动力电池模组系统安全设计（二）电芯膨胀力

在讲解CCS系统时，为了避免和减少电芯的膨胀力影响，CCS不少地方做了不少相应设计，比如：汇流排设计成凸筋或凹筋结构、FPC焊接镍片的位置采用镂空或者折弯结构。

在模组设计过程中，电芯的膨胀力无处不在，影响着模组的整体和零部件设计，那么电芯膨胀力是怎么来的？呈现什么特征，工程上又是怎么测量的呢？

一、膨胀力的来源

可以分 “可逆” 与 “不可逆”的膨胀力两类，前者随充放电动态变化，后者随使用次数持续累积：

1、可逆膨胀力：

源于锂离子嵌入 / 脱嵌引发的材料体积变化。

负极是主要贡献者，石墨嵌锂时层间距扩大，体积膨胀率 10%-12%；正极（如三元、磷酸铁锂）膨胀率仅 1%-3%，影响较小。

充放电时，这种 “膨胀 – 收缩” 往复形成周期性可逆的挤压。

2、不可逆膨胀力：

来自永久性物质变化。

一是 SEI 膜（固体电解质界面膜）长期循环中持续增厚，占据内部空间；

二是活性材料粉化（如三元材料晶格坍塌），压缩缓冲间隙；

三是电解液分解生成气体（如 CO₂），尤其滥用时气体积聚加剧挤压。

二、膨胀力的关键特征

1、动态性：

与荷电状态（SOC）强相关。充电时 SOC 升高，膨胀力从基础值（50-100kPa）升至峰值（300-800kPa），SOC 50%-80% 阶段增长最快；放电时回落，但每次循环后 “基础膨胀力” 会轻微上升（即 “漂移”）。

2、累积性：

随循环次数 / 存储时间递增。

循环初期（0-50 次）因 SEI 膜快速形成，膨胀力增长快；中期（50-500 次）趋缓；后期（500 次以上）因材料大规模粉化再次加速。

高温存储时，即使不充放电，膨胀力也会随时间增加 10%-20%。

3．不均匀性：

空间分布差异大。

厚度方向膨胀力远大于宽度 / 长度方向（层间膨胀为主）。

软包电芯表现为厚度鼓包，硬壳电芯则转化为壳体内压。

4、影响因素：

三元电芯膨胀力＞磷酸铁锂电芯；高倍率、高电压、高温使用会加剧膨胀，增大膨胀力，超充是需重点考虑。

三、工程测量方法

一般采用三夹板工装+电芯充放电采集仪，核心是 “约束 + 传感”，捕捉膨胀力变化：

下面是国轩高科的专利CN201920248768一种通用电芯膨胀力测试工装，其它家测量方法与此类似。

1、适配准备：

依待测电芯尺寸选对应第三压板，确定第一、第二压板上适配的通孔组，避免螺栓与第三压板干涉。

2、组装固定：

将电芯放于第一压板与第三压板间，用螺栓穿接两压板对应通孔，通过螺母初步固定。

3、初始调压：

调螺栓松紧，观察压力传感器反馈的初始压力值，直至达测试所需初始压力，满足不同初始压力对比需求。

4、膨胀力测试：

启动电芯充放电测试，膨胀力经第三压板传至传感器压头，传感器实时将数据传至上位机，完成动态监测。

5、输出结果

按照规定次数完成测试，结果经过整理，可以得到膨胀力与循环次数的关系。可以看到一个电芯在1500次循环后，膨胀力从初始的3000N增到10000N以上。

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