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簡述方形電池的基本結構

鉅大LARGE  |  點擊量:5481次  |  2018年10月05日  

摘要
一個典型的方形鋰電池,主要組成部件包括:頂蓋,殼體,正極板、負極板、隔膜組成的疊片或者卷繞,絕緣件,安全組件等。其中,紅圈中的兩個是安全結構,NSD針刺安全裝置;OSD過充保護裝置。

方形電池基本結構

一個典型的方形鋰電池,主要組成部件包括:頂蓋,殼體,正極板、負極板、隔膜組成的疊片或者卷繞,絕緣件,安全組件等。其中,紅圈中的兩個是安全結構,NSD針刺安全裝置;OSD過充保護裝置。

針刺安全保護裝置(NSD,NailSafetyDevice)。這是在卷芯的最外面加上了金屬層,例如銅薄片。當針刺發生時,在針刺位置產生的局部大電流通過大面積的銅薄片迅速把單位面積的電流降低,這樣可以防止針刺位置局部過熱,緩減電池熱失控發生。

過充安全保護裝置(OSD,OverchargeSafetyDevice),目前這個安全設計在很多電池上都能看到。一般是一個金屬薄片,配合fuse使用,fuse可以設計到正極集流體上,過充時電池內部產生的壓力使得OSD觸發內部短路,產生瞬間大電流,從而使Fuse熔斷,從而切斷電池內部電流回路。

方形電池基本結構

殼體一般為鋼殼或者鋁殼,隨著市場對能量密度的追求的驅動以及生產工藝的進步,鋁殼逐漸成為主流。

方形電池特點

優點,方形電池封裝可靠度高;系統能量效率高;相對重量輕,能量密度較高;結構較為簡單,擴容相對方便,是當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,則系統構成相對簡單,使得對單體的逐一監控成為可能;系統簡單帶來的另外一個好處是穩定性相對好。

缺點,由于方形鋰電池可以根據產品的尺寸進行定制化生產,所以市場上有成千上萬種型號,而正因為型號太多,工藝很難統一;生產自動化水平不高,單體差異性較大,在大規模應用中,存在系統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/T34013-2017電動汽車用動力蓄電池產品規格尺寸》,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。

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

個人覺得,對電芯規格尺寸做出引導,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意見,會束縛行業發展,而改變產品尺寸,對電芯生產來說,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能力和做產線調整的廠家一個傾向,長期來看,必然對規格尺寸逐漸的向系列化方向發展有推動作用。而電芯和模塊的一致性,是真正實現梯次利用的前提。至于技術路線在今后可能出現跨越,其實并不影響沒有出現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,國內主要廠商信息都在這里了。

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

數據來源:動力電池應用分會研究部整理

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。三星官網顯示的方形電池單體。產品包括高能量的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。

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

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。

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

接下來是2012MY豐田普瑞斯PHEV電池模塊,采用線束(現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。

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下面是2014MY大眾捷達HEV的電池模塊,通過側面的兩根壓條來緊固模塊,端板外側加上塑料蓋板進行絕緣。

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大眾eGolf2015MY電池模塊,端板的設計的功能比較豐富,減重的同時滿足了結構強度需求,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(現在采用這種方式的模塊越來越多了)。

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下圖是奧迪2014年的一個PHEV2的模塊設計概念圖,匹配液冷板的設計,從爆炸圖可以看到上面看不到的一些內部結構。

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

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,共計96個電芯串聯,183km續航版本使用94Ah電芯,如下圖所示。(說明一下,下圖不是現在傳說中的那個最新版,網上流傳的視頻顯示最新版的pack箱體已經與前面版本不同。)鋁焊接模組殼體,四角有安裝過孔固定到pack箱體內,結構簡單,有利于實現自動化制造。

方形鋰電池,容量放大后面臨怎樣的特性改變?

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,也出現了一些問題,比如側面鼓脹嚴重,散熱困難且不均勻性增大。

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