锂离子电池充放电机械压力特性研究

doi:10.3901/JME.2022.20.410

机械工程学报 ›› 2022, Vol. 58 ›› Issue (20): 410-420.doi: 10.3901/JME.2022.20.410

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锂离子电池充放电机械压力特性研究

洪琰¹, 周龙¹, 张俊¹, 李相俊², 汪湘晋³, 马瑜涵³, 郑岳久¹

1. 上海理工大学机械工程学院上海 200082;
2. 中国电力科学研究院有限公司北京 100192;
3. 国网浙江省电力有限公司电力科学研究院杭州 310014

收稿日期:2021-09-15 修回日期:2021-12-30 出版日期:2022-10-20 发布日期:2022-12-27
通讯作者: 郑岳久(通信作者)，男，1986年出生，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为新能源动力电池管理系统的集成、优化与控制。E-mail：yuejiu_zheng@163.com
作者简介:洪琰，男，1996年出生。主要研究方向为锂离子电池机械压力。E-mail：1427751182@qq.com
基金资助:
国家电网公司科技资助项目(3A-20-304-008)。

Study on Mechanical Pressure Characteristics of Charge and Discharge of Lithium-ion Battery

HONG Yan¹, ZHOU Long¹, ZHANG Jun¹, LI Xiangjun², WANG Xiangjin³, MA Yuhan³, ZHENG Yuejiu¹

1. Institute of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200082;
2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192;
3. State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310014

Received:2021-09-15 Revised:2021-12-30 Online:2022-10-20 Published:2022-12-27

摘要/Abstract

摘要： 软包锂离子电池在充放电期间因为锂离子的脱嵌使得电池表面产生形变进而形成机械压力。通过对软包锂离子电池施加一定预紧力后进行正常与滥用的充放电试验研究，揭示电池表面机械压力的变化特性规律。结果表明：在正常充电阶段，电池表面机械压力逐渐增大，在正常放电阶段，电池表面机械压力是一个逐渐恢复的过程；在滥用的过充电与过放电阶段，电池表面机械压力均表现出先缓慢增大后迅速增大(dF/dt>>0)的现象。针对过充电和过放电电池表面机械压力迅速增加的特点，进一步基于滥用特性提出锂离子电池热失控预警电压的确定方法和锂离子电池放电截止电压的确定方法，为软包锂离子电池的安全性设计和电池管理系统中过充电、过放电提供理论依据与方法指导。

关键词: 锂电池, 机械压力特性, 充放电, 过放电, 过充电

Abstract: During the charging and discharging of the soft-pack lithium-ion battery, the surface of the battery will deform due to the disembedding of lithium-ions, thus forming mechanical pressure. The normal and abuse charging-discharging experiments are carried out on the soft-pack lithium-ion battery after a certain preload applied, to reveal the change characteristics of the mechanical pressure on the battery surface.The results show that the surface mechanical pressure of the battery increases gradually during the normal charging stage, while the surface mechanical pressure of the battery recovers gradually during the normal discharging stage. In the over-charging and over-discharging stages of abuse, the surface mechanical pressure of the battery increases slowly at first and then rapidly (dF/dt>>0). In view of the rapid increase of mechanical pressure on the surface of over-charging and over-discharging batteries, the determination method of thermal runaway warning voltage and discharge cut-off voltage of lithium-ion batteries are further proposed based on the abuse characteristics,which will provide theoretical basis and method guidance for the safety design of soft-pack lithium-ion battery and the battery system management of overcharging and overdischarging.

Key words: lithium-ion batteries, mechanical pressure characteristics, charge and discharge, over-charge, over-discharg

中图分类号:

TM911

洪琰, 周龙, 张俊, 李相俊, 汪湘晋, 马瑜涵, 郑岳久. 锂离子电池充放电机械压力特性研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(20): 410-420.

HONG Yan, ZHOU Long, ZHANG Jun, LI Xiangjun, WANG Xiangjin, MA Yuhan, ZHENG Yuejiu. Study on Mechanical Pressure Characteristics of Charge and Discharge of Lithium-ion Battery[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(20): 410-420.

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