CN108646195A - 一种电池仿真模拟测试机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电池仿真模拟测试机及其控制方法，包括机架，所述机架上部设有模拟测试箱，模拟测试箱内设有发热管，机架下部设有对模拟测试箱内部进行制冷的制冷机组，模拟测试箱内设有厚度测量模块，机架一侧装设有真空泵和加湿器，真空泵和加湿器分别通过管路与模拟测试箱连接，模拟测试箱一侧装设有操作面板及采集模块，以及与该操作面板及采集模块连接的环境温度测量模块、电池内部温度测量模块、充放电模块、交流和直流内阻测试模块及电压电流测量模块，厚度测量模块与操作面板及采集模块连接，机架上铰接装设有遮盖住模拟测试箱的门板。本发明能够实时同步的对电池进行全方位的测量，并且各种测量参数建立在同一坐标系中。

Description

一种电池仿真模拟测试机及其控制方法

技术领域

本发明属于电池测试设备领域，具体地说是一种电池仿真模拟测试机及其控制方法。

背景技术

锂电池包括可充电锂电和不可充电锂电池。锂离子电池是一种可充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。

可充电锂电池是结合了化学、物理、机械、电子、热力学、材料等各种学科原理的复杂体系，各种微小变量的输入都会造成电池性能的非线性变化，使得电池的设计制造、品质控制和使用方法极易出问题，令人防不胜防。

可充电锂电池存在爆炸起火、性能衰减的风险和问题，并且这种情况在动力锂电池方面又得到了放大，是电动汽车要着力解决的一个极具挑战性的问题。业内一直没有建立能降低这种风险的可量化可验证的、可靠又可再现的系统性理论模型。

目前的电池及电池系统的开发，要反复多批次的做成样品来验证设计和工艺，造成设计成本高、电池性能不稳定的情况；即使同配方同工艺体系的电池成比例放大做成大电池，性能也完全不一样。

当前的设备检测电池内部参数都比较单一，没有以时间为轴将充放电电流、测量电流、充放电电压、电池电压、电池直流电阻和内阻、电池温度这些参数内部之间形成实时同步的相互关联，同时与外部的环境温度，湿度、气压、风速也没有形成实时同步的相互关联，没有将内、外部的参数整合到同一台检测设备上、同一个坐标系上。不同的参数测试，需要用到不同的测试设备，增加了设备成本，以及人力成本。

另外，当前的设备在模拟温度、湿度、气压或风速条件下对电池或电池包进行充放电的操作和测量时，没有同步测量电池的微小膨胀变形，使得在优化电池的配方、设计、制造工艺和使用条件时缺少了一个重要的表征参数。而且现有技术在测量电池温度时，仅对电池或电池包进行点状测量，没有对电池或电池包温度进行全视角的测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电池仿真模拟测试机及其控制方法，能够同步地对电池充放电过程中的温度、电压、电流、直流和交流电阻、膨胀变形等进行实时测量，操作方便，能够模拟各种环境，满足电池的全方位测试。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种电池仿真模拟测试机，包括机架，所述机架上部设有模拟测试箱，模拟测试箱内设有发热管，机架下部设有对模拟测试箱内部进行制冷的制冷机组，模拟测试箱一侧装设有操作面板及采集模块，以及与该操作面板及采集模块连接的环境温度测量模块、电池内部温度测量模块、充放电模块、交流和直流内阻测试模块、电压电流测量模块，厚度测量模块与操作面板及采集模块连接，机架上铰接装设有遮盖住模拟测试箱的门板。

所述模拟测试箱内设有用于测量电池样品形变的厚度测量模块。

所述模拟测试箱上设有用于获取电池充放电时的温度分布场的红外摄像机。

所述模拟测试箱一侧装设有用于获取电池充放电状况的可见光摄像机。

所述机架一侧设有通过管路与模拟测试箱连接的真空泵。

所述机架一侧还设有通过管路与模拟测试箱连接的加湿器。

所述模拟测试箱一侧装接有排烟机，该排烟机内置有过滤器。

所述模拟测试箱的顶部装设有防爆泄压装置。

所述模块测试箱内设有排风机，机架上设有与排风机连接的风速控制器。

所述机架外套装有箱体，该箱体与模拟测试箱形成双层防爆结构。

一种电池仿真模拟测试机的控制方法，包括以下步骤：

将电池样品放置在模拟测试箱内，利用厚度测量模块对准电池样品，操作面板及采集模块的采集线与电池样品连接，红外光摄像机和可见光摄像机分别启动实时拍摄电池样品图像，使模拟测试箱内形成预设海拔高度低气压、温度和风速参数；

启动真空泵抽气和/或加湿器加湿，使模拟测试箱内气压低至设定气压值和/或使模拟测试箱内的湿度达到预设湿度值，利用制冷机组和发热管使模拟测试箱内的温度以设定升温速度升温或降温并保持在-70℃—150℃区间，按照预设条件对电池进行充电、放电或静置的操作；

通过采集线实时同步地采集样品在充电、放电和静置过程中的电压、电流、直流和交流内阻、温度、充放电斜率、充放电平台电压、自放电率、容量、循环寿命、形变数据和温度分布场的数据信息，将数据信息传送至远程监控端显示并自动保存在控制终端中，将各个数据信息建立在同一坐标系中，以时间为函数轴同步用曲线、表格和数据库方式自动显示、输出和保存。

本发明通过在模拟测试箱内模拟高海拔低气压、湿度、温度、风速等环境，使电池在各类环境中得到测试，能够实时同步地检测到电池在充放电过程及静置状态下的温度、电压、电流、电阻、温度分布场、膨胀变形等数据参数，便于将数据传送到电脑中建立理论模型，完成可充式锂电池的设计验证，在获得大量数据后，达到电池不需要做成样品，在电脑中就可预知该样品电池的安全性能和使用性能。

可进行可充电锂电池内的隔膜关闭功能的测试。

可对可充电锂电池的热敏电阻PTC的关闭电流进行测量。

可使电池内的各参数如固含量、正负极活性物比例、颗粒度、压实密度、材料孔隙率、结构设计、制造工艺、配方、环境条件、使用条件等同电池的电压、温度、温度分布场、电流、直流和交流内阻、膨胀变形、放电平台、K值（自放电率）、容量、循环寿命等参数严格、同步、定量、精密地关联起来,建立对应的数据模型， 从而获得电池最优的设计和工艺参数。

附图说明

附图1为本发明测试机立体结构示意图；

附图2为本发明测试机去除机箱后的结构示意图；

附图3为附图2的主视示意图；

附图4为附图2的另一视角示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1-4所示，一种电池仿真模拟测试机，包括机架2，所述机架2上部设有模拟测试箱3，模拟测试箱3内设有发热管4，机架2下部设有对模拟测试箱3内部进行制冷的制冷机组5，模拟测试箱3内设有厚度测量模块6，机架2一侧装设有真空泵7和加湿器8，真空泵7和加湿器8分别通过管路与模拟测试箱3连接，模拟测试箱3一侧装设有操作面板及采集模块9，以及与该操作面板及采集模块9连接的环境温度测量模块10、电池内部温度测量模块11、充放电模块12、内阻测试模块13和电压电流测量模块14，厚度测量模块6与操作面板及采集模块9连接，机架2上铰接装设有遮盖住模拟测试箱3的门板15。厚度测量模块15为激光传感器或者接触式传感器，能够精确的测量电池充放电时正负极因锂离子脱嵌导致的电池膨胀或缩小的变形量。真空泵进行抽气，使模拟测试箱内形成高海拔低气压的环境，一般可模拟出8000米以下海拔的低气压环境。制冷机组5包括设在机架2下部的压缩机51、冷却风扇53和设在模拟测试箱内的蒸发器52，蒸发器通过管路与压缩机连接。通过蒸发器，为模拟测试箱内提供足够的低温环境，而发热管则可以加热升温。使得本发明中模拟测试箱内可以保持-70℃—150℃的温度范围，模块电池在各种温度环境下的使用状况。环境温度测量模块、电池内部温度测量模块、充放电模块、内阻测试模块、电压电流测量模块和厚度测量模块同步进行采集，从而能够确保在同一时刻采集到各种数据，有利于后续分析，确保电池的性能。盖上门板后，模拟测试箱形成一个相对封闭的空间环境。

加湿器可为水箱，水箱内设置加热管，利用蒸发水蒸汽对模拟测试箱进行加湿操作。

另外，所述模拟测试箱3上设有用于获取电池充放电时的温度分布场的红外摄像机16。模拟测试箱3一侧装设有用于获取电池充放电状况的可见光摄像机17。通过红外摄像机，可以实时获取到电池在各种环境条件下的充放电时的各个部位的温度分布情况，便于分析查看电池的性能情况。红外摄像机可以根据需要选择合适的位置设置，在本实施例中，将红外摄像机设置在模拟测试箱的顶部，朝向模拟测试箱内部拍摄，获取电池在充放电过程中的温度分布场，

所述模拟测试箱3一侧装接有排烟机18，该排烟机内置有过滤器。当电池在过充电/过放电时产生起火/形成烟雾，通过排烟机过滤器排出，通过过滤器过滤烟气，避免排出的烟气对大气造成较为污染。

为了进一步提高安全性，模拟测试箱3的顶部装设有防爆泄压装置19，该防爆泄压装置为受到较大压力就会开启向外排出压力气体的结构，是本领域技术人员常用的泄压结构。通过该防爆泄压装置，在发生爆炸时削减压力，避免造成严重的爆炸，泄压过后会自动恢复。在防爆泄压装置19上还遮盖有保护盖20，保护盖上设有通气孔，既不会影响防爆泄压装置的正常运行，又能够起到对防爆泄压装置的保护作用。当爆炸时，门板会自动弹出，从模拟测试箱的开口端也可以起到泄压作用。

所述模块测试箱3内设有排风机，机架上设有与排风机连接的风速控制器，利用排风机吹风，使模拟测试箱内产生流动气体，模拟电池在不同风速下的环境条件。

针对厚度测量模块，可设置一个支架来支撑起激光传感器或者接触式传感器，从而构成厚度测量模块。

另外，所述机架2外套装有箱体1，该箱体与模拟测试箱形成双层防爆结构。

利用真空泵、加湿器、排风机、制冷机组和发热管，可以模拟出需要的不同海拔下的气压条件、湿度（20%到98%相对湿度）、风速和温度环境，使得待测试的电池样品在不同的环境下得到充分模拟测试，将测试得到的数据传送到电脑，即可在电脑中建立相应的理论模型，即可完成可充电锂电池的设计验证，达到电池不需要做成样品进行实体使用测试，在电脑中就可预知该样品电池的安全性能和使用性能。并且由于是同步实时检测，所测数据可以在同一坐标系中，以时间为函数轴同步用曲线、表格和数据库方式自动显示、输出和保存，保证了各项数据都是在同一时间节点上测得，确保数据的可靠性。而且，由于能够模拟各种环境，能够进行可充电锂电池内的隔膜关闭功能的测试，以及对可充电锂电池的热敏电阻PTC的关闭电流进行测量，操作简便。

本发明能够模拟多种环境，一种高海拔低气压环境，一为湿度环境，或者相互混合的环境。

一种电池仿真模拟测试机的控制方法，包括以下步骤：

将电池样品放置在模拟测试箱内，利用厚度测量模块对准电池样品，操作面板及采集模块的采集线与电池样品连接，红外光摄像机和可见光摄像机分别启动实时拍摄电池样品图像，根据设定条件向模拟测试箱内吹风或者不吹风，使模拟测试箱内形成预设海拔高度低气压、温度和风速参数。厚度测量模块用于测量电池样品在充放电过程中的膨胀变形。

启动真空泵抽气，模拟测试箱内气压低至设定气压值，利用制冷机组和发热管使模拟测试箱内按设定升温速度升温并保持在-70℃—150℃区间，按照预设条件对电池进行充电、放电或静置的操作。

通过采集线实时同步地采集样品在充电、放电和静置过程中的电压、电流、直流和交流内阻、充放电斜率、充放电平台电压、容量、自放电率（K值）、循环寿命、温度、形变数据和温度分布场的数据信息，将数据信息传送至远程监控端显示并自动保存在控制终端中，将各个数据信息建立在同一坐标系中，以时间为函数轴同步用曲线、表格和数据库方式自动显示、输出和保存。

一种电池仿真模拟测试机的控制方法，包括以下步骤：

将电池样品放置在模拟测试箱内，利用厚度测量模块对准电池样品，操作面板及采集模块的采集线与电池样品连接，红外光摄像机和可见光摄像机分别启动实时拍摄电池样品图像，根据设定条件向模拟测试箱内吹风或者不吹风，使模拟测试箱内形成预设湿度、温度和风速参数。

启动加湿器对模拟测试箱进行加湿操作，保持20%到98%相对湿度，使模拟测试箱内的湿度达到预设湿度值，利用制冷机组和发热管使模拟测试箱内的温度以设定的升温速度并保持在-70℃—150℃区间，按照预设条件对电池进行充电、放电或静置的操作。

通过采集线实时同步地采集样品在充电、放电和静置过程中的电压、电流、充放电斜率、直流和交流内阻、温度、充放电平台电压、容量、自放电率（K值）、循环寿命、形变数据和温度分布场的数据信息，将数据信息传送至远程监控端显示并自动保存在控制终端中，将各个数据信息建立在同一坐标系中，以时间为函数轴同步用曲线、表格和数据库方式自动显示、输出和保存。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电池仿真模拟测试机，包括机架，其特征在于，所述机架上部设有模拟测试箱，模拟测试箱内设有发热管，机架下部设有对模拟测试箱内部进行制冷的制冷机组，模拟测试箱一侧装设有操作面板及采集模块，以及与该操作面板及采集模块连接的环境温度测量模块、电池内部温度测量模块、充放电模块、交流和直流内阻测试模块、电压电流测量模块，厚度测量模块与操作面板及采集模块连接，机架上铰接装设有遮盖住模拟测试箱的门板。

2.根据权利要求1所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述模拟测试箱内设有用于测量电池样品形变的厚度测量模块。

3.根据权利要求2所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述模拟测试箱上设有用于获取电池充放电时的温度分布场的红外摄像机。

4.根据权利要求3所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述模拟测试箱一侧装设有用于获取电池充放电状况的可见光摄像机。

5.根据权利要求4所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述机架一侧设有通过管路与模拟测试箱连接的真空泵。

6.根据权利要求5所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述机架一侧还设有通过管路与模拟测试箱连接的加湿器。

7.根据权利要求6所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述模拟测试箱一侧装接有排烟机，该排烟机内置有过滤器。

8.根据权利要求7所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述模拟测试箱的顶部装设有防爆泄压装置。

9.根据权利要求8所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述模块测试箱内设有排风机，机架上设有与排风机连接的风速控制器。

10.根据权利要求9所述的电池仿真模拟测试机，其特征在于，所述机架外套装有箱体，该箱体与模拟测试箱形成双层防爆结构。

11.一种根据权利要求10所述的电池仿真模拟测试机的控制方法，包括以下步骤：

将电池样品放置在模拟测试箱内，利用厚度测量模块对准电池样品，操作面板及采集模块的采集线与电池样品连接，红外光摄像机和可见光摄像机分别启动实时拍摄电池样品图像，使模拟测试箱内形成预设海拔高度低气压、温度和风速参数；

启动真空泵抽气和/或加湿器加湿，使模拟测试箱内气压低至设定气压值和/或使模拟测试箱内的湿度达到预设湿度值，利用制冷机组和发热管使模拟测试箱内的温度以设定升温速度升温或降温并保持在-70℃—150℃区间，按照预设条件对电池进行充电、放电或静置的操作；

通过采集线实时同步地采集样品在充电、放电和静置过程中的电压、电流、直流和交流内阻、温度、充放电斜率、充放电平台电压、自放电率、容量、循环寿命、形变数据和温度分布场的数据信息，将数据信息传送至远程监控端显示并自动保存在控制终端中，将各个数据信息建立在同一坐标系中，以时间为函数轴同步用曲线、表格和数据库方式自动显示、输出和保存。