小容量電池多并vs大容量電池少并，哪種更安全？

小容量電池多并還是大容量電池少并是電動車系統設計中要面對的實際選擇。如BMWi3和MitsubishiiMiEV選擇的是大容量電池少并的方案，而TeslaModelS、VWe-Golf和NissanLeaf選擇的是小容量電池多并。那這兩種方案中，到底哪一種更安全呢？戴姆勒公司的SaschaKoch等人結合試驗和模型深入研究了針刺觸發多并電池熱擴散的放電過程，發現小容量電池多并更為安全，成果以DischargebyShortCircuitCurrentsofParallel-ConnectedLithium-IonCellsinThermalPropagation發表在期刊Batteries上。

一．不同SOC下電池加熱熱失控行為

圖1.電池不同SOC下加熱觸發熱失控溫度及能量釋放。

圖2.電池不同SOC下加熱熱失控重量損失。

試驗使用的電池為NMC體系、容量40Ah的軟包電池。在多并電池熱失控試驗之前，作者先考察了電池在不同SOC下加熱的熱失控行為，試驗示意圖如圖2所示。軟包電池被夾具固定，通過加熱板加熱觸發熱失控。如圖1和圖2所示，隨著電池SOC從30%新增到100%，加熱觸發熱失控的起始溫度不斷降低，同時電池熱失控釋放的能量和失重量不斷新增。值得留意的是圖1中100%SOC電池熱失控釋放的能量反而較90%SOC有所降低，而失重卻顯著增大，作者判斷這是由于100%SOC下電池熱失控極為猛厲導致很多將來得及反應的內容物噴出所致(注：這一現象很關鍵，在公司中探測也能觀察到類似現象)。此外，圖1中未給出0%-20%SOC下電池的熱失控觸發溫度和能量釋放，這緊要是此SOC范圍電池熱失控溫度不好判斷所致。從以上結果不難看出，SOC狀態越低電池相對更為安全。

二．12P2S模組針刺觸發熱擴散試驗

圖3.針刺觸發多并電池熱擴散試驗裝置圖。圖中1為模組中的電芯，2為夾具，3為busbar，4為完整模組，5為針刺觸發器，6-9為連接線。

圖4.針刺觸發12P2S模組熱擴散過程電流值變化。其中電流為正值表示該電池在充電，負值表示該電池在放電。圖中的灰色區域表示單個電池的可見熱失控過程。

隨后，作者利用圖3所示裝置分別對6P4S、12P2S和24P1S的模組進行了針刺觸發熱擴散試驗，并監測了整個熱擴散過程每個電池的電流變化。圖4所示為針刺觸發12P2S模組熱擴散過程電流值變化。以電池1為例，被針刺后充電電流峰值約Icell1≈80A，而其他各電池放電電流值Icell2–12≈4-15A，依據基爾霍夫公式電Icell1應為。此外，熱失控過程電流值較高(圖中灰色區域)，熱失控后電流值顯著降低，聲明熱失控過程電池1的電阻Rtr較小，而熱失控后電池1的電阻Rptr顯著增大。其他各電池熱失控過程電流值變化同電池1類似，6P4S和24P1S模組熱擴散現象同圖4所示的12P2S模組類似。

三．6P4S、12P2S和24P1S模組等效電路模型

圖5.多并電池等效電路模型。

表1.等效電路模型中各參數意義及數值。

為了更好的分解針刺觸發多并電池模組熱擴散過程電流值變化，作者利用等效電路模型進行了模擬分解，并同實測結果進行了比較。

圖6.針刺觸發12P2S模組熱擴散過程實測結果和等效電路模擬結果比較。

從圖6實測結果和模擬結果看，針刺觸發模組熱擴散過程單一電池行為可分為三個階段：首先，熱失控開始時被針刺電池電流值陡然增大，聲明此時該電池電阻較小，其他健康電池對其放電；隨后，熱失控結束后電流緩慢上升，聲明電池電阻顯著增大，其他電池對外放電放緩；最后，相鄰電池發生熱失控，重復前一電池的行為。如此重復，直至最后一個電池熱失控結束。從圖中還可以看到熱失控過程電流實測值和模擬值符合較好，而熱失控后二者之間偏差較大。

圖7.等效電路模型模擬得到的Rtr預估值(a)和Rptr預估值。

等效電路模型模擬結果顯示，Rtr值在20-180mΩ范圍變化，均值為92mΩ。從圖7a可以觀察到后發生熱失控電池的Rtr值呈不斷增大趨勢，作者認為這是熱失控導致模組中的約束變弱、電池膨脹增大所致。Rptr值在0.2-1.5Ω范圍變化，均值為0.54Ω，但數據點極為范圍沒有顯著規律。

四．6P4S、12P2S和24P1S模組等效電路模型

圖8.刨除測量設備影響后的等效電路模型：(a)電池熱失控結束后部分，其中沒有電池處在熱失控階段；(b)電池熱失控結束部分，但其中有一電池處在熱失控階段；(c)未發生熱失控的健康電池部分。

為了更好的模擬分解模組熱擴散過程，作者刨除了測量設備的影響，并重新設計了等效電路模型。新的等效電路模型共蘊含三部分，詳盡如圖3所示。模型中所用的參數同表1中的參數一致。

圖9.不同因素對模組熱擴散過程的影響：(a)電池內阻Ri；(b)放電電池數量；(c)連接電阻Rcn；(d)熱失控過程的Rtr；(e)熱失控后的Rptr。

以多并電池模組中最后一個電池放電容量為考察點，圖9系統總結了新等效電路模型得到的各因素對模組熱擴散過程的影響結果。比較各因素的影響不難看出，Rptr值對電池放電容量的影響最大(圖9e)，尤其是并聯電池數量新增、Rptr值減小的情形下。如上所述，Rptr值會受模組約束狀態的影響，因此控制模組的約束狀態對熱擴散結果有顯著影響。此外，從結果看共24個電池的多并模組熱擴散過程最后一個電池的放電量CDCH≈6-10Ah。結合圖1和圖2結果顯示30%SOC以下電池更為安全，不難想到倘若多并模組中電池單體總容量Ccell≈10–15Ah，就可以確保放電后電池SOC低于30%，從而降低電池熱失控猛厲程度甚至阻止熱擴散的發生。因此，在這個意義上講，小容量電池多并較大容量電池少并更為安全。

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