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表1 铜和铝金属导体截面与载流量关系
根据表1所示,假定用于EV 汽车的10Ah电池需要满足3C(30A)放电条件,需要使用横截面积4mm2的铝极耳和2.5mm2的镀镍铜极耳。
假定用于HEV的5Ah电池需要满足30C(150A)放电条件,需要使用横截面积34mm2的铝极耳和25mm2的铜极耳。
(2)根据焦耳定律产生的热量计算极耳尺寸规格。
电池在大倍率放电时,极耳发热严重。当极耳温度上升到60℃时,对于铝塑膜封装的软包装电池,可能造成密封不良。铝的电阻率为2.65×10-8Ω·m,镍的电阻率为6.99×10-8Ω·m。电池在20℃环境中正常放电时,电流通过正、负极极耳产生热量,随着热量的累积,极耳温度逐渐上升。
根据焦耳定律,公示(1):
Q=I2Rt=mCΔT, R=ρL/S,m=ω*LS(1)
计算极耳横截面积S为公式(2):
S2=I2ρt/(C*ω*ΔT) (2)
Q为时间t 内极耳产生的热量;R为极耳电阻;ΔT为极耳温度;I为通过极耳的电流;ρ 为极耳电阻率;L 为极耳的长度;S 为极耳的横截面积;ω为极耳密度。
极耳的尺寸是影响产生热量的主要因素,通过计算可以得到了极耳温度从20℃上升到60℃时,负极极耳允许通过的电流(一定的时间内,比如1200s,或120s)。一般受到铝塑膜封装密封性要求,极耳厚度不能太厚,一般为0.1-0.2mm,为了满足电流要求,不同规格的镀镍铜负极极耳允许通过的电流见表2。
表2 不同规格的极耳允许通过的电流
依据电池使用要求,根据需求的电流大小,选择合适的极耳。
2、卷绕式电池极耳数量和引出位置设计
在高倍率放电条件下,不同的电池结构,极耳的设计方法也不同。卷绕结构的锂离子电池可在电极极片上多焊接几个极耳,这样在高倍率放电初期,电池内部就会有多个区域内阻较小,电流密度较大,反应速度较快,从而缓解单极耳情况下的剧烈反应。但是,采用多极耳会降低电池的额定容量,而且极耳数量增加的话,会增加铝塑膜的热封难度,铝塑膜与极耳之间容易出现预封不良现象,从而导致电池产生短路、胀气和漏液的隐患。
图1 极耳位置对电流分布的影响
极耳在一侧时,电流在集流体上的分布见图1a。离极耳最远端的xn处流出的电流,需要经过前面的x1- xn段,x3段流出的电量需要经过x1-x2-x3段……,外部放电电流为I,每一段的反应电流为Ia,则流经x1段集流体的电流为n·Ia,流经x2段集流体的电流为(n-1)·Ia,流经x3段集流体的电流为(n- 2)·Ia,流经xn段的集流体的电流为Ia。
对集流体的每一段,计算电流经过集流体的欧姆热量
式中:ρ为集流体的电阻率,dx为每一段的长度,A为集流体的横截面积。可由下式计算在集流体上的总热量Q,计算在集流体上的热等效内阻R.
极耳在极片中间时,电流在集流体上的分布见图1b。同样,利用热量积分计算集流体等效热内阻。
对比极耳两种位置可知,极耳位于中间时,集流体的内阻仅为在一侧时的1 /4,在电极宽度一定时,集流体内阻与长度成正比。
传统的极耳结构多采用等间距间隙涂布极片,即极耳等间距分布在极片(集流体)一侧,采用间歇涂布机留出等间距的极耳位,这种设计简单、易操作,但在后续卷绕制作工序,随着卷芯直径的增大,极耳在卷芯端部呈现越来越密集的分布度。对于卷绕电池,有一种全极耳极片设计,从极耳角度提高了电池功率特性,在大倍率下电流密度分布均匀,具体的极片设计如图2所示。正极极片在涂敷正极材料(30)时一侧边缘不涂布的侧面(15)和负极极片涂覆负极材料(40)时留白的一侧面(14)都作为极耳分别焊接在正负极导流体上,正负极极片之间通过隔膜(170)隔离开,这样电流流经的距离短,可以实现高功率密度,极片发热量也小。
图2全极耳卷绕方形电池
3、叠片式电池极耳数量和引出位置设计
叠片方式相当于几十片小电池并联,极大地降低了电池的欧姆内阻,其倍率性能远远好于卷绕方式。对于叠片结构锂离子电池,在电池极耳设计时,一般采用正负极耳同侧的设计方法,然而对于长宽比例大的电池型号,如果采用同侧出极耳的方式,极耳的宽度尺寸将会受到很大的限制,从而不能满足电池最大放电电流的要求,此时极耳的引出方式,可采用正、负极耳反向引出,达到大电流放电时,电流分布均匀的目的,如图3所示6种极耳引出方式的锂离子电池在2C倍率下放电时20s和1140s对应的温度分布情况如图4所示,两侧出极耳,温度分布更加均匀,两侧斜对角引出极耳,最高温度也更低。
图3 叠片电池不同极耳引出方式的电流方向示意图
图4 6种极耳引出方式电池在2C放电时20s和1140s的温度分布
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