储能软包大模组结构稳定性_盛军.pdf

第 12 卷 第 2 期2023 年 2 月Vol.12 No.2Feb.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology储能软包大模组结构稳定性盛军，付一民，俞会根（北京卫蓝新能源科技有限公司，北京 102402）摘要：随着新能源产业的高速发展与“源网荷储一体化”概念的提出，锂离子电池在储能领域得到了广泛的应用。为控制成组成本，应用于储能领域的电池模组也朝着高电压、大容量的方向发展，这对锂离子电池成组技术，尤其是软包电池成组技术提出了更高的要求。本工作通过理论计算及有限元分析的方法，对储能软包大模组进行膨胀力分析，目的在于全寿命周期内考察模组的结构稳定性，结果表明在储能软包大模组设计过程中，泡棉的选型、端板的材料、端板固定螺栓的数量与强度非常重要，良好的设计方案可以降低甚至避免电池膨胀力对模组结构产生的影响，提高模组的结构稳定性，使模组具有更好的安全性以及更长的使用寿命。关键词：储能；软包电池；电池模组；稳定性；膨胀力doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0547 中图分类号：TM 912.9 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）02-579-06Structure simulation of large soft pack module for energy storageSHENG Jun,FU Yimin,YU Huigen(Beijing Welion New Energy Technology Co.,Ltd.,Beijing 102402,China)Abstract:With the rapid development of the new-energy industry and the concept of“integration of source network,charge,and storage”,lithium-ion batteries have been widely used for energy storage.To control the group cost,the battery modules applied in the field of energy storage are developing towards high voltage and large capacity,which puts forward higher requirements for the grouping technique of lithium-ion batteries,especially for soft-pack batteries.In this paper,based on the theoretical calculation and finite element analysis method,the expansion force analysis of the soft package large module for energy storage is carried out to investigate the structural stability of the module in the whole life cycle.The results show that the selection of foam,the material of the end plates,and the number and strength of the fixing bolts used for the end plates are important factors in the design process of the large soft pack module for energy storage.A supreme design scheme can effectively reduce or even avoid the influence of the battery expansion force on module structures,improve the structural stability of the module,and produce modules with better safety and longer service life.Keywords:energy storage;soft pack battery;battery module;stability;expansibility force目前，国家大力倡导绿色能源，水电、风电、光伏发电等产业进入快速发展期，同时对储能电站的需求也迎来了爆发式增长，锂离子电池在储能领域得到了广泛的应用。锂离子储能电池技术的快速发展得益于锂离子电池产业链的完善以及动力电池的发展1，但在应用层面的技术要求上，两者又有明显区别。动力电池是安装在电动汽车等交通运输工具上，在行驶过程中会频繁地产生外界加速度激励，储能测试与评价收稿日期：2022-09-28；修改稿日期：2022-10-18。第一作者及通讯联系人：盛军（1982），男，硕士，高级工程师，研究方向为动力及储能电池系统，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术对瞬态结构稳定性要求更高，而储能电池在使用过程中静置在储能柜或集装箱中，对瞬态结构稳定性要求相对低，但是由于储能系统极高的寿命要求，储能电池需要满足长周期的稳态结构稳定性。储能模组在设计过程中需要重点关注以下3点：全寿命周期内的结构稳定性，即模组结构需保证在全寿命周期内安全可靠；设计合理性，避免过多考虑瞬态要求过度设计，导致性能过剩，成本太高；成组灵活性，可根据电压及容量要求设计不同的模组尺寸及电池串并联方式。随着储能技术的发展，储能模组也朝着高电压、大尺寸的方向发展。但相较于方形电池，软包电池由于没有刚性外壳的约束，充放电过程中膨胀更为明显，膨胀力对结构产生的负面影响更大。对储能软包大模组而言，必须在设计阶段对其膨胀力进行全寿命周期内的结构仿真分析，验证模组能够满足全寿命周期内的使用要求，避免结构提前破坏的风险。结构仿真即有限元分析，利用近似数学的方法对系统对象进行模拟，其做法是将结构划分成有限个相互连通的子区域，即单元，用有限数量的单元去逼近真实的系统，将复杂系统简化后求出近似解2。本工作以某储能软包大模组为研究对象，使用理论计算与有限元分析相结合的方法对模组进行膨胀力分析，验证了储能软包大模组的结构稳定性，并指出了在储能软包大模组设计过程中应注意的问题。1 模组膨胀力模型本工作以某6P10S(六并十串)软包大模组为例，如图1所示。该模组长度为773 mm，共布置60支电芯，电芯单体尺寸为330 mm119 mm11.7 mm。每3个电芯安装在一个“C”型框中，每2个“C”型框对扣形成1个最小并联单元，且在中间布置1片泡棉，如图2所示。整个模组共有10个最小并联单元，两端布置加强端板，并通过PET绑带对模组进行预紧，最后安装钢绑带，组成软包大模组。1.1模组膨胀过程该模组内部膨胀主要影响部件为电芯(共60块)及泡棉(共10片)，泡棉的压缩量可以在一定程度上吸收电芯的膨胀量。导致锂电池膨胀的原因有两种：一种是正负极材料变化造成的可逆形变；另一种是由于锂电池内部产生气体引起的不可逆形变3。锂电池在充放电过程中，锂离子会在负极、电解液、正极等之间来回穿梭，锂离子在正负极上的脱嵌均会使电池发生一定程度的可恢复鼓胀变形，即可逆形变。锂电池的不可逆变形可分为两类：其一是SEI膜的生长；另一个则是产气，产气是加剧锂电池膨胀的最主要原因4。电池的可逆形变膨胀又可以称为“呼吸膨胀”，主要发生在每次充放电过程中；而不可逆形变是电池全寿命周期内厚度不断增加的过程。通常，电池在寿命初期(BOL阶段)电池自身呼吸膨胀量可以完全依靠泡棉吸收，而电池在寿命末期(EOL阶段)的膨胀量远大于电池自身呼吸的膨胀量。本工作主要考察周期为电池的全寿命周期，最终考察电池在EOL阶段的膨胀效应。可将模组膨胀分为两个阶段：阶段一为电芯膨胀被泡棉压缩量吸收阶段，从电池寿命初始时刻，直至泡棉被压缩至不能继续压缩；阶段二为泡棉被压缩至不能继续压缩后，电池在循环过程中SEI膜继续生长与产气量增加，会继续其膨胀行为，直至电池寿命末期。阶段一结束时端板受到的压力为泡棉的最大回弹力。阶段二中泡棉不能继续压缩，而电芯有继续膨胀的趋势，膨胀力会传导到端板及绑带等约束部件上。针对该6P10S模组，由于EOL阶段电芯的膨胀量不能完全被泡棉吸收，其膨胀力分析需同时考虑两个阶段。图16P10S软包大模组Fig.16P10S large soft pack module图2最小并联单元Fig.2Minimum parallel element580第 2 期盛军等：储能软包大模组结构稳定性1.2阶段一泡棉回弹力为了有效吸收软包电池的膨胀量，模组应使用高压缩比、低回弹力的泡棉，该模组使用的泡棉厚度为3 mm，初始装配压缩比例为30%，最大压缩比例为70%，其压缩回弹力曲线如图3所示，由曲线可知：当泡棉压缩量为30%时，泡棉回弹力约为14 kPa，转化成力为550 N；泡棉最大压缩量为70%，此时泡棉回弹力约为200 kPa，转化成力为7848 N，可认为阶段一泡棉的最大回弹力为7848 N，即阶段一结束时端板受到的压力为7848 N。1.3软包电芯膨胀测试数据通过测量电芯在自由状态下EOL阶段的厚度可以计算电芯的膨胀系数，但为了更加真实地研究软包电芯在EOL阶段的膨胀量，需测量EOL阶段电芯在受压状态下的膨胀数据，表1即为EOL阶段电芯在受压状态下的膨胀(厚度)数据。由于压力机能提供的最大压力为4905 N，小于泡棉的最大回弹力，故需对数据进行拟合，得到挤压力与电芯厚度之间的关系，结果如图4所示。通过幂函数拟合得到电芯厚度公式(1)：y=12.506x-0.004(1)通过拟合曲线可估算当挤压力为7848 N时电芯的厚度，将x=7848代入式(1)，得到的结果约为12.07 mm，可认为当电芯承受7848 N挤压力时，电芯厚度约等于12.07 mm，电芯膨胀量约为0.37 mm，膨胀率约为3.16%。1.4阶段二预期膨胀公式根据模组的膨胀规律，可得到其在阶段二的预期膨胀公式(2)：=n1()d2-d1-n2()d3-d4L(2)式中，为模组预期膨胀率；n1为模组中电芯数量，为60；n2为模组中泡棉数量，为10；d1为电芯初始厚度，为11.7 mm；d2为电芯预膨胀厚度，为12.07 mm；d3为泡棉成组后初始厚度，为2.1 mm；d4为泡棉最小厚度，为0.9 mm；L为模组膨胀区间长度，为730.2 mm。经计算，模组在阶段二预期膨胀率=1.4%。1.5电芯压缩模量计算电芯在受压过程中，随着压力的增大，电芯厚度不断减小，内部材料会更加密集，压缩相同的位移会需要更大的压力，即电芯压缩相同位移的难易程度与压力并非呈线性关系，在数值分析中，可以认为电芯的压缩模量与压力的关系是非线性相关的。根据电芯在自由状态下EOL阶段的厚度与式(1)，可计算得到电芯在不同压力状态下的应变，计算公式如下：=d-yd=d-12.506x-0.004d(3)式中，d为电芯在自由状态下EOL阶段的厚度；y为电芯厚度；x为电芯两端所受的压力，N。根据电芯所受的压力与电芯的截面积，可计算得到电芯压缩时的应力，公式如下：=FS=xS(4)式中，x为电芯两端所受的压力，N；S为电芯受压的截面积。由上述公式可计算得到压缩过程中电芯在不同压力状态下的应力与应变，见表2。对数据进行拟合，电芯在压缩过程中的应力应变曲线如图5所示。表1EOL阶段电芯在受压状态下的厚度数据表Table 1EOL stage cell thickness data under pressure挤压力/N490.