通常單體電池的循環在自由狀態下進行。多個電池組裝形成模組后，循環過程導致的單個電池體積變化，不可避免會影響臨近電池的受力狀態。此外，成組過程中也會對其整體電池施加一定的預壓力，由此造成了模組中電池的受力狀態完全不同于單個電池。因此，有必要對電池約束力范圍的影響因素進行研究，供模組設計參考，選取合適的工藝參數。

圖 電池外壓力測試裝置原理

1. 實驗部分

儀器

主要儀器：外壓力傳感器（深圳產）；鋰電池測試柜（深圳產）。

實驗方案：所用電池及充放電方案

所用電池為容量38Ah的三元方形電芯，該方形電芯尺寸為厚度27mm×寬度148mm ×高度91mm，正極材料為NCM111，負極為人造石墨。電池循環過程中采用的充放電范圍為3.0V－4.2V，采用的充放電方案為1C恒流恒壓充電至4.2V，1C放電至3.0V。

循環外壓力與循環約束初始充放電態

初始外壓約束力固定，保證SOC為50%狀態下，將電池約束后初始循環狀態設定為充電和放電態兩種情況。觀察循環過程中，電池約束外壓力隨著循環的變化情況。

循環外壓力與循環約束初始SOC狀態

初始外壓約束力固定，將電池約束后初始循環狀態統一設定為放電態，約束電池初始放電SOC分別設定為0％SOC（充）、25％SOC、50％SOC、75％SOC、100％SOC共5個梯度，觀察初始約束SOC變化的情況下，電池約束外壓力隨著循環的變化情況。

2. 結果與討論

2.1 循環約束初始充放電態對循環外壓力的影響

首先，我們考察了在50％SOC條件下對電池施加200kg預壓力后，充電和放電對電池實際約束力范圍的影響，如圖1所示。從圖中可得知，電池所受的實際壓力波動與電壓變化保持一致。外壓力隨著充電電壓的增加而增加，隨著放電電壓的減小而減小。擱置階段，外壓力幾乎恒定不變。

圖1 50％SOC初始充（a）放（b）電態下對應的外壓力曲線圖

電池實際受到的壓力范圍值如表1中顯示，初始外壓約束力均為200kg，SOC為50％的狀態下，電池初始約束為充電態時，循環5周的外壓力浮動范圍為173±118kg；電池初始約束為放電態時，循環5周的外壓力浮動范圍為182±109kg。約束力浮動范圍相近，說明在50％SOC狀態下，后續電池的實際壓力變化僅與電池電壓直接相關，與電池約束后進行充電或放電的順序并無關聯。

表1 50％SOC狀態下的約束外壓力數據

2.2 循環約束初始SOC狀態對循環外壓力的影響

固定初始外壓約束力為200kg，SOC分別設定為0％、25％、50％、75％、100％五個梯度，監控電池外壓力的變化，結果如圖2所示。同樣電池約束力與外壓力保持一致。圖2f比較了不同SOC下電池壓力變化范圍，可知當電池約束時SOC越低，電池循環過程受到的實際壓力峰值越大。

圖2 初始約束SOC狀態下循環外壓力變化曲線圖

外壓力浮動范圍列于表2中，初始SOC從低到高對應的壓力范圍分別為：306±137kg、253±76kg、180±110kg、149±104kg及91±84kg。

表2 不同SOC狀態下的約束外壓力數據

出現上述現象的原因主要是因為電池在充電過程中鋰離子從正極脫出，嵌入負極石墨片層，造成整體電池體積增加，放電過程中體積恢復。因此在0％SOC即放電狀態下約束電池，電池在隨后的充電過程中不斷膨脹，導致約束壓力持續上升，高于設定值；相反，在充電狀態下約束，當電池放電至低于初始約束時的SOC狀態，電池體積降低，因此會出現約束力低于初始設定值的情況發生。考慮到實際情況，從存儲運輸的穩定性及自放電保持率的角度，以及當前的外壓力浮動范圍，以50％SOC狀態為最佳初始約束狀態。此時約束力在設定值上下較為均勻波動，偏差較小。

結論

本文研究了在不同初始SOC狀態，不同約束力大小情況下電池所受的實際壓力大小。結論如下：電池處于約束狀態下時，隨著充放電進行，會導致電池所受約束力的變化，約束力變化與電池電壓基本一致，即充電過程中增加，放電過程中降低，對應著電池充放電過程中的膨脹和收縮。電池實際受到的約束力并不等于實驗設定值，而是在一定范圍內波動變化。

電池受約束時所處的SOC決定了電池實際約束力的范圍。在放電狀態下約束，電池在隨后充放電過程中繼續膨脹，因此所受的實際壓力高于設定約束力，在充電狀態下約束電池情況相反，電池實際受力低于設定值。因此在實際應用中，如組裝模組時，需要考慮電池所能承受的壓力范圍，確定組裝時的電池狀態及預約束力大小，以保證電池在循環過程發揮正常的性能。

審核編輯 ：李倩