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简述方形电池的基本结构

钜大LARGE  |  点击量:6069次  |  2018年10月05日  

摘要
一个典型的方形锂电池,主要组成部件包括:顶盖,壳体,正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕,绝缘件,安全组件等。其中,红圈中的两个是安全结构,NSD针刺安全装置;OSD过充保护装置。

方形电池基本结构

一个典型的方形锂电池,主要组成部件包括:顶盖,壳体,正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕,绝缘件,安全组件等。其中,红圈中的两个是安全结构,NSD针刺安全装置;OSD过充保护装置。

针刺安全保护装置(NSD,NailSafetyDevice)。这是在卷芯的最外面加上了金属层,例如铜薄片。当针刺发生时,在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低,这样可以防止针刺位置局部过热,缓减电池热失控发生。

过充安全保护装置(OSD,OverchargeSafetyDevice),目前这个安全设计在很多电池上都能看到。一般是一个金属薄片,配合fuse使用,fuse可以设计到正极集流体上,过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路,产生瞬间大电流,从而使Fuse熔断,从而切断电池内部电流回路。

方形电池基本结构

壳体一般为钢壳或者铝壳,随着市场对能量密度的追求的驱动以及生产工艺的进步,铝壳逐渐成为主流。

方形电池特点

优点,方形电池封装可靠度高;系统能量效率高;相对重量轻,能量密度较高;结构较为简单,扩容相对方便,是当前通过提高单体容量来提高能量密度的重要选项;单体容量大,则系统构成相对简单,使得对单体的逐一监控成为可能;系统简单带来的另外一个好处是稳定性相对好。

缺点,由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产,所以市场上有成千上万种型号,而正因为型号太多,工艺很难统一;生产自动化水平不高,单体差异性较大,在大规模应用中,存在系统寿命远低于单体寿命的问题。

说到这里,不能不提一下2017年7月颁布,今年2月正式实施的国家推荐标准《GB/T34013-2017电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》,其中针对方形电池,给出了8个系列的尺寸,如下图和下表所示。

方形锂电池,容量放大后面临怎样的特性改变?

方形锂电池,容量放大后面临怎样的特性改变?

个人觉得,对电芯规格尺寸做出引导,短期也许没有特别明显的效果,甚至有人觉得这个时候给出指导意见,会束缚行业发展,而改变产品尺寸,对电芯生产来说,还不仅仅是工装模具的问题,影响甚大。但作为一个推荐标准,只要能够给筹备新生产能力和做产线调整的厂家一个倾向,长期来看,必然对规格尺寸逐渐的向系列化方向发展有推动作用。而电芯和模块的一致性,是真正实现梯次利用的前提。至于技术路线在今后可能出现跨越,其实并不影响没有出现跨越之前向可见目标前进的努力。

主要厂家

刚刚在“电池中国”看到两张表格,国内主要厂商信息都在这里了。

方形锂电池,容量放大后面临怎样的特性改变?

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数据来源:动力电池应用分会研究部整理

国外的主要厂家三星SDI,正极材料主要采用NCA和NCM,方形铝壳。著名案例宝马i3。三星官网显示的方形电池单体。产品包括高能量的BEV(纯电动)60Ah、94Ah电池;PHEV(插电式混合电动车)26Ah、37Ah电池(26Ah会逐渐被37Ah取代);HEV(混合电动车)5.2Ah、5.9Ah电池;高功率电池(4.0Ah、11Ah),共4个系列。

方形锂电池,容量放大后面临怎样的特性改变?

典型方形电池模组

下图是三菱2011年的i-MiEV电池模块,PCB板采集cell的电压、温度,两端通过螺栓紧固。cell之间是最常见的busbar和螺栓连接方式。

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接下来是2012MY丰田普瑞斯PHEV电池模块,采用线束(现在来看这种线束的采集方式,感觉在有些场合下是十分麻烦的,存在隐患)来采集cell信息,也是采用螺栓的连接方式,不过增加了橙色的部分进行保护。

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下面是2014MY大众捷达HEV的电池模块,通过侧面的两根压条来紧固模块,端板外侧加上塑料盖板进行绝缘。

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大众eGolf2015MY电池模块,端板的设计的功能比较丰富,减重的同时满足了结构强度需求,还达到了组装时的需求,采用PCB板采集cell信息,模块两端只需要留出低压接头(现在采用这种方式的模块越来越多了)。

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下图是奥迪2014年的一个PHEV2的模块设计概念图,匹配液冷板的设计,从爆炸图可以看到上面看不到的一些内部结构。

方形锂电池,容量放大后面临怎样的特性改变?

宝马i3,使用三星SDI方形电芯。电池包共有8个模组组成,每个模组有12个电芯串联,共计96个电芯串联,183km续航版本使用94Ah电芯,如下图所示。(说明一下,下图不是现在传说中的那个最新版,网上流传的视频显示最新版的pack箱体已经与前面版本不同。)铝焊接模组壳体,四角有安装过孔固定到pack箱体内,结构简单,有利于实现自动化制造。

方形锂电池,容量放大后面临怎样的特性改变?

方形电池把容量做大,相对圆柱电芯要容易,在提升容量的过程中,受到的限制比较少。但随着单体体积的增加,也出现了一些问题,比如侧面鼓胀严重,散热困难且不均匀性增大。

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