CN111122036A - 电芯循环膨胀检测方法及其检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锂离子电芯生产技术领域，提供了一种电芯循环膨胀检测方法及其检测装置。该检测方法包括以下步骤：电芯放置在测厚板与底板之间，减小两者之间的距离，直至电芯受到的压力为初始预紧力，测出电芯初始厚度值；对电芯循环充放电，测量电芯的循环膨胀力；调节测厚板，直至电芯受到的压力为初始预紧力，测量测厚板与底板之间的距离。该检测装置包括底板、转接板和导向轴，转接板与导向轴滑动配合，转接板上设有测厚板和压力测量装置，转接板上设有调节机构。本申请通过压力测量装置测量电芯的膨胀力，转接板可移动设置，通过转接板的移动距离得出电芯的膨胀厚度，进而有效的解决了电芯长期充放电循环的膨胀力和膨胀率的不能同步检测问题。

Description

电芯循环膨胀检测方法及其检测装置

技术领域

本发明涉及锂离子电芯生产技术领域，具体涉及一种电芯循环膨胀检测方法及其检测装置。

背景技术

目前锂离子电芯的发展和推广应用首要前提在两个方面：电芯安全性和可靠性，因此，电芯在全生命周期中的产气和膨胀问题是产品开发中的一个关注点。电芯在使用时需组成电池模组，电芯以串并联方式结合组装成电池模组。

模组框架内的固定端板之间通过激光焊接的方式进行连接，焊接效果取决于本身固有的焊接强度，此强度要高于电芯膨胀对端板产生的最大压力值，也就是电芯的膨胀力上限值F_max。模组端板材料有着本身固有的极限形变量，电芯的膨胀形变超过此数值，结构就会破坏失效。模组内部端板与电芯之间设有缓冲垫，为电芯的膨胀变形提供一定的缓冲空间，端板极限形变量加上缓冲垫的极限压缩值限定了电芯膨胀厚度的上限值L_max。因此，为了避免模组损坏，电芯的最大膨胀力和最大膨胀厚度应分别低于F_max和L_max。由此可见，电芯的膨胀力和膨胀率数据对于电芯、模组乃至电池包的安全设计至关重要。

目前电芯通常采用三片式平行板带传感器夹具来检测电芯循环过程的膨胀力。但是在测量过程中，由于电芯外包装的(如铝塑膜等)特性，导致电芯测量表面不平整，测量时容易出现测试误差；且该种测量方式对于电芯的膨胀力和膨胀率不能进行同步检测，从而影响对电芯全寿命周期的膨胀安全性能分析。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本发明提供了一种电芯循环膨胀检测方法及其检测装置。

上述电芯循环膨胀检测方法包括以下步骤：

步骤一，将电芯放置在测厚板与底板之间，减小测厚板与底板之间的距离，直至测厚板对电芯施加的压力为初始预紧力，测出电芯初始厚度值；

步骤二，通过电芯循环测试设备对电芯进行循环充放电，测量电芯的循环膨胀力；

步骤三，增加测厚板与底板之间的距离，直至测厚板施加在电芯上的压力为初始预紧力，测量测厚板与底板之间的距离，计算出电芯的膨胀率。

可选的，在电芯进行循环充放电过程中，设定电芯的循环充放电周期，经过每个循环充放电周期后，测量得到的电芯的循环膨胀力记为F_t，电芯的膨胀厚度记为L_t，经过每个循环周期的测量后，重复步骤一至步骤三，得到多次测量结果，直至F_t≥F_max或者L_t≥L_max或者通过电芯循环测试设备测得电芯达到使用寿命。

可选的，设定电芯的循环充放电周期，经n个循环充放电周期的测量后，如果电芯未达到使用寿命前，电芯的膨胀力或膨胀厚度超过上限值，需对电芯的体系进行重新设计；如果电芯达到使用寿命，此时，电芯的膨胀力和变形量均等于或低于上限值时，电芯符合设计要求。

可选的，检测前，通过对电芯表面施加初始预紧力，使得电芯表面平整。

可选的，在步骤一中，测厚板与底板平行设置，测厚板远离底板的一侧设置压力传感器，通过对压力传感器施加外力，减少测厚板与底板之间的距离，直至测厚板与电芯接触，且压力传感器显示的数值与初始预紧力相同。

可选的，在步骤二中，测厚板和底板的相对位置不变，电芯膨胀，电芯朝向测厚板和底板施加的力逐渐增加，通过测得电芯对测厚板和/或底板施加的压力得出电芯的循环膨胀力。

上述电芯循环膨胀检测装置包括间隔设置的底板和转接板，底板和转接板之间通过多根导向轴连接，转接板与导向轴滑动配合，转接板朝向底板的一侧设有测厚板，转接板与测厚板之间设有压力测量装置，转接板上设有用于调节转接板与底板之间距离的调节机构。

可选的，转接板远离底板的一侧设有顶板，导向轴的端部伸出转接板并与顶板连接。

可选的，调节机构包括垂直于转接板的螺杆，螺杆的一端用于抵住转接板远离底板的一侧，另一端伸出顶板，顶板上设有与螺杆相匹配的螺孔。

可选的，底板朝向测厚板的一侧设有用于放置电芯的第一绝缘板，测厚板与第一绝缘板相对应的位置处设有第二绝缘板。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请通过压力测量装置测量电芯的膨胀力，转接板可移动设置，通过转接板的移动距离得出电芯的膨胀厚度，进而有效的解决了软包电芯长期充放电循环的膨胀力和膨胀率不能同步检测问题，同时对软包电芯、电池模组的安全设计提供了重要的参考依据。

附图说明

图1是本发明一实施方式中电芯循环膨胀检测装置的示意图；

图2是本发明一实施方式中电芯循环膨胀检测方法的流程图。

附图标记：

1、顶板；2、转接板；3、底板；31、第一绝缘板；4、测厚板；41、第二绝缘板；5、压力测量装置；6、导向轴；7、直线轴承；8、螺杆。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1和图2所示，本申请实施例提供的电芯循环膨胀检测方法包括以下步骤：

步骤一，将电芯放置在测厚板4与底板3之间，减小测厚板4与底板3之间的距离，直至测厚板4对电芯施加的压力为初始预紧力，测出电芯初始厚度值。

其中，电芯的初始预紧力为检测前设置的一个基础参数，通过测厚板4朝向电芯施加预紧力，使得测厚板4压实电芯，电芯表面平整，避免测厚板4与电芯之间出现间隙，使得电芯的膨胀力与测厚板4对电芯的压力相同，增加膨胀力测量的准确性。同时，可获得电芯的初始厚度值，并使电芯侧面更平整，用于准确测量电芯厚度的变化情况。

具体地，测厚板4与底板3平行设置，避免出现测量误差。测厚板4与底板3之间可相对移动，即底板3的位置固定，测厚板4可沿着测厚板4与底板3所在平面的垂直线方向移动；或者测厚板4的位置固定，底板3可沿着测厚板4与底板3所在平面的垂直线方向移动。

电芯受到的压力可通过压力传感器进行测量，具体地，在测厚板4远离底板3的一侧设置压力传感器，通过对压力传感器施加外力，使其朝向电芯的方向移动，当测厚板4与电芯接触时，测厚板4的位置不变，压力传感器受到的压力增加，显示的数值增大，直至压力传感器显示的数值与初始预紧力相同，测出电芯的初始厚度值。反之，也可将压力传感器设置在底板3上进行测量。且在测量后，对于压力传感器施加的压力始终保持不变，便于后续测量。电芯的厚度值可通过手持测量工具进行测量，或者通过测量设备进行测量，增加测量的准确性。

步骤二，通过电芯循环测试设备对电芯进行循环充放电，测量电芯的循环膨胀力。其中，电芯循环测试设备为现有技术中较为常见的设备，与电芯的极耳连接，用于电芯的充放电实验，由于该种设备及功能在现有技术中较为常见，因此，未作过多的描述。电芯的循环膨胀力通过设置在测厚板4或底板3上的压力传感器进行测量，具体地，在循环充放电过程中，测厚板4和底板3的相对位置保持不变，电芯膨胀，使得电芯朝向测厚板4和底板3施加的力逐渐增加，进而通过压力传感器实时检测压力的变化情况，压力传感器显示的压力值即为电芯的循环膨胀力。

步骤三，增加测厚板4与底板3之间的距离，直至测厚板4施加在电芯上的压力为初始预紧力，测量测厚板4与底板3之间的距离，计算出电芯的膨胀率。其中，测量测厚板4与底板3之间的距离即为电芯膨胀之后的厚度值，可将电芯的初始厚度值设置为L₀，电芯膨胀之后的厚度值为L_t，电芯的膨胀率为(L_t-L₀)/L₀。本申请有效的解决了软包电芯长期充放电循环的膨胀力和膨胀率不能同步检测问题，同时对软包电芯、电池模组的安全设计提供了重要的参考依据。

进一步优化地，在电芯进行循环充放电过程中，设定电芯的循环充放电周期，经过每个循环充放电周期后，测量的电芯循环膨胀力记为F_t，电芯的膨胀厚度记为L_t，经过每一个循环充放电周期的测量后，重复步骤一至步骤三，得到多次测量结果，直至F_t≥F_max或者L_t≥L_max或者通过电芯循环测试设备测得电芯达到使用寿命。具体地，在电芯上施加压力直至其为初始预紧力，通过外接电芯循环测试设备进行循环充放电，经过每一个电芯循环充放电周期后，得到该循环周期内电芯的循环膨胀力，然后减小测厚板4与底板3之间的距离，直至电芯受到的压力为初始预紧力，测量测厚板4与底板3之间的距离，以此循环。

下面以对于电芯循环充放电50圈作为一个循环充放电周期为例。

步骤一，将电芯放置在测厚板4与底板3之间，减小测厚板4与底板3之间的距离，直至电芯受到的压力为初始预紧力F₀，测出电芯初始厚度值L₀。

步骤二，电芯通过外接电芯循环测试设备进行循环充放电实验，电芯循环充放电50圈后，得到电芯的循环膨胀力F₁，判断F₁是否大于等于F_max，如果是则测试结束，记录膨胀力和循环圈数，如果否，则进行步骤三。

步骤三，增加测厚板4与底板3之间的距离，直至电芯受到的压力为初始预紧力F₀，测量测厚板4和底板3之间的距离记为膨胀厚度L₁，判断L₁是否大于等于L_max，如果是则测试结束，记录膨胀力、膨胀厚度、循环圈数，如果否则记录膨胀力、膨胀厚度、循环圈数后，重复步骤二和步骤三，直至F_n≥F_max或者L_n≥L_max或者通过电芯循环测试设备测得电芯达到使用寿命。

其中，F_max是指电芯膨胀力的上限值，L_max是指电芯膨胀厚度的上限值，F_n是指经n次实验后，电芯的循环膨胀力，L_n是指n次实验后，电芯的膨胀厚度。当电芯的膨胀力和膨胀厚度超过上限值后，电池模组将会出现损坏失效现象，需对电芯的体系进行重新设计，使其最大膨胀力和膨胀厚度均低于上限值。电芯的使用寿命可通过电芯循环测试设备进行测量，电芯的使用寿命是本领域的常规测试手段，在此不再赘述。当电芯达到使用寿命后，电芯的最大膨胀力和膨胀厚度均低于上限值时，电芯符合设计要求。采用设定循环充放电周期的方式，可有效检测各阶段电芯的循环膨胀力、膨胀厚度以及膨胀率的情况，进而对各阶段的数据进行收集，从而得到体系电芯的全寿命周期膨胀特性。

如图1所示，本申请还提供了一种电芯循环膨胀检测装置，包括间隔设置的底板3和转接板2，即转接板2与底板3不直接接触，且底板3和转接板2平行设置。底板3和转接板2之间通过多根导向轴6连接，转接板2与导向轴6滑动配合，优选的，转接板2和底板3均为矩形，导向轴6为四根，连接在转接板2与底板3的顶角处，增加结构的稳定性。该处的滑动配合是指转接板2可沿着导向轴6的长度方向滑动，即在转接板2上设置导向孔，导向轴6穿设在导向孔内。转接板2朝向底板3的一侧设有测厚板4，转接板2与测厚板4之间设有压力测量装置5，优选的，压力测量装置5为设置在转接板2和测厚板4之间的压力传感器，且压力传感器外接数显器，用于实时读取电芯膨胀的压力值。转接板2上设有用于调节转接板2与底板3之间距离的调节机构。可通过调节机构调节转接板2在导向轴6上的位置，进而改变测厚板4与底板3之间的距离，同时，调节机构能够起到限制转接板2位置的作用，便于通过压力测量装置5测量电芯的循环膨胀力。

本申请的转接板2远离底板3的一侧设有顶板1，导向轴6的端部伸出转接板2并与顶板1连接，增加结构的稳定性。其中，底板3、转接板2、测厚板4以及顶板1所在的水平面均平行，确保测量结果的准确性。

在一些实施例中，调节机构包括垂直于转接板2的螺杆8，螺杆8的一端用于抵住转接板2远离底板3的一侧，另一端伸出顶板1，顶板1上设有与螺杆8相匹配的螺孔。该处的相匹配是指螺杆8的外螺纹与螺孔的内螺纹相匹配，使得螺杆8在转动过程中，能够沿着螺杆8的长度方向移动，进而带动转接板2朝向底板3的方向移动，且在非转动状态下，通过螺杆8与螺孔的配合，限制螺杆8的位置，进而限制转接板2的位置。

在使用时，手动调节转接板2的位置，使得测厚板4与底板3之间的距离增加，将电芯放置在测厚板4与底板3之间，松开转接板2，测厚板4抵在电芯的侧面，调节螺杆8，使其朝向转接板2的方向移动，直至螺杆8的端部抵在转接板2的侧面，继续旋转螺杆8，使得螺杆8朝向转接板2施加压力，进而通过测厚板4对电芯施加压力。

其中螺杆8的端部也可与转接板2转动连接，即在转接板2上设置轴承，螺杆8的端部与轴承的内圈连接，使得螺杆8可相对于转接板2转动，同时，通过轴承的连接，使得转接板2可跟随螺杆8沿螺杆8的长度方向移动。

在另一些实施例中，调节机构为垂直设置在转接板2与顶板1之间的第一伸缩机构。其中，第一伸缩机构可为气缸或者电动推杆等，通过第一伸缩机构的伸缩改变顶板1与转接板2之间的距离，进而改变测厚板4与底板3之间的距离，结构简单，且调节的距离可控，增加测量结果的准确性，同时，可通过第一伸缩机构本身的自锁功能(由于气缸或电动推杆的自锁功能为常规结构，在此不再加以详述)限制转接板2的位置。

在另一些实施例中，调节机构为垂直设置在转接板2与底板3之间的第二伸缩机构。与第一伸缩机构的原理相同，第二伸缩机构也可采用气缸或者电动推杆等设置方式，通过第二伸缩机构的伸缩改变底板3与转接板2之间的距离，进而改变测厚板4与底板3之间的距离。具体地，底板3可朝向一侧延伸形成第一耳板，转接板2同侧延伸形成第二耳板，第一耳板与第二耳板相对设置，第二伸缩机构设置在第一耳板和第二耳板之间。或者将第二伸缩机构直接设置在转接板2与底板3之间，减小整个设备的体积。

由此可见，本申请的调节机构的具体设置方式不受限制，只要满足能够改变转接板2与底板3之间的距离，同时能够限制转接板2的位置即可。

转接板2上设有直线轴承7，直线轴承7与导向轴6滑动配合，为滑动起到导向的作用，增加滑动的流畅性。进一步优化地，直线轴承7的内壁设有橡胶层，其中，橡胶层包裹在直线轴承7与导向轴6的内壁的接触处，起到缓冲作用同时避免刚性连接磨损情况，延长使用寿命。

在一些实施例中，底板3朝向测厚板4的一侧设有用于放置电芯的第一绝缘板31，测厚板4与第一绝缘板31相对应的位置处设有第二绝缘板41。第一绝缘板31和第二绝缘板41优选为电木板，具有良好的防静电和绝缘性能，电芯放置在第一绝缘板31和第二绝缘板41之间，且底板3和测厚板4增加电木板的刚性，增加第一绝缘板31和第二绝缘板41的平行度和硬度，因此加入绝缘板既可以具有良好的防静电和绝缘性能，又不影响测量结果的准确性。

转接板2上设有用于检测其移动距离的距离感应器。其中，距离感应器可设置在转接板2与顶板1之间，具体地，距离感应器的发射器设置在转接板2的顶部，发射器发射处的激光束垂直转接板2，使其照射在顶板1上，用于反馈转接板2和顶板1之间的距离变化情况。通过距离感应器测量转接板2与顶板1之间的距离的变化，用于测量电芯的膨胀厚度，增加测量结果的准确性。也可将距离感应器设置在转接板2和底板3之间，其具体设置方式不受限制。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电芯循环膨胀检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将电芯放置在测厚板与底板之间，减小测厚板与底板之间的距离，直至测厚板对电芯施加的压力为初始预紧力，测出电芯初始厚度值；

步骤二，通过电芯循环测试设备对电芯进行循环充放电，测量电芯的循环膨胀力；

步骤三，增加测厚板与底板之间的距离，直至测厚板施加在电芯上的压力为初始预紧力，测量测厚板与底板之间的距离，计算出电芯的膨胀率。

2.根据权利要求1所述的电芯循环膨胀检测方法，其特征在于，在电芯进行循环充放电过程中，设定电芯的循环充放电周期，经过每个循环充放电周期后，测量得到电芯的循环膨胀力记为F_t，电芯的膨胀厚度记为L_t，经过每一个充放电周期的测量后，重复步骤一至步骤三，得到多次测量结果，直至F_t≥F_max或者L_t≥L_max或者通过电芯循环测试设备测得电芯达到使用寿命。

3.根据权利要求2所述的电芯循环膨胀检测方法，其特征在于，设定电芯的循环充放电周期，经n个循环充放电周期的测量后，如果电芯未达到使用寿命前，电芯的膨胀力或膨胀厚度超过上限值，需对电芯的体系进行重新设计；如果电芯达到使用寿命，此时，电芯的膨胀力和膨胀厚度均等于或低于上限值时，电芯符合要求。

4.根据权利要求1所述的电芯循环膨胀检测方法，其特征在于，检测前，通过对电芯表面施加初始预紧力，使得电芯表面平整。

5.根据权利要求1所述的电芯循环膨胀检测方法，其特征在于，在所述步骤一中，测厚板与底板平行设置，测厚板远离底板的一侧设置压力传感器，通过对压力传感器施加外力，减少测厚板与底板之间的距离，直至测厚板与电芯接触，且压力传感器显示的数值与初始预紧力相同。

6.根据权利要求1所述的电芯循环膨胀检测方法，其特征在于，在所述步骤二中，测厚板和底板的相对位置不变，电芯膨胀，电芯朝向测厚板和底板施加的力逐渐增加，通过测得电芯对测厚板和/或底板施加的压力得出电芯的循环膨胀力。

7.一种电芯循环膨胀检测装置，其特征在于，包括间隔设置的底板和转接板，所述底板和所述转接板之间通过多根导向轴连接，所述转接板与所述导向轴滑动配合，所述转接板朝向所述底板的一侧设有测厚板，所述转接板与所述测厚板之间设有压力测量装置，所述转接板上设有用于调节所述转接板与所述底板之间距离的调节机构。

8.根据权利要求7所述的电芯循环膨胀检测装置，其特征在于，所述转接板远离所述底板的一侧设有顶板，所述导向轴的端部伸出所述转接板并与所述顶板连接。

9.根据权利要求7所述的电芯循环膨胀检测装置，其特征在于，所述调节机构包括垂直于所述转接板的螺杆，所述螺杆的一端用于抵住所述转接板远离所述底板的一侧，另一端伸出所述顶板，所述顶板上设有与所述螺杆相匹配的螺孔。

10.根据权利要求7所述的电芯循环膨胀检测装置，其特征在于，所述底板朝向所述测厚板的一侧设有用于放置电芯的第一绝缘板，所述测厚板与所述第一绝缘板相对应的位置处设有第二绝缘板。

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