CN110220780A - 一种方形电池的力学性能测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种方形电池的力学性能测试系统及测试方法，该系统包括拉伸试验机，电池夹具，工控机和高速摄像机；本发明于拉伸试验机的工作台上设计了全新的电池夹具，电池夹具的夹具本体配合定位块可以对方形电池进行快速定位夹持，夹紧本体及定位块可以限制除电池上承压面外其余五个面的自由度，避免因电池内部膨胀力引起的受力不均和失稳、褶皱现象，保证电池压缩试验过程中载荷施加方向垂直于承压面，即拉伸试验机施加载荷完全作用于电池承压面，保证试验数据的准确性；同时可依据不同的方形电池的三维尺寸适时调整定位块在夹具本体上的相对位置，便于快速拆装，适合于不同尺寸的方形电池的力学性能测试需求，具有较好的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及方形电池力学性能测试领域,特别是一种方形电池的力学性能测试系统及测试方法。
背景技术
现有技术中，为评估锂离子电池的安全可靠性，通常要考虑其力学特性如强度，刚度等，对方形电池进行的力学测试则借助于拉伸试验机进行的静态拉伸试验，测量其屈服强度和抗拉强度等力学特性，然而不同于普通的同一材料构成的金属拉伸试样，方形电池本体由多种材料构成，包括铝箔，铜箔，隔膜和电解液等，其在三维各方向上具有不同的力学特性，尤其是考虑到电池激活后具有的电化学能和膨胀力在各方向的作用力不同，仅通过拉伸试验机的压头无法保证在试验中能对方形电池的承压面整体施加一个垂直向下的载荷作用力。
一般的拉伸试验机只具有一个工作台支撑方形电池的一个面，拉伸试验机压头作用于方形电池的另一个面（承压面）进行测试，即仅有两个接触面限制待测的方形电池，为更准确地获取电池的力学特性，无法采用传统的圆柱型压头对电池进行局部挤压、冲击，只能选择覆盖方形电池承压面的大平面压头进行整体承载。
这种情况下，当大平面压头作用承载面时，电池内部因为循环充放电而产生的化学能和膨胀力以及不同材料的特性，导致电池未收约束方向的四个面所受载荷不同，进而会导致电池承压面难以维持良好的平面度，外加载荷作用于承载面时，随着拉伸试验机压头施加的载荷增加到一定程度将会引起电池压溃变形，如果没有对垂直于方形电池承载面的四个支持面的位移约束，极易产生局部受力集中现象，就难以保证拉伸试验机施加的载荷完全垂直于电池的承压表面，也就难以获取准确的电池力学载荷-位移曲线及应力应变曲线。
因此，需要考虑通过合适的方形电池力学性能试验夹具，来辅助进行定位和固定方形电池，尤其是需要约束方形电池除承压面外的其余面，保证电池压缩试验过程中拉伸试验机压头载荷施加方向垂直于承压面。
同时目前对于锂离子电池的力学性能测试方法较为复杂，不利于快速区分待测锂离子电池的力学性能是否符合标准。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方形电池的力学性能测试系统及测试方法，可以快速实现对方形电池的定位和各面位移约束，限制电池内部电化学能及膨胀力对电池表面的作用，保证测试结果的准确性，同时适应不同尺寸的方形电池的装夹，可以方便快捷的区分待测锂离子电池的力学性能是否符合标准。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种方形电池的力学性能测试系统，包括：
拉伸试验机；
电池夹具，包括：
两个定位块，所述定位块为L型块，定位块的长边上设有至少两个定位孔，定位块的短边内侧面设有定位槽；
两个防滑泡沫，所述的两个防滑泡沫分别填充于两个所述的定位槽内；
夹具主体，所述夹具主体包括底板，以及垂直固定在底板上的挡板；所述挡板表面设置有两个插槽，所述的两个定位块的长边端分别穿过两个插槽，定位块的下表面与底板贴合，且两个定位块的短边端相对；所述底板表面分别沿两个定位块的长边方向设置有至少两排安装孔，任意所述的定位块通过至少两个定位螺栓依次穿过对应的定位孔及安装孔固定于底板上；
所述底板固定于拉伸试验机的工作台上，且位于拉伸试验机的压头下方；
高速摄像机，所述高速摄像机正对电池夹具；
工控机，所述工控机连接拉伸试验机和高速摄像机。
进一步，所述电池夹具还包括盖板，所述盖板的尺寸与方形电池的上表面尺寸相匹配。
进一步，所述定位块的长边上设有腰形减重孔。
进一步，所述挡板表面于两个插槽之间设有矩形减重孔。
进一步，所述挡板上于任意插槽的上方设有至少一个安装孔二，所述底板上于插槽内对应设有至少一个安装孔三，安装孔二与安装孔三一一对应；通过定位螺栓依次穿过安装孔二、定位孔及安装孔三将定位块位于插槽内的部分固定于底板上。
本发明还提供了上述的一种方形电池的力学性能测试系统的测试方法，包括以下步骤：由工控机控制拉伸试验机的压头按照设定的加载速度对放置于工作台上的电池夹具内的方形电池进行压缩，加载载荷矢量方向垂直于方形电池的承压面，方形电池在载荷施加矢量方向上发生形变；工控机读取拉伸试验机内置力传感器输出的载荷，高速摄像机观察记录拉伸试验机的压头的实时位移，即方形电池沿加载载荷方向上的压缩量；计算不同阶段在载荷施加方向上方形电池的弹性模量，得出应力应变曲线。
进一步，所述应力应变曲线为：E=σ/ξ=F/(ΔL/L)S0=FL/ΔLS0；其中E为弹性模量，σ为应力，ξ为应变，F为方形电池承压面承载的载荷，SO为方形电池的承压面面积，L为沿加载载荷矢量方向上的方形电池初始尺寸，ΔL是方形电池沿加载载荷矢量方向上的压缩量。
进一步，以方形电池在弹性变形阶段的弹性模量作为衡量电池力学性能的关键指标参数，依据标定合格的方形电池样品在弹性变形阶段的弹性模量判别待测方形电池的力学性能是否符合标准。
本发明的有益效果如下：本发明于现有的拉伸试验机的工作台上设计了全新的电池夹具，电池夹具的夹具本体配合定位块可以对方形电池进行快速定位夹持，定位块的短边（即朝向电池上盖部分）开设定位槽，预留部分避让空间，并在定位槽内填充防滑泡沫，可以保护电池极耳、正负极等上盖凸起部位不受外加载荷破坏；夹紧本体及定位块可以限制除电池上承压面外其余五个面的自由度，避免因电池内部膨胀力引起的受力不均和失稳、褶皱现象，保证电池压缩试验过程中载荷施加方向垂直于承压面，即拉伸试验机施加载荷完全作用于电池承压面，保证试验数据的准确性；测试夹具本体与定位块通过定位螺栓拆卸连接，可依据不同的方形电池的三维尺寸适时调整定位块在夹具本体上的相对位置，便于快速拆装，适合于不同尺寸的方形电池的力学性能测试需求，具有较好的适应性。
通过本发明的系统可以准确的得到在载荷施加方向上待测方形电池的弹性模量，可评估出其内部电化学能与膨胀力对电池强度、刚度的影响，避免了对电池多次循环充放电的电性能测试试验，节约了时间成本，尤其是采用可测量微小形变的高速摄像机，电池承受的额定载荷可预先计算，不致于过载（荷）过（电）流对电池产生破坏，风险可控，适用于对电池成品力学性能的快速评定与测试。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是电池夹具的结构示意图；
图3是夹具本体的结构示意图；
图4是定位块的结构示意图；
图5是应力应变曲线图；
其中：100-拉伸试验机、200-电池夹具、300-工控机、400-高速摄像机、1-定位块、10-定位孔、11-定位槽、12-腰形减重孔、2-夹具主体、20-底板、21-挡板、22-插槽、23-安装孔、24-安装孔二、25-安装孔三、26-矩形减重孔、3-防护泡沫、4-定位螺栓、5-盖板、6-方形电池。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
下述的实施例及说明书附图仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
参照图1所示的一种方形电池的力学性能测试系统，包括拉伸试验机100，电池夹具200，工控机300以及高速摄像机400。
其中，拉伸试验机100、工控机300、高速摄像机400均可参照现有技术，本实施例不详述。
高速摄像机400正对电池夹具200，与电池夹具200位于一水平高度上；工控机300连接拉伸试验机100和高速摄像机400，用于操控拉伸试验机及接收处理试验数据。
所述电池夹具200固定在拉伸试验机100的工作台上，具体的参照图2所示，该电池夹具包括：两个定位块1以及夹具主体2。
参照图4所示，所述定位块1为L型块，定位块1的长边上设有三个定位孔10，定位块1的短边内侧面设有定位槽11。
定位孔10的数量可以根据需要增减，位置也并不局限于本实施例的图中位置。
因此方形电池的上盖面两端具有极耳等凸出结构，设计定位槽11可以有效的避让这部分结构，同时在定位槽11内填充防滑泡沫3，防滑泡沫3同时接触电池上盖和定位槽11起到消除间隙的作用，同时保护电池极耳、正负极等上盖凸起部位不受定位块1外加载荷的破坏。
为了降低整体夹具的重量，在定位块1的长边上还设有腰形减重孔12。
参照图3所示，所述夹具主体2包括底板20，以及垂直固定在底板20上的挡板21。
所述挡板21表面设置有两个插槽22，所述的两个定位块1的长边端分别穿过两个插槽22，插槽22的下边即为底板20板面，定位块1的下表面与底板20贴合，且两个定位块1的短边端相对。
为了减轻整体夹具的重量，在挡板21表面于两个插槽22之间还设有矩形减重孔26。
所述底板20表面分别沿两个定位块1的长边方向设置有至少两排安装孔23，定位块1通过两个定位螺栓4依次穿过对应的定位孔10及安装孔23固定于底板20上。
作为进一步的实施方式，还可以在挡板21上于任意插槽22的上方设有至少一个安装孔二24，底板20上于插槽22内对应设有至少一个安装孔三25，安装孔二24与安装孔三25一一对应；通过定位螺栓4依次穿过安装孔二24、定位孔10及安装孔三25将定位块1位于插槽22内的部分固定于底板20上。
安装孔23、安装孔二24、安装孔三25的具体数量是根据夹具所要适应的方形电池6的尺寸来决定的，本实施例中于左边插槽22所在侧设置一排四个安装孔23，对应设置一个安装孔二24和一个安装孔三25；于右边插槽22所在侧则设置了三排十二个安装孔23，对应设置三个安装二24和三个安装孔三25；以下所述的定位孔调节及方形电池的安装方式是根据本实施例设计选择的安装孔23、安装孔二24、安装孔三25数量分布来描述的，本领域技术人员可以根据实际需要选择多种安装孔23、安装孔二24、安装孔三25的分布方式，相应的方形电池安装过程也会相应调整。
根据方形电池6的长度来调节两个定位块1伸出插槽22的长度，进而选择相应的安装孔23、安装孔二24、安装孔三25配合定位螺栓4固定；根据方形电池6的宽度，来调节右边定位块1相对于左边定位块1的距离，选择合适的一排安装孔23，以及合适的一对安装孔二24、安装孔三25来固定左边的定位块1。
具体的，本实施例安装方形电池6的方式如图1所示，将方形电池6放在底板20上，方形电池6的下面与底板20贴合，方形电池6的后面贴靠在挡板21表面，方形电池6的左面与左边定位块1的长边内侧贴合，同时调整左边定位块1伸出插槽22的长度，使得定位槽11内的防滑泡沫3与方形电池6的前面（上盖）压紧，然后通过两个定位螺栓4固定好左边的定位块1；然后在调节右边的定位块1，使得右边的定位块1的长边内侧面贴合方形电池的右面，右边定位块1的定位槽11内的防滑泡沫3同样与方形电池6的前面压紧；从而将除了方形电池6的上面（承压面）外的其余五个面全部约束定位，保证方形电池6在压缩过程中不会因为溃缩变形导致局部受力集中现象，从而保证拉伸试验机施加的载荷完全垂直于方形电池的承压面，有助于获得准确的试验结果。
一般用于检测方形电池的拉伸试验机的压头为大平面压头，对承压面整体下压；而如果拉伸试验机的压头为圆柱形压头，那么作为优选实施方式，还可以在本夹具安装电池的同时，于方形电池6的上面（承压面）覆盖一块盖板5，盖板5的尺寸与方形电池6的上表面尺寸相匹配，盖板5四周与定位块1及挡板21相接，这样可以在一定程度上减少拉伸试验机压头的集中载荷导致电池的局部应力集中现象。
本系统的检测方法如下：
由工控机300控制拉伸试验机100的压头按照设定的加载速度对放置于工作台上的电池夹具200内的方形电池进行压缩，加载载荷矢量方向垂直于方形电池6的承压面，方形电池在载荷施加矢量方向上发生形变，工控机300读取拉伸试验机100内置力传感器输出的载荷，高速摄像机400观察记录拉伸试验机100的压头的实时位移，即方形电池沿加载载荷方向上的压缩量；计算不同阶段在载荷施加方向上方形电池的弹性模量，得出应力应变曲线。
所得应力应变曲线为：E=σ/ξ=F/(ΔL/L)S0=FL/ΔLS0；其中E为弹性模量，σ为应力，ξ为应变，F为方形电池承压面承载的载荷，SO为方形电池的承压面面积，L为沿加载载荷矢量方向上的方形电池初始尺寸，ΔL是方形电池沿加载载荷矢量方向上的压缩量。
如图5可以看出检测所得的应力应变曲线，在开始阶段应力与应变是呈正比的，即此时的方形电池处于弹性变形阶段，弹性模量为定值；当应力超出了方形电池保持完全弹性变形的最大应力后，应力与应变之间的直线关系则被破坏，并出现屈服平台或屈服齿。
方形电池在弹性变形阶段的弹性模量即为衡量电池力学性能的关键指标参数，即由此构建方形电池力学本构模型，依据标定合格的方形电池样品在弹性变形阶段的弹性模量判别待测电池的力学性能是否符合标准。
弹性模量较低的电池电芯残次品单位载荷下其形变量更大，也即电池单位形变量能承受的载荷更小，可通过在额定载荷下其表面压缩变形量是否达到标定值而进行快速区分，例如当拉伸试验机对电池施加额定载荷时，本系统检测到其形变量大于标定的方形电池样品的形变量，相应的该待测电池的弹性模量也就低于标定合格的方形电池样本的弹性模量，可以快速对待测方形电池进行筛分。
本系统的测试方法通过对电池成品的等效弹性模量的测试，可评估出其内部电化学能与膨胀力对电池强度、刚度的影响，避免了对电池多次循环充放电的电性能测试试验，节约了时间成本，尤其是采用可测量微小形变的高速摄像机，电池承受的额定载荷可预先计算，不致于过载（荷）过（电）流对电池产生破坏，风险可控，适用于对电池成品力学性能的快速评定与测试。
Claims (8)
1.一种方形电池的力学性能测试系统，其特征在于：包括：
拉伸试验机；
电池夹具，包括：
两个定位块，所述定位块为L型块，定位块的长边上设有至少两个定位孔，定位块的短边内侧面设有定位槽；
两个防滑泡沫，所述的两个防滑泡沫分别填充于两个所述的定位槽内；
夹具主体，所述夹具主体包括底板，以及垂直固定在底板上的挡板；所述挡板表面设置有两个插槽，所述的两个定位块的长边端分别穿过两个插槽，定位块的下表面与底板贴合，且两个定位块的短边端相对；所述底板表面分别沿两个定位块的长边方向设置有至少两排安装孔，任意所述的定位块通过至少两个定位螺栓依次穿过对应的定位孔及安装孔固定于底板上；
所述底板固定于拉伸试验机的工作台上，且位于拉伸试验机的压头下方；
高速摄像机，所述高速摄像机正对电池夹具；
工控机，所述工控机连接拉伸试验机和高速摄像机。
2.根据权利要求1所述的一种方形电池的力学性能测试系统，其特征在于：所述电池夹具还包括盖板，所述盖板的尺寸与方形电池的上表面尺寸相匹配。
3.根据权利要求1所述的一种方形电池的力学性能测试系统，其特征在于：所述定位块的长边上设有腰形减重孔。
4.根据权利要求1所述的一种方形电池的力学性能测试系统，其特征在于：所述挡板表面于两个插槽之间设有矩形减重孔。
5.根据权利要求1所述的一种方形电池的力学性能测试系统，其特征在于：所述挡板上于任意插槽的上方设有至少一个安装孔二，所述底板上于插槽内对应设有至少一个安装孔三，安装孔二与安装孔三一一对应；通过定位螺栓依次穿过安装孔二、定位孔及安装孔三将定位块位于插槽内的部分固定于底板上。
6.根据权利要求1所述的一种方形电池的力学性能测试系统的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：由工控机控制拉伸试验机的压头按照设定的加载速度对放置于工作台上的电池夹具内的方形电池进行压缩，加载载荷矢量方向垂直于方形电池的承压面，方形电池在载荷施加矢量方向上发生形变；工控机读取拉伸试验机内置力传感器输出的载荷，高速摄像机观察记录拉伸试验机的压头的实时位移，即方形电池沿加载载荷方向上的压缩量；计算不同阶段在载荷施加方向上方形电池的弹性模量，得出应力应变曲线。
7.根据权利要求6所述的一种方形电池的力学性能测试系统的测试方法，其特征在于：所述应力应变曲线为：E=σ/ξ=F/(ΔL/L)S0=FL/ΔLS0；其中E为弹性模量，σ为应力，ξ为应变，F为方形电池承压面承载的载荷，SO为方形电池的承压面面积，L为沿加载载荷矢量方向上的方形电池初始尺寸，ΔL是方形电池沿加载载荷矢量方向上的压缩量。
8.根据权利要求6或7所述的一种方形电池的力学性能测试系统的测试方法，其特征在于：以方形电池在弹性变形阶段的弹性模量作为衡量电池力学性能的关键指标参数，依据标定合格的方形电池样品在弹性变形阶段的弹性模量判别待测方形电池的力学性能是否符合标准。
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