CN110109026B - 锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置与方法 - Google Patents

锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，包括：电池充放电设备；恒温箱；锂电池测试装置，设置在所述恒温箱内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；数据采集设备，通过导线分别与锂电池测试装置、计算机相连接，用于将采集的电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机；计算机，用于根据锂电池荷电状态对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量‑膨胀力分量曲线。本发明可以实现多个数据信号的同时采集，为建立锂电池的电、热、力学多物理耦合模型提供了基础数据，为建立包含电、热、力信号的电池管理系统打下基础。

Description

锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置与方法
技术领域
本发明涉及一种膨胀力及其相应膨胀位移的测量装置与方法，尤其涉及一种硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量装置与方法。
技术背景
近年来，随着油价的波动，自然资源的减少、气候变化以及越来越严格的排放标准，汽车行业逐渐转型研究开发环保、高效的汽车，因此电动汽车、混合动力电动汽车和插电式混合动力电动汽车被人们赋予了极大的希望。锂电池具有高功率密度，高能量密度和低自放电率等优点使其成为了从小型便携式电子设备到大规模储能系统等各种应用的理想选择。
然而，这些绿色汽车的广泛采用仍然受到诸如高成本，电池寿命，行驶范围较短和易于意外故障等因素的限制。由于锂电池组的高成本，其循环寿命与容量衰减现象是我们尤为关注的。锂电池无论是否处于使用状态在其寿命期间中均会发生容量衰减，这严重限制了其性能，此外，锂电池随时都在发生容量衰减，但随着使用和外部条件的不同而导致退化的程度不同。
自从锂电池的寿命问题进入国内外学者的视线以来，对其的研究就从未停止过。但目前的大多数研究是在锂电池电化学与热力学的水平上展开的，如锂电池中发生的各种竞争老化机制，如SEI生长，电极材料损失和隔膜孔闭合。这些老化研究考虑了广泛的参数(例如充电状态，放电深度，充电/放电速率，电荷变化和温度)，以更好地了解不同操作/环境条件对老化的影响。但锂电池在实际的运行工况下，并不仅仅是单一的电化学过程，他是电化学、热力学与机械学的耦合。
发明内容
为了能理解锂电池的容量衰减现象背后的机理，提高锂电池的循环寿命，同时提高锂电池荷电状态(SOC)估算的精度，以拓展增强当前的电池管理系统，本发明提供了一种硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量装置与方法，能有效的测量锂电池充放电过程中的膨胀力变化及其相应膨胀位移变化，建立膨胀力、膨胀位移与锂电池SOC的关系，为建立锂电池的电、热、力学多物理耦合模型提供了基础数据，提高锂电池SOC估算的精度，拓展当前的电池管理系统。
为达到上述目的，本发明一方面提供了一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，包括：
电池充放电设备，用于对锂电池进行充放电；
恒温箱，用于提供设定的测试温度；
锂电池测试装置，设置在所述恒温箱内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；
数据采集设备，通过导线分别与膨胀力分量测量装置、膨胀位移分量测量装置、计算机相连接，用于将采集的实时电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机；
计算机，用于根据数据采集设备采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态，并根据不同温度下估算获得的锂电池荷电状态对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线。
进一步地，所述的锂电池测试装置包括：
平行设置的第一钢板和第二钢板；
若干相配合的固定轴、固定螺母，固定连接在所述第一钢板和第二钢板之间；
称重传感器、第三垫片、两块第二垫片、第一垫片，依次设置在所述第一钢板和第二钢板之间，所述第三垫片和相邻的第二垫片之间、两块第二垫片之间、第一垫片和相邻第二垫片之间均设置有放置于锂电池表面中心位置的温度传感器；
导轨轴，与所述固定轴相平行的连接固定在所述第一钢板和第二钢板之间，所述第三垫片和两块第二垫片上设置有可沿所述导轨轴直线移动的直线轴承；
电压传感器和电流传感器，分别用于实时采集锂电池充放电时的电压和电流信号。
称重传感器，当用于测量锂电池膨胀力时安装在第二钢板和第三垫片之间；
位移传感器，当用于测量锂电池膨胀力时固定在所述第二钢板6外侧且探头与所述第三垫片接触连接。
进一步地，所述的称重传感器为电阻应变式称重传感器。
进一步地，所述位移传感器为分辨率为微米级的容栅测微计。
进一步地，所述温度传感器为T型热电偶。
进一步地，所述电压传感器、电流传感器为所述电池充放电设备自带传感器。
进一步地，所述数据采集设备包括NI-9237模块与LXI-34972A数据采集器。
进一步地，所述第三垫片、两块第二垫片、第一垫片为三种规格的垫片，材料为塑料且表面均匀设有散热凸起。
进一步地，所述的直线轴承为闭型球轴承。
本发明另一方面还提供了一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量方法，基于如所述测量装置，其特征在于，包括步骤：
将锂电池放入第三垫片、两块第二垫片、第一垫片之间定位，同时保持锂电池与第三垫片、两块第二垫片和第一垫片之间紧密接触，将温度传感器放置在各锂电池表面中心位置；
将所述第三垫片、两块第二垫片和第一垫片通过直线轴承在导轨轴上自由移动，同时通过直线轴承与导轨轴约束了其竖直方向的运动；
将所述称重传感器固定在第三垫片的外侧，并且使用第一钢板和第二钢板通过螺母将其固定，使其与第三垫片紧密接触且初始测量值为预设值；
将锂电池测试装置放入恒温箱中，对锂电池进行充放电实验，在充放电过程中实时记录所述称重传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器的数据；
充放电试验完成后，将称重传感器换成位移传感器，并通过第二钢板上的通孔配备锁紧夹套将其夹紧，所述位移传感器的探头与所述第三垫片9紧密接触且初始测量值为0；
将更换好的锂电池测试装置放入恒温箱中，再次进行充放电实验，在充放电过程中实时记录所述位移传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器的数据；
计算机根据电流、电压传感器采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态，并根据不同温度下估算获得的电池荷电状态对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线。
相比现有技术，本发明的优点在于：
1.实现了在同一套测量装置上的锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量，减少了由于不同装置测量得到的沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量数据不匹配的误差。
2.使用直线轴承与导轨轴约束了垫片与锂电池的竖直方向的运动，使得测量中对称重传感器的预载荷可为任意值。
3.使用直线位移轴承基本消除了自由膨胀位移实验中摩擦阻力的影响，使得测量结果更加精确。
4.既可以对锂电池单体又可以对锂电池组进行沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量，方便研究多种形式的锂电池性能。
5.本发明结构简单、安装方便、成本低。
附图说明
图1为本发明提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量装置结构简图。
图2为本发明提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量测试装置的结构示意图。
图3为本发明提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀位移分量测试装置的结构示意图。
图4为本发明提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量测量装置原理方框图。
其中：1-电池充放电设备；2-恒温箱；3-锂电池；4-锂电池测试装置；5-第一钢板；6-第二钢板；7-第一垫片；8-第二垫片；9-第三垫片；10-导轨轴；11-直线轴承；12-固定轴；13-固定螺母；14-称重传感器；15-位移传感器；16-温度传感器；17-电压传感器；18-电流传感器；19-数据采集设备；20-计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不是以此来限制本发明的保护范围。
第一个实例用来说明硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量的测量。所用的锂电池为硬铝壳的方形三元锂电池。电池容量为2Ah，其外部尺寸为62*44*5.5mm。锂电池内部为卷绕式电芯，且电芯与铝壳仅在侧面接触，因此锂电池在充放电的过程中的电池膨胀主要为表现为电芯垂直于铝壳侧面的向外位移。
如图1、2所示，一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，包括：
电池充放电设备1，用于对锂电池进行充放电；
恒温箱2，用于提供设定的测试温度；
锂电池测试装置4，设置在所述恒温箱2内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；
数据采集设备19，通过导线分别与膨胀力分量测量装置、膨胀位移分量测量装置、计算机相连接，用于将采集的实时电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机20；
计算机20，用于根据数据采集设备19采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态(SOC)，并根据不同温度下估算获得的锂电池荷电状态对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线。
所述的锂电池测试装置4包括：
平行设置的第一钢板5和第二钢板6；
若干相配合的固定轴12、固定螺母13，固定连接在所述第一钢板5和第二钢板6之间；
称重传感器14、第三垫片9、两块第二垫片8、第一垫片7，依次设置在所述第一钢板5和第二钢板6之间，所述第三垫片9和相邻的第二垫片8之间、两块第二垫片8之间、第一垫片7和相邻第二垫片8之间均设置有放置于锂电池表面中心位置的温度传感器16；所述第三垫片9、两块第二垫片8、第一垫片7为三种规格的垫片，材料为塑料且表面均匀设有散热凸起；
导轨轴10，与所述固定轴12相平行的连接固定在所述第一钢板5和第二钢板6之间，所述第三垫片9和两块第二垫片8上设置有可沿所述导轨轴10直线移动的直线轴承11，所述的直线轴承11为闭型球轴承；
电压传感器17和电流传感器18，分别用于实时采集锂电池充放电时的电压和电流信号。
称重传感器14，安装在第二钢板6和第三垫片9之间；
各传感器均采用接触式的测量形式采集锂电池的数据，其中，所述的称重传感器14为电阻应变式称重传感器。
具体而言，所述电池充放电设备1型号为CT-4008-5V6A，所述称重传感器14为电阻应变式称重传感器，型号为Omega LCM305-1KN。所述温度传感器16为T型热电偶，型号为TT-T-30。所述数据采集设备19包括NI-9237模块与LXI-34972A数据采集器。
如图4所示，使用时将锂电池3放入第三垫片9、两块第二垫片8、第一垫片7中间定位，同时保持锂电池3与第三垫片9、两块第二垫片8、第一垫片7之间接触良好，将温度传感器16放置锂电池3表面中心位置；所述第三垫片9、两块第二垫片8、第一垫片7通过直线轴承11与导轨轴10约束了其竖直方向的运动，同时通过直线轴承11在导轨轴10上自由移动；然后将称重传感器14放置所述第三垫片9的另一侧，并且使用第一钢板5和第二钢板6通过螺母13将其固定，使其与垫片9接触良好且初始测量值为预设值。将整套锂电池测试装置4放入恒温箱2内，通过NI-9237模块与LXI-34972A数据采集器获取传感器采集的力、温度数据。通过电池充放电设备CT-4008-5V6A采集电流、电压数据。力、温度、电流、电压数据的采样频率为1Hz，如图4所示。
使用所述的测量装置进行如下实验：
1.锂电池使用标准的恒流恒压充电：1C充电速率对锂电池充电；在电压达到4.1V后，保持此电压，直到电流逐渐变为C/100。使锂电池在开路下静置3小时以确保在放电之前的热平衡。
2.使用0.5C放电速率放电进行实验。静置锂电池两小时，得到预设的预应力值下的SOC-沿厚度方向膨胀力分量曲线。
3.改变初始的预应力值即称重传感器的初始读数重复上述实验，得到不同初始预应力下的SOC-沿厚度方向膨胀力分量曲线。
4.使用新的温度重复上述实验，温度以5℃的增量从5℃逐渐变化到45℃，得到不同温度下不同预载荷的SOC-沿厚度方向膨胀力分量曲线。
第二个实施例用来说明硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀位移分量的测量，所用的锂电池与第一个实例中使用的锂电池型号相同。
如图1、3所示，本实施例中的锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置与上述实施例的区别仅在于所述锂电池测试装置4不同，所述的锂电池测试装置4包括：
平行设置的第一钢板5和第二钢板6；
若干相配合的固定轴12、固定螺母13，固定连接在所述第一钢板5和第二钢板6之间；
称重传感器14、第三垫片9、两块第二垫片8、第一垫片7，依次设置在所述第一钢板5和第二钢板6之间，所述第三垫片9和相邻的第二垫片8之间、两块第二垫片8之间、第一垫片7和相邻第二垫片8之间均设置有放置于锂电池表面中心位置的温度传感器16；
导轨轴10，与所述固定轴12相平行的连接固定在所述第一钢板5和第二钢板6之间，所述第三垫片9和两块第二垫片8上设置有可沿所述导轨轴10直线移动的直线轴承11；
电压传感器17和电流传感器18，分别用于实时采集锂电池充放电时的电压和电流信号。
位移传感器15，当用于测量锂电池膨胀力时固定在所述第二钢板6外侧且探头与所述第三垫片9接触连接，所述位移传感器15为分辨率为微米级的容栅测微计，型号为cw-341，分辨率为1μm。
本实施例的使用方式和前述实施例类似，将整套锂电池测试装置4放入恒温箱内后，通过计算机的RS232接口与LXI-34972A数据采集器获取传感器采集的位移、温度数据。通过电池充放电设备CT-4008-5V6A采集电流、电压数据。位移、温度、电流、电压数据的采样频率为1Hz，如图4所示。
使用所述的测量装置进行如下实验：
1.锂电池使用标准的恒流恒压充电：1C充电速率对锂电池充电；在电压达到4.1V后，保持此电压，直到电流逐渐变为C/100。使锂电池在开路下静置3小时以确保在放电之前的热平衡。
2..使用0.5C放电速率放电进行实验。静置锂电池两小时，得到设定温度下的SOC-沿厚度方向膨胀位移分量曲线。
3.用铝块代替锂电池，重复上述实验，得到夹具和传感器的热膨胀位移曲线。
4.使用新的温度重复上述实验，温度以5℃的增量从5℃逐渐变化到45℃，得到不同温度下SOC-沿厚度方向膨胀位移分量曲线。
5.重复上述实验，唯一不同的是使用0.2C的放电速率放电进行实验。根据已有参考文献可知使用0.2C的速率放电不会引起显着的加热，因此，0.2C放电速率得到的数据与锂电池内部锂离子嵌入之间进行直接相关，与热膨胀无直接关系。故我们可得单纯由于化学反应引起的SOC-位移曲线。
结合两个实例的最终结果我们可以得到不同温度下不同预载荷的锂电池充放电过程中锂电池的沿厚度方向膨胀位移分量-沿厚度方向膨胀力分量曲线。
本发明在实现基本的实验测量的功能外尽可能的消除了由于外界因素带来的实验误差，包括不同装置测量得到的沿厚度方向膨胀力分量及其相应位移数据不匹配的误差、自由膨胀位移实验中摩擦阻力的误差等。此外，本发明使用直线轴承与导轨轴约束了垫片与锂电池的竖直方向的运动，使得测量中对称重传感器的预载荷可为任意值。同时，本发明既可以对锂电池单体又可以对锂电池组进行沿厚度方向膨胀力分量及其相应膨胀位移分量的测量，方便研究多种形式的锂电池性能。本发明为建立锂电池的电、热、力学多物理耦合模型提供了基础数据，为建立包含电、热、力信号的电池管理系统奠定了基础。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，其特征在于，包括：
电池充放电设备(1)，用于对锂电池进行充放电；
恒温箱(2)，用于提供设定的测试温度；
锂电池测试装置(4)，设置在所述恒温箱(2)内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；
数据采集设备(19)，通过导线分别与锂电池测试装置(4)、计算机相连接，用于将采集的实时电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机(20)；
计算机(20)，用于根据数据采集设备(19)采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态SOC，并根据不同温度下估算获得的SOC对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线；
其中，所述的锂电池测试装置(4)包括：
平行设置的第一钢板(5)和第二钢板(6)；
若干相配合的固定轴(12)、固定螺母(13)，固定连接在所述第一钢板(5)和第二钢板(6)之间；
称重传感器(14)、第三垫片(9)、两块第二垫片(8)、第一垫片(7)，依次设置在所述第一钢板(5)和第二钢板(6)之间，所述第三垫片(9)和相邻的第二垫片(8)之间、两块第二垫片(8)之间、第一垫片(7)和相邻第二垫片(8)之间均设置有放置于锂电池表面中心位置的温度传感器(16)；
导轨轴(10)，与所述固定轴(12)相平行的连接固定在所述第一钢板(5)和第二钢板(6)之间，所述第三垫片(9)和两块第二垫片(8)上设置有可沿所述导轨轴(10)直线移动的直线轴承(11)；
电压传感器(17)和电流传感器(18)，分别用于实时采集锂电池充放电时的电压和电流信号；
称重传感器(14)，当用于测量锂电池膨胀力时安装在第二钢板(6)和第三垫片(9)之间；
位移传感器(15)，当用于测量锂电池膨胀力时固定在所述第二钢板(6)外侧且探头与所述第三垫片(9)接触连接。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的称重传感器(14)为电阻应变式称重传感器。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述位移传感器(15)为分辨率为微米级的容栅测微计。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述温度传感器(16)为T型热电偶。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电压传感器(17)、电流传感器(18)为所述电池充放电设备(1)自带传感器。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述数据采集设备(19)包括NI-9237模块与LXI-34972A数据采集器。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述第三垫片(9)、两块第二垫片(8)、第一垫片(7)为三种规格的垫片，材料为塑料且表面均匀设有散热凸起。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的直线轴承(11)为闭型球轴承。
9.一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量方法，基于如权利要求1至8中任一项所述测量装置，其特征在于，包括步骤：
将锂电池(3)放入第三垫片(9)、两块第二垫片(8)、第一垫片(7)之间定位，同时保持锂电池(3)与第三垫片(9)、两块第二垫片(8)和第一垫片(7)之间紧密接触，将温度传感器(16)放置在各锂电池(3)表面中心位置；
将所述第三垫片(9)、两块第二垫片(8)和第一垫片(7)通过直线轴承(11)在导轨轴(10)上自由移动，同时通过直线轴承(11)与导轨轴(10)约束了其竖直方向的运动；
将所述称重传感器(14)固定在第三垫片(9)的外侧，并且使用第一钢板(5)和第二钢板(6)通过螺母(13)将其固定，使其与第三垫片(9)紧密接触且初始测量值为预设值；
将锂电池测试装置(4)放入恒温箱(2)中，对锂电池(3)进行充放电实验，在充放电过程中实时记录所述称重传感器(14)、温度传感器(16)、电压传感器(17)、电流传感器(18)的数据；
充放电试验完成后，将称重传感器(14)换成位移传感器(15)，并通过第二钢板(6)上的通孔配备锁紧夹套将其夹紧，所述位移传感器(15)的探头与所述第三垫片(9)紧密接触且初始测量值为(0)；
将更换好的锂电池测试装置(4)放入恒温箱中，再次进行充放电实验，在充放电过程中实时记录所述位移传感器(15)、温度传感器(16)、电压传感器(17)、电流传感器(18)的数据；
计算机(20)根据电流、电压传感器采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态SOC，并根据不同温度下估算获得的SOC对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线。
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