Analyse de corrélation de la performance de gonflement d'une cellule unique et d'une cellule modulaire
L'unique cellule de batterie se dilatera dans une certaine mesure en raison de la désintégration du lithium et de la production de gaz, ce qui affectera la résistance structurelle de l'enveloppe du module. Dans le bloc-batterie ou le système du véhicule, si la force de gonflement d'une seule batterie est trop importante, elle peut faire éclater la coque et entraîner un risque pour la sécurité. Il est donc nécessaire d'introduire le contrôle de la performance de gonflement dans l'essai de cycle à long terme de la batterie.
Étant donné que les cellules de batterie sont combinées en différents nombres et de différentes manières en série et en parallèle lors de la formation des modules de batterie, la force de précontrainte des modules de différentes conceptions sera également différente. Il est donc nécessaire de mener des expériences sur plusieurs facteurs qui affectent la performance de gonflement, et d'explorer initialement la loi de changement de gonflement de la cellule de batterie-module, combinée à la simulation, ce qui peut aider à mieux concevoir le module.
Cet article fournit des données de base pour la prédiction et la simulation de la force de gonflement des modules de batterie en comparant l'épaisseur de gonflement et la corrélation de la force de gonflement d'une cellule unique et de plusieurs cellules pendant la charge et la décharge.
Figure 1. Schéma de la cellule unique et du module
Matériel expérimental et méthodes d'essai
1. Matériel expérimental : analyseur de houle in situ, modèle SWE2110 (IEST Yuanneng Technology), l'aspect de l'équipement est illustré dans la figure.
Figure 2. Aspect de l'équipement SWE2110
2. Processus de test :
Les informations sur les cellules sont présentées dans le tableau 1.
| Informations sur la cellule | |
|---|---|
| Cathode | NCM |
| Anode | Graphite |
| Capacité | 2000mAh |
| Tension | 3.0~4.2V |
| Modèle | 345877 |
3. Test de gonflement de l'épaisseur des cellules : Placer la cellule à tester dans le canal correspondant de l'appareil, ouvrir le logiciel MISS, régler les paramètres de numéro de cellule et de fréquence d'échantillonnage correspondant à chaque canal, et le logiciel lira automatiquement l'épaisseur de la cellule, la variation de l'épaisseur, la température de test, le courant, la tension, la capacité et d'autres données.
Processus expérimental et analyse des données
Comme le montre la figure 3, il existe généralement trois modes pour les essais de gonflement des cellules et des modules : (a) mesure du gonflement libre sans aucune contrainte ; (b) mesure du gonflement des cellules avec application d'une précharge constante ; (c) mesure du gonflement des cellules avec un écart constant. Une batterie ou une unité modulaire peut être décomposée en deux composantes de rigidité équivalente : la rigidité équivalente ka de la cellule interne et la rigidité équivalente kc du boîtier.
L'analyse des forces des trois cas dans des conditions d'équilibre est illustrée à la figure 3. Dans le premier cas, l'enveloppe extérieure limite le gonflement du noyau d'enroulement intérieur, la force sur l'enveloppe extérieure et la force sur le noyau d'enroulement sont équilibrées, et la force externe est nulle ; dans le deuxième cas, une charge de précharge externe ( F 0 ) est appliquée à la batterie, provoquant un déplacement initial du boîtier de la batterie (s0 et s0,c dans la figure 3b),
La rigidité équivalente ks dans la direction perpendiculaire à l'électrode est augmentée par les plaques de liaison des deux côtés de la phase. Dans les conditions d'équilibre, la précharge F0 (identique à la force Fs de la plaque de liaison des deux côtés) est égale à la somme des forces sur le noyau d'enroulement et le boîtier de la batterie ; dans le troisième cas, lorsque l'écart est mesuré en permanence, le gonflement du noyau d'enroulement et du boîtier de la batterie lorsque la batterie se dilate est également différent de celui dans les conditions libres en raison de la condition d'écart fixe.
En bref, comme le module est une combinaison de plusieurs batteries, le joint en plastique entre le boîtier de la batterie et la batterie se rétracte et se dilate pendant le processus de contrainte. L'épaisseur et la force testées sont le résultat combiné du gonflement et de la contraction de l'intercalation du lithium et de l'extraction des électrodes, ainsi que du gonflement et de la contraction des autres composants. Dans cet article, les modes d'essai à pression constante et à écart constant sont utilisés pour étudier la corrélation entre le monomère et le module.
Figure 3. Trois modes d'essai de gonflement des cellules et des modules
1. Recherche sur la relation entre l'épaisseur de gonflement du monomère et le module
Comme le montre la figure 4, afin de simuler la couche intermédiaire entre les cellules individuelles, une couche de film PET blanc a été collée sur les cellules avant le test. La méthode de test de superposition des cellules est illustrée à la figure 5. Allumez l'analyseur de houle in situ (SWE2110), réglez le mode de pression constante de 200 kg, chargez et déchargez en parallèle, et testez les changements d'épaisseur de houle des cellules individuelles et des cellules empilées in situ, respectivement. Comme le montre la figure 6, la ligne continue représente la courbe de gonflement réelle de la cellule, et la ligne pointillée la courbe de superposition ajustée (somme arithmétique).
D'après les résultats, la cellule unique et la cellule empilée présentent toutes deux un phénomène de gonflement de la charge et de contraction de la décharge, qui est principalement dû au gonflement et à la contraction structurels du graphite et des matériaux ternaires provoqués par le processus de désintercalation du lithium. Avec l'augmentation du nombre de cellules empilées, l'épaisseur globale de gonflement du module continue d'augmenter, et la courbe de gonflement de superposition des cellules multiples (ligne continue bleue) est fondamentalement cohérente avec la courbe arithmétique de superposition et de gonflement de la cellule unique (ligne pointillée bleue), et il n'y a que quelques différences à la fin de la charge et de la décharge.
Cela peut être lié à la faible cohérence de chaque cellule, et avec l'augmentation du nombre de cellules empilées, la différence entre la courbe mesurée et la courbe ajustée augmente, ce qui montre que plus le module comporte de cellules multiples, plus les exigences en matière de cohérence pour le monomère doivent être élevées.
Figure 4. Schéma de la batterie collant un film PET ; Figure 5. Schéma de l'empilement des piles
Figure 6. Courbe de variation de l'épaisseur de gonflement de chaque élément de batterie et après empilage
2. Exploration de la relation entre la force de gonflement du monomère et le module
Réglez le mode d'écart constant, chargez et déchargez en parallèle et testez les changements de la force de gonflement de l'élément unique et de l'élément empilé au cours du processus de charge et de décharge in situ, comme le montre la figure 7. D'après les résultats, la force de gonflement totale du module continue d'augmenter à mesure que le nombre de batteries empilées dans le module augmente.
Cependant, la valeur absolue de la force de gonflement de la cellule du module n'a pas de relation multiple avec la force de gonflement de la cellule unique, et est généralement plus petite que la somme des forces de gonflement de plusieurs cellules uniques. Et plus le nombre de cellules empilées est élevé, plus la différence en valeur absolue est grande, ce qui peut être la condition limite pour le contrôle de l'écart constant. La raison de cette différence doit être étudiée plus avant.
La capacité des cellules individuelles avant le regroupement et la capacité des cellules individuelles après le regroupement peuvent être prises en considération, comparées et analysées en même temps. Après l'empilage, la pression n'augmente pas linéairement. Cela peut s'expliquer par le fait que la pression superposée des cellules de la batterie après l'empilage atteint une valeur critique et comprime l'espace encore plus microscopique entre les pièces du pôle, ce qui se répercute forcément sur les performances de la batterie !
Figure 7. Courbe de variation de la force de gonflement de chaque élément de batterie et superposition
Les résultats ci-dessus montrent que le module ou PACK est installé de manière fixe dans le boîtier de la batterie, et que les joints entre les cellules individuelles auront un impact relativement important sur la force globale et le gonflement du module. Une excellente conception du module de batterie peut éliminer le gonflement des cellules individuelles.
Récemment, la batterie Qilin lancée par CATL s'est classée au premier rang des batteries de l'UE. fabricants de batteries lithium-fer-phosphate en Chine intègre les besoins d'utilisation, en combinant les poutres horizontales et verticales, les plaques refroidies à l'eau et les coussins d'isolation thermique, et en les intégrant dans une couche intermédiaire élastique multifonctionnelle. Un dispositif de connexion à micro-ponts est intégré à la couche intermédiaire, qui peut coopérer de manière flexible avec la respiration du cœur de la batterie pour se dilater et se contracter librement, et améliorer la fiabilité du cycle de vie de la batterie.
Figure 8. Couche intermédiaire élastique multifonctionnelle de la batterie Qilin dans la CATL
Résumé
Dans cet article, l'analyseur de houle in situ (SWE) est utilisé pour analyser l'épaisseur et la force de la houle de la cellule unique du même système et de différents nombres de cellules de module pendant le processus de charge et de décharge.
On constate qu'en mode de pression constante, la tendance de la variation de l'épaisseur de gonflement de la cellule du module peut être ajustée par la somme arithmétique des cellules individuelles, mais qu'en mode d'écart constant, la méthode d'ajustement arithmétique simple n'est pas satisfaisante.
Ceci est différent de la force de la cellule unique dans le mode de mesure des deux conditions limites. L'étape suivante peut continuer à explorer le modèle de force sous différents modes de test et analyser le processus de gonflement de l'électrode plus en détail.
