动力电池残空间测试技术开发和应用_苏育专.pdf
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1、AUTO TIME 115 NEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车 时代汽车 1引言随着社会的日益发展,化石能源的消耗急剧增加,由此引发的能源短缺和环境污染问题越来越严重。新能源汽车的应用不仅减少了有害气体的排放,同时还提高了能源转换效率,是一项解决当前能源和环境问题的有效举措。锂离子电池作为新能源汽车的核心部件之一,其能量密度和安全可靠性是当前的关注点。电池在使用过程中,伴随不同程度的产气1,2,产气会引起电池内部气压升高,引起电池变形甚至结构开裂,导致漏液,极端条件下可能引起电池短路、起火。针对电池产气问题有三个主要解决途径:第一,优化电池的正负极材料、电解液,降低产气量;
2、第二,提高电池的结构强度,使电池能够承受更高的气压,比如使用铝壳或钢壳电池,其强度优于软包电池;第三,在电池内部预留一定的空间(即残空间,其定义为电池壳体内部未被固体或液体等体积难以被压缩的物质填充的空间),这部分空间可以容纳产生的气体,确保在一定产气量时电池内压处于壳体可以承受的阈值内。前两种解决途径与电池的化学体系和电池壳体设计有关,由于电池需要兼顾安全可靠性、寿命、快充、功率、能量密度、可制造性、与电池包的适配性等多个关键指标,通过前两个途径解决产气问题付出的成本往往较高。而第三个解决途径,改变电池残空间对其他指标的影响相对较小,付出的代价更低。因此残空间是电池的一个重要参数。电池的残空
3、间越大,为产气预留的体积越大,电池产气后内压越低,结构可靠性高。另一方面,残空间越大时,意味着电池壳体内未被有效利用的空间越多,不利于电池体积能量密度的提升。残空间不仅与电池设计有关,还与材料理化性质的波动、电池结构件尺寸波动、电池制造过程波动等因素有关,因此残空间无法准确预测,准确测量电池的实际残空间在指导电池设计等方面具有重要意义。需要说明的是,残空间这一概念适用于采用铝壳或钢壳等的硬壳电池,软包电池由于化成后抽负压封装,往往不存在残空间。残空间测试常常采用“满注液法”进行测量,即对待测电池注满电解液,用天平称量满注前后的质量变化,再根据电解液的密度计算残空间。根据本公司的经验,这种方法操
4、作繁琐、耗时长、测试结果不准确,误差可达数毫升。为此,本文开发了一种简易的电池残空间测试技术,适用于目前主流的动力电池残空间测试技术开发和应用苏育专宁德时代新能源科技股份有限公司福建省宁德市352100摘 要:电池产气导致内压增大,可能引起电池结构开裂,导致漏液、起火等安全可靠性问题。通过设计合理体积的电池残空间,可以确保电池在具有高能量密度的情况下,同时降低电池内压,降低失效风险。本文基于质量守恒定律及理想气体方程,开发了一套操作简易、准确度高的残空间测试技术。经过验证,该技术的测试精度与所选气压表的精度密切相关,采用高精度气压表时,测试偏差仅 0.04%左右。采用这种技术,本文准确测量了不
5、同 SOC 状态下的电池残空间变化,测试结果与理论推导相符。该方法同样适用于研究不同气体在电解液中的溶解,为计算电池真实产气量提供了基础数据。关键词:电池产气残空间测试精度气体溶解A simple method to measure the residual volume of EV lithium-ion batterySu YuzhuanAbstract:The increase of internal pressure caused by gas generation may cause structural cracking of the battery,leading to safe
6、ty and reliability issues such as electrolyte leakage and thermal runaway.A reasonable residual volume of battery is very important,because it can ensure that the battery has a high energy density,while reducing the internal pressure of the battery,thereby reducing the risk of battery failure.We dev
7、eloped a simple and accurate method to measure the residual volume of battery based on the law of conservation of mass and the ideal gas equation.It has been verifi ed that the test precision of this method is mainly determined by the accuracy of the selected barometer.By using a high-precision baro
8、meter,the test deviation is only about 0.04%.We measured the evolution of residual volume under diff erent SOC states,and the results are consistent with the theoretical deduction.This method is also suitable for studying the dissolution process of diff erent gases in electrolytes,providing basic da
9、ta for calculating the practical gas volume of batteries.Key words:Gas generation,residual volume,test precision,gas dissolution116 AUTO TIMENEW ENERGY AUTOMOBILE|新能源汽车锂离子电池产品,包括采用铝壳或钢壳的圆柱电池和方形电池。本文验证了该技术的测试精度,以及在电池产气可靠性研究中的应用,不仅准确测量了不同 SOC 状态电池残空间,还研究了气体在电解液中的溶解过程。2测试技术2.1测试原理原理示意图如图 1 所示,左侧是一个标准腔,
10、其内部体积为 V1,内部气压为 P1(以大气压为零点)。右侧是待测腔,其体积 V2待测。在测试前,将待测腔与大气连通,使其内部气压为零。测试时,将两个腔体连接并打开开关,气压在两个腔体达到平衡,基于质量守恒定律和理想气体状态方程,有如下关系:V1*P1=(V1+V2)*P,其中 P 为两个腔体连通后的平衡气压。可得 V2=(P1/P-1)*V1,即在 V1已知的情况下,采用气压表测试 P1和 P 即可计算出V2。图1测试原理示意图开关标准腔待测腔2.2设备示意图基于上述原理,本文构建了如图 2 所示的测量设备。左下是标准腔,其内部体积为V1,标准腔有两个接口:(1)进气口,用于对标准腔进行充气
11、;(2)测量口,测量口连接三通阀,以同时连接气压表和待测腔,气压表用于测量标准腔的气压 P1以及连通待测腔后的平衡气压 P。为了便于对标准腔进行充气,设置了两个开关和。右侧为待测腔,即待测的样品。待测样品与标准腔之间可以通过快插口进行连接或断开。气压表为测试系统的核心部件,本论文中采用了两款不同精度的气压表,分别购至基恩士(型号 AP-43,最小读数单位 0.1 kPa)和北京康斯特仪表科技股份公司(型号ConST221,最小读数单位 Pa)。本文中气压表数据采用人工读数并记录的方式,当气压数值随时间变化较小时,会适当延长数据记录间隔。2.3测试步骤本文开发的测试技术操作简单,所有步骤通常在
12、2min 内可以完成,具体步骤如下:(1)打开开关和,标准腔接通大气,将气压表读数归零;(2)关闭开关,通过进气口对标准腔充气,当气压表读数达到目标值附近时,关闭开关,停止充气,记录 P1的准确数值;(3)将待测腔与标准腔通过快插口连接,打开开关,读取气压表读数,记为平衡压力 P。基于公式,即可计算出待测腔体体积V2。2.4测试设备实物图测试设备的实物图如图 3 所示,相关部件名称已在图中标注。2.5测试设备的气密性验证验证方法如下:首先对标准腔充气,结束后关闭开关;然后连接待测腔,打开开关,使两个腔体连通,记录气压表读数随时间的变化趋势。如果存在漏气,平衡气压会随时间逐渐降低。需要指出的是,
13、测得的气密性包括了测试设备、快插口、待测腔的共同贡献,而不仅仅是测试设备的气密性。测试结果如图 4 所示,平衡气压在 8 min内未降低,证明气压降低值不超过气压表最小读数单位 0.1 kPa,泄漏速率低于 0.0125 kPa/min。假设V1=V2,则根据公式可以计算出,0.1 kPa 引起的体积测试偏差约为 0.29%,由于测试操作通常在 2 min 内完成,因此气密性引起的测试误差不超过 0.073%,符合要求。2.6测试精度验证测试方法如下:本文验证了两种不同精度气压表的测试精度,方案如图 5 所示。先图3测试设备实物图图2设备示意图1.标准腔;2.进气口;3.开关;4.测量口;5.
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