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鋰離子電池在充放電過(guò)程中，由于正負(fù)極的結(jié)構(gòu)膨脹和電解液分解產(chǎn)氣會(huì)造成電芯的膨脹，當(dāng)電池的束縛邊界不同時(shí)，電芯膨脹的表現(xiàn)形式也不同。電芯表面施加的應(yīng)力一定時(shí)，電芯表現(xiàn)出厚度的變化，而當(dāng)電芯的初始厚度控制不變時(shí)，電芯則表現(xiàn)出應(yīng)力的變化。通常在測(cè)試電芯的膨脹行為時(shí)，需要控制不同的邊界條件，得到電芯膨脹厚度或者膨脹力的變化，但不同的控制參數(shù)會(huì)顯著影響測(cè)得的膨脹數(shù)據(jù)，元能科技推出的原位膨脹測(cè)試系統(tǒng)SWE系列，如圖1，可原位表征電芯的膨脹行為，如何進(jìn)行不同測(cè)量模式下的參數(shù)設(shè)置，對(duì)得到準(zhǔn)確可靠的膨脹數(shù)據(jù)是非常重要的。

圖1.元能科技原位膨脹測(cè)試系統(tǒng)SWE系列

SWE系列表征電芯的膨脹行為時(shí)有兩種測(cè)量模式：恒壓力和恒間隙。下面分別對(duì)這兩種模式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的說(shuō)明。

1.恒壓力模式

在恒壓力模式下，對(duì)電芯表面施加的壓力是恒定的，通過(guò)高精度的壓力調(diào)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)保持電芯充放電過(guò)程中的壓力，同時(shí)采集厚度變化曲線，如圖2所示。該模式通常應(yīng)用于對(duì)比不同材料的膨脹行為差異，例如不同硅碳材料的膨脹厚度對(duì)比。壓力參數(shù)的設(shè)置是與電芯的長(zhǎng)寬面積有關(guān)的，一般情況下，隨著施加壓力的增大，電芯受到的縱向壓力也越來(lái)越大，測(cè)到的充放電過(guò)程的膨脹厚度越來(lái)越小，如圖3所示，但壓力過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電芯充放電的極化過(guò)大，影響電芯性能，因此需要選擇合理的施加壓力。通常，行業(yè)內(nèi)人員會(huì)選擇0.2MPa的壓強(qiáng)來(lái)表征電芯的原位膨脹厚度。該模式測(cè)試前對(duì)電芯的SOC狀態(tài)無(wú)要求，分析時(shí)重點(diǎn)以滿充滿放的厚度差值來(lái)比較。

圖2.恒壓力與厚度變化示意圖

圖3.不同壓強(qiáng)條件下的原位膨脹厚度曲線

2.恒間隙模式

在恒間隙模式下，會(huì)對(duì)電芯先施加一個(gè)初始預(yù)緊力，通過(guò)高精度的位移調(diào)控系統(tǒng)保持該預(yù)緊力條件對(duì)應(yīng)的電芯間隙不變，實(shí)時(shí)采集電芯充放電過(guò)程中的壓力變化曲線，如圖4所示。該模式通常應(yīng)用在電芯/模組/Pack設(shè)計(jì)或仿真部門，通過(guò)對(duì)比不同初始預(yù)緊力條件，控制電芯的間隙不同，進(jìn)而分析束縛邊界材料的剛度，例如對(duì)比不同模組殼體或者不同緩沖棉的差異。預(yù)緊力參數(shù)的設(shè)置影響了電芯的初始間隙，預(yù)緊力越大，電芯對(duì)應(yīng)的間隙越小，則后續(xù)充放電過(guò)程中測(cè)到的膨脹力越大，但當(dāng)預(yù)緊力達(dá)到一定程度時(shí)，電芯的膨脹力變化會(huì)相對(duì)平穩(wěn)，若繼續(xù)加大預(yù)緊力，對(duì)應(yīng)的電芯間隙更小時(shí)，會(huì)增大電芯充放電的極化，影響電芯性能，因此需要選擇合理的預(yù)緊力以保證合適的電芯間隙，通常，行業(yè)內(nèi)人員會(huì)選擇0.2MPa的壓強(qiáng)作為預(yù)緊力來(lái)表征電芯的原位膨脹力。另外，電芯的初始SOC狀態(tài)不同，會(huì)影響電芯的間隙控制量，例如相同預(yù)緊力條件下，0%SOC的電芯間隙要小于100%SOC的電芯間隙，且這兩種狀態(tài)下測(cè)到的滿充滿放的膨脹力差值也會(huì)不同，因此我們?cè)诒碚髋蛎浟r(shí)盡量保持電芯的初始SOC狀態(tài)一致，通常會(huì)選擇滿放態(tài)的電芯進(jìn)行測(cè)試。

圖4.恒間隙與膨脹力變化示意圖

圖5.不同預(yù)緊力對(duì)應(yīng)的恒間隙時(shí)的膨脹力變化示意圖

總結(jié)

在表征電芯的膨脹性能時(shí)，恒壓力和恒間隙模式有不同的應(yīng)用場(chǎng)景和測(cè)試參數(shù)。通常，材料評(píng)估時(shí)，優(yōu)先會(huì)選擇恒壓力模式表征電芯膨脹厚度，此時(shí)對(duì)電芯的初始SOC無(wú)特殊要求，而在電芯設(shè)計(jì)時(shí)，更偏向選擇恒間隙模式表征電芯膨脹力，此時(shí)電芯初始SOC會(huì)較大影響后續(xù)測(cè)試結(jié)果，可選擇滿放態(tài)的電芯進(jìn)行測(cè)試。另外對(duì)于初始預(yù)緊力的設(shè)置，行業(yè)內(nèi)更多會(huì)使用0.2MPa的壓強(qiáng)施加在電芯表面作為恒壓力或者恒間隙的初始條件。

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