鉅大LARGE | 點擊量：3029次 | 2021年04月26日
18650和21700， 哪種鋰離子電池更安全？
小容量鋰離子電池多并還是大容量鋰離子電池少并是電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計中要面對的實際選擇。如BMWi3和MitsubishiiMiEV選擇的是大容量電池少并的方法，而TeslaModelS、VWe-Golf和NissanLeaf選擇的是小容量電池多并。那這兩種方法中，究竟哪一種更安全呢？戴姆勒公司的SaschaKoch等人結(jié)合實驗和模型深入研究了針刺觸發(fā)多并電池?zé)釘U散的放電過程，發(fā)現(xiàn)小容量電池多并更為安全，成果以DischargebyShortCircuitCurrentsofParallel-ConnectedLithium-IonCellsinThermalPropagation發(fā)表在期刊Batteries上。
圖文淺析：
一．不同SOC下電池加熱熱失控行為
實驗使用的電池為NMC體系、容量40Ah的軟包電池。在多并電池?zé)崾Э貙嶒炛?，作者先考察了電池在不同SOC下加熱的熱失控行為，實驗示意圖如圖2所示。軟包電池被夾具固定，通過加熱板加熱觸發(fā)熱失控。如圖1和圖2所示，隨著電池SOC從30%新增到100%，加熱觸發(fā)熱失控的起始溫度不斷降低，同時電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰亢褪е亓坎粩嘈略?。值得注意的是圖1中100%SOC電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰糠炊^90%SOC有所降低，而失重卻顯著增大，作者判斷這是由于100%SOC下電池?zé)崾Э貥O為猛烈導(dǎo)致很多未來得及反應(yīng)的內(nèi)容物噴出所致(注：這一現(xiàn)象很關(guān)鍵，在公司中測試也能觀察到類似現(xiàn)象)。此外，圖1中未給出0%-20%SOC下電池的熱失控觸發(fā)溫度和能量釋放，這重要是此SOC范圍電池?zé)崾Э販囟炔缓门袛嗨?。從以上結(jié)果不難看出，SOC狀態(tài)越低電池相對更為安全。
二．12P2S模組針刺觸發(fā)熱擴散實驗
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
隨后，作者利用圖3所示裝置分別對6P4S、12P2S和24P1S的模組進行了針刺觸發(fā)熱擴散實驗，并監(jiān)測了整個熱擴散過程每個電池的電流變化。圖4所示為針刺觸發(fā)12P2S模組熱擴散過程電流值變化。以電池1為例，被針刺后充電電流峰值約Icell1≈80A，而其他各電池放電電流值Icell2–12≈4-15A，根據(jù)基爾霍夫公式電Icell1應(yīng)為。此外，熱失控過程電流值較高(圖中灰色區(qū)域)，熱失控后電流值顯著降低，表明熱失控過程電池1的電阻Rtr較小，而熱失控后電池1的電阻Rptr顯著增大。其他各電池?zé)崾Э剡^程電流值變化同電池1類似，6P4S和24P1S模組熱擴散現(xiàn)象同圖4所示的12P2S模組類似
三．6P4S、12P2S和24P1S模組等效電路模型
為了更好的分析針刺觸發(fā)多并電池模組熱擴散過程電流值變化，作者利用等效電路模型進行了模擬分析，并同實測結(jié)果進行了比較。
從圖6實測結(jié)果和模擬結(jié)果看，針刺觸發(fā)模組熱擴散過程單一電池行為可分為三個階段：首先，熱失控開始時被針刺電池電流值陡然增大，表明此時該電池電阻較小，其他健康電池對其放電；隨后，熱失控結(jié)束后電流緩慢上升，表明電池電阻顯著增大，其他電池對外放電放緩；最后，相鄰電池發(fā)生熱失控，重復(fù)前一電池的行為。如此重復(fù)，直至最后一個電池?zé)崾Э亟Y(jié)束。從圖中還可以看到熱失控過程電流實測值和模擬值符合較好，而熱失控后二者之間偏差較大。
等效電路模型模擬結(jié)果顯示，Rtr值在20-180m?范圍變化，均值為92m?。從圖7a可以觀察到后發(fā)生熱失控電池的Rtr值呈不斷增大趨勢，作者認為這是熱失控導(dǎo)致模組中的約束變?nèi)?、電池膨脹增大所致。Rptr值在0.2-1.5?范圍變化，均值為0.54?，但數(shù)據(jù)點極為范圍沒有顯著規(guī)律。
圖8.刨除測量設(shè)備影響后的等效電路模型：(a)電池?zé)崾Э亟Y(jié)束后部分，其中沒有電池處在熱失控階段；(b)電池?zé)崾Э亟Y(jié)束部分，但其中有一電池處在熱失控階段；(c)未發(fā)生熱失控的健康電池部分。
為了更好的模擬分析模組熱擴散過程，作者刨除了測量設(shè)備的影響，并重新設(shè)計了等效電路模型。新的等效電路模型共包含三部分，具體如圖3所示。模型中所用的參數(shù)同表1中的參數(shù)一致。
以多并電池模組中最后一個電池放電容量為考察點，圖9系統(tǒng)總結(jié)了新等效電路模型得到的各因素對模組熱擴散過程的影響結(jié)果。比較各因素的影響不難看出，Rptr值對電池放電容量的影響最大(圖9e)，尤其是并聯(lián)電池數(shù)量新增、Rptr值減小的情形下。如上所述，Rptr值會受模組約束狀態(tài)的影響，因此控制模組的約束狀態(tài)對熱擴散結(jié)果有顯著影響。此外，從結(jié)果看共24個電池的多并模組熱擴散過程最后一個電池的放電量CDCH≈6-10Ah。結(jié)合圖1和圖2結(jié)果顯示30%SOC以下電池更為安全，不難想到假如多并模組中電池單體總?cè)萘緾cell≈10–15Ah，就可以確保放電后電池SOC低于30%，從而降低電池?zé)崾Э孛土页潭壬踔磷柚篃釘U散的發(fā)生。因此，在這個意義上講，小容量電池多并較大容量電池少并更為安全。
