于實(shí)驗(yàn)設(shè)定值，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)變化。

電池受約束時(shí)所處的SOC決定了電池實(shí)際約束力的范圍。在放電狀態(tài)下約束，電池在隨后充放電過程中繼續(xù)膨脹，因此所受的實(shí)際壓力高于設(shè)定約束力，在充電狀態(tài)下約束電池情況相反，電池實(shí)際受力低于設(shè)定值。因此在實(shí)際應(yīng)用中，如組裝模組時(shí)，需要考慮電池所能承受的壓力范圍，確定組裝時(shí)的電池狀態(tài)及預(yù)約束力大小，以保證電池在循環(huán)過程發(fā)揮正常的性能。

審核編輯 ：李倩