小容量電池多并還是大容量電池少并是電動(dòng)汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要面臨的實(shí)際選擇。如BMW i3和Mitsubishi iMiEV選擇的是大容量電池少并的方案，而
Tesla Model S、VW e-Golf和Nissan Leaf選擇的是小容量電池多并。那這兩種方案中，究竟哪一種更安全呢？戴姆勒公司的Sascha Koch等人結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模型深入研究了針刺觸發(fā)多并電池?zé)釘U(kuò)散的放電過(guò)程，發(fā)現(xiàn)小容量電池多并更為安全，成果以Discharge by Short Circuit Currents of Parallel-ConnectedLithium-Ion Cells
in Thermal Propagation發(fā)表在期刊Batteries上。
圖文淺析：
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(fā)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。
實(shí)驗(yàn)使用的電池為NMC體系、容量40 Ah的軟包電池。在多并電池?zé)崾Э貙?shí)驗(yàn)之前，作者先考察了電池在不同SOC下加熱的熱失控行為，實(shí)驗(yàn)示意圖如圖2所示。軟包電池被夾具固定，通過(guò)加熱板加熱觸發(fā)熱失控。如圖1和圖2所示，隨著電池SOC從30%增加到100%，加熱觸發(fā)熱失控的起始溫度不斷降低，同時(shí)電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰亢褪е亓坎粩嘣黾?。值得注意的是圖1中100%SOC電池?zé)崾Э蒯尫诺哪芰糠炊^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?zé)崾Э貥O為猛烈導(dǎo)致很多未來(lái)得及反應(yīng)的內(nèi)容物噴出所致(注：這一現(xiàn)象很關(guān)鍵，在企業(yè)中測(cè)試也能觀察到類似現(xiàn)象)。此外，圖1中未給出0%-20%SOC下電池的熱失控觸發(fā)溫度和能量釋放，這主要是此SOC范圍電池?zé)崾Э販囟炔缓门袛嗨?。從以上結(jié)果不難看出，SOC狀態(tài)越低電池相對(duì)更為安全。
二．12P2S模組針刺觸發(fā)熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)
圖3. 針刺觸發(fā)多并電池?zé)釘U(kuò)散實(shí)驗(yàn)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(fā)器，6-9為連接線。
圖4.針刺觸發(fā)12P2S模組熱擴(kuò)散過(guò)程電流值變化。其中電流為正值表示該電池在充電，負(fù)值表示該電池在放電。圖中的灰色區(qū)域表示單個(gè)電池的可見(jiàn)熱失控過(guò)程。
隨后，作者利用圖3所示裝置分別對(duì)6P4S、12P2S和24P1S的模組進(jìn)行了針刺觸發(fā)熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)，并監(jiān)測(cè)了整個(gè)熱擴(kuò)散過(guò)程每個(gè)電池的電流變化。圖4所示為針刺觸發(fā)12P2S模組熱擴(kuò)散過(guò)程電流值變化。以電池1為例，被針刺后充電電流峰值約Icell1 ≈80 A，而其他各電池放電電流值Icell2–12≈4-15 A，根據(jù)基爾霍夫公式電Icell1 應(yīng)為。此外，熱失控過(guò)程電流值較高(圖中灰色區(qū)域)，熱失控后電流值顯著降低，表明熱失控過(guò)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?zé)崾Э剡^(guò)程電流值變化同電池1類似，6P4S和24P1S模組熱擴(kuò)散現(xiàn)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(shù)意義及數(shù)值。
為了更好的分析針刺觸發(fā)多并電池模組熱擴(kuò)散過(guò)程電流值變化，作者利用等效電路模型進(jìn)行了模擬分析，并同實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
圖6. 針刺觸發(fā)12P2S模組熱擴(kuò)散過(guò)程實(shí)測(cè)結(jié)果和等效電路模擬結(jié)果對(duì)比。
從圖6實(shí)測(cè)結(jié)果和模擬結(jié)果看，針刺觸發(fā)模組熱擴(kuò)散過(guò)程單一電池行為可分為三個(gè)階段：首先，熱失控開(kāi)始時(shí)被針刺電池電流值陡然增大，表明此時(shí)該電池電阻較小，其他健康電池對(duì)其放電；隨后，熱失控結(jié)束后電流緩慢上升，表明電池電阻顯著增大，其他電池對(duì)外放電放緩；最后，相鄰電池發(fā)生熱失控，重復(fù)前一電池的行為。如此重復(fù)，直至最后一個(gè)電池?zé)崾Э亟Y(jié)束。從圖中還可以看到熱失控過(guò)程電流實(shí)測(cè)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(yù)估值(a)和Rptr預(yù)估值。
等效電路模型模擬結(jié)果顯示，Rtr值在20-180 m?范圍變化，均值為92 m?。從圖7a可以觀察到后發(fā)生熱失控電池的Rtr值呈不斷增大趨勢(shì)，作者認(rèn)為這是熱失控導(dǎo)致模組中的約束變?nèi)?、電池膨脹增大所致。Rptr值在0.2-1.5 ?范圍變化，均值為0.54 ?，但數(shù)據(jù)點(diǎn)極為范圍沒(méi)有顯著規(guī)律。
四．6P4S、12P2S和24P1S模組等效電路模型
圖8. 刨除測(cè)量設(shè)備影響后的等效電路模型：(a)電池?zé)崾Э亟Y(jié)束后部分，其中沒(méi)有電池處在熱失控階段；(b)電池?zé)崾Э亟Y(jié)束部分，但其中有一電池處在熱失控階段；(c)未發(fā)生熱失控的健康電池部分。
為了更好的模擬分析模組熱擴(kuò)散過(guò)程，作者刨除了測(cè)量設(shè)備的影響，并重新設(shè)計(jì)了等效電路模型。新的等效電路模型共包含三部分，具體如圖3所示。模型中所用的參數(shù)同表1中的參數(shù)一致。
圖9. 不同因素對(duì)模組熱擴(kuò)散過(guò)程的影響：(a)電池內(nèi)阻Ri；(b)放電電池?cái)?shù)量；(c)連接電阻Rcn；(d)熱失控過(guò)程的Rtr；(e)熱失控后的Rptr。
以多并電池模組中最后一個(gè)電池放電容量為考察點(diǎn)，圖9系統(tǒng)總結(jié)了新等效電路模型得到的各因素對(duì)模組熱擴(kuò)散過(guò)程的影響結(jié)果。對(duì)比各因素的影響不難看出，Rptr值對(duì)電池放電容量的影響最大(圖9e)，尤其是并聯(lián)電池?cái)?shù)量增加、Rptr值減小的情形下。如上所述，Rptr值會(huì)受模組約束狀態(tài)的影響，因此控制模組的約束狀態(tài)對(duì)熱擴(kuò)散結(jié)果有顯著影響。此外，從結(jié)果看共24個(gè)電池的多并模組熱擴(kuò)散過(guò)程最后一個(gè)電池的放電量CDCH≈6-10 Ah。結(jié)合圖1和圖2結(jié)果顯示30%SOC以下電池更為安全，不難想到如果多并模組中電池單體總?cè)萘緾cell≈10–15 Ah，就可以確保放電后電池SOC低于30%，從而降低電池?zé)崾Э孛土页潭壬踔磷柚篃釘U(kuò)散的發(fā)生。因此，在這個(gè)意義上講，小容量電池多并較大容量電池少并更為安全。
論文信息：
Sascha Koch, Alexander Fill, Katerina Kelesiadou, Kai Peter Birke. Dischargeby Short Circuit Currents of Parallel-Connected Lithium-Ion Cells in ThermalPropagation. Batteries, 2019, 5, 18. doi:10.3390/batteries5010018.
