CN113983928A - 电芯体积测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电芯体积测量装置，可以精确和原位测量电芯的体积或/和体积变化量。该电芯体积测量装置包括装有液体的液体容器、测距传感器和控制器；液体容器的上端具有开口，用于放入待测的电芯；测距传感器设置在液体的液面的上方，用于检测液面的高度变化引起的信号；控制器与测距传感器信号连接，用于输出测距传感器的测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及体积测量技术领域，具体涉及一种电芯体积测量装置。
背景技术
在已商业化的电池中，锂离子电池具有能量密度高、工作电压高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、体积小和重量轻等优点，已广泛应用于各种便携式电子产品，并成为动力电池和储能电池的首选之一。
一般电动汽车和储能装置需要的电量和电压较高，需要将单体电芯组装成模组和电池包使用。单体电芯的尺寸一致性显著影响动力电池系统和储能装置的组装制造以及性能发挥。
在锂电池的制造过程中，电池的化成工艺会导致电池内电解液分解，与电池的正极和负极发生复杂化学反应，产生大量气体，导致电芯体积膨胀；电池在充放电过程中，随着锂离子在正负极之间的嵌入和脱出，锂离子电池的体积会发生周期性的膨胀和收缩；此外，电池在高温环境下使用时，也存在电解液的分解以及与正负极的副反应，也将产生大量气体，并引起电芯体积膨胀。电芯体积的膨胀和收缩将显著影响动力电池系统和储能装置的机械稳定性，最终将影响动力电池系统和储能装置的安全性和寿命。
综上所述，电芯体积的精确标定对于锂电池的应用性能和安全性能有至关重要的影响。
目前，一般可以通过下列三种方法来测试电芯的厚度或体积：
1)激光测距法：将电芯固定于激光发射器和接收器之间，移动激光发射器和接收器，利用激光发射和反射回收器的时间差，计算电芯的三维尺寸；该方法具有测试速度快的优点，但是只适用于规则形状的物体的厚度测量，一般只能获得电芯单一位置的厚度变化数据，不能获得电芯的体积数值；
2)压力传感器法：将电芯置于两平稳夹具之间，下夹具固定，移动上夹具，当压力传感器显示值达到设定值时，上夹具停止下降，剩余的高度差为电芯的厚度；此方法适用于规则形状物体的厚度测量，可测试整个电芯的平均厚度，但是仍不能测试电芯的体积或体积变化量；
3)充气法：电芯包装留存进气口和出气口，进气口放置气压表和流量计，封闭进气口，从出气口抽真空至-97kPa；封闭出气口，打开进气口阀门至气压表恢复至常压，流量表测量进入电芯内部的气体体积，即为电芯内体积；该方法具有操作简便、成本低的优点，但是要求电芯内无电解液，不适用于真实电芯的体积测试以及电芯原位体积测试(充放电过程中的体积测试)；
4)排水法：通过测试电芯在液体中受到的浮力来计算电芯的体积，一种方法是将电芯浸入液体中，通过测量浸入前后的质量变化标定电芯的体积，该方法通常适用于较小的电芯，当需要测试较大电芯时，质量传感器的量程和精度不能同时满足大电芯的体积测试；另一种方法是选用带液体导出管的容器，将液位线调整在导出管口处，将电芯浸入该容器中，电芯浸入液体中后，液位升高使得液体通过导出管流出到测量容器，流出的液体的体积为电芯体积，该方法成本低、操作简便，适用于形状规则和不规则的物体；但是要求排出液体无残留、无迸溅，且每次测试体积前需液体容器中的液位线刚好在导出管口下方，难以准确控制，测试的一致性和精度较低，不能保证可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种电芯体积测量装置，可以精确和原位测量电芯的体积或/和体积变化量。
为实现所述目的的电芯体积测量装置，包括装有液体的液体容器、测距传感器和控制器；所述液体容器的上端具有开口，用于放入待测的电芯；所述测距传感器设置在所述液体的液面的上方，用于检测所述液面的高度变化引起的信号；所述控制器与所述测距传感器信号连接，用于输出所述测距传感器的测量结果。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述电芯体积测量装置还包括反射元件，所述反射元件浮动设置于所述液体中，用于将所述测距传感器发出的信号反射回所述测距传感器。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述液体容器内设置有隔板，所述隔板用于限制所述反射元件的水平移动。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述反射元件包括杆件，所述杆件的长度方向沿竖直方向，所述杆件的上端设置有反射面，所述杆件的下端设置有配重件。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述液体中包含表面活性剂，用于降低所述液体的表面张力。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述测距传感器为激光测距传感器。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述电芯体积测量装置还包括底座和升降装置，所述底座用于支撑所述液体容器和所述升降装置，所述升降装置用于夹持和移动所述电芯。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述电芯体积测量装置包括多种不同规格的液体容器，根据所述电芯的尺寸选择其中一个液体容器安装在所述底座上。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述电芯体积测量装置还包括设置在所述底座上的第一支架和第二支架，分别用于安装所述升降装置和所述测距传感器，所述升降装置和所述测距传感器的安装高度可调，以与所述液体容器的规格相匹配。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述控制器与所述升降装置信号连接，用于控制所述升降装置的升降。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述电芯体积测量装置还包括调平装置，用于使所述电芯的外壳的上表面与所述液面平行。
在所述的电芯体积测量装置的一个或多个实施方式中，所述电芯体积测量装置还包括温控系统，用于控制所述液体的温度。
该电芯体积测量装置适用于多种形状和规格的电芯的体积测试，并可进行电芯的原位体积测试，通过采用测距传感器检测液面的高度变化引起的信号，进而计算电芯的体积或/和体积变化量，可以极大地提高体积测量结果的精度、准确性和稳定性，操作便捷可靠，结构简单，易于加工制造。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是根据一个实施方式的电芯体积测量装置的立体示意图。
图2是根据一个实施方式的电芯体积测量装置在测量电芯时的示意图。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，本申请的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
根据本发明的一个实施方式的电芯体积测量装置1如图1和图2所示，包括液体容器11、测距传感器12、反射元件13、底座14、升降装置15、第一支架16、第二支架17、调平装置18和控制器19。
液体容器11包括容器本体111和连接部112。容器本体111内装有液体113，容器本体111的上端具有开口114，用于放入待测的电芯2。连接部112设置有连接孔115，用于连接底座14。测距传感器12设置于液体113的液面116的上方，反射元件13浮动设置于液体113中，并位于测距传感器12的下方。
在本发明的描述中，方位词如“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”等所指示的方位或位置关系是基于图1和图2所示的方位或位置关系，方位词“内”、“外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
测距传感器12用于测量其与反射元件13之间的距离。例如，测距传感器12采用激光测距传感器，以具有较高的测量精度和较强的抗干扰能力，可以减少空气的压力、温度、湿度等以及电芯2充放电过程中的电流对测量结果的影响，提高测量结果的精度、准确性和稳定性。反射元件13用于将测距传感器12发射的激光反射回测距传感器12，以提高反射率，从而进一步提高测距传感器12的测量精度、准确性和稳定性。
在另一些实施方式中，测距传感器12采用红外测距传感器、或雷达测距传感器、或超声波测距传感器、或其他类型的测距传感器。
由于反射元件13随液面116上下浮动，反射元件13的高度变化即可表征液面116的高度变化，通过分别测量电芯2浸入液体113前后，测距传感器12与反射元件13之间的距离，即可根据两次测量的距离的差值获得液面116的高度变化，进而结合容器本体111的内侧的横截面积，计算电芯2的体积；类似地，根据电芯2浸入液体113后一段时间内的液面116的高度变化，结合容器本体111的内侧的横截面积，即可计算电芯2在该段时间内的体积变化量，详见后述。
在另一些实施方式中，该电芯体积测量装置1不设置反射元件13，测距传感器12通过液面116反射回的电磁波或声波信号，测量其与液面116之间的距离，进而根据两次测量的距离的差值获得液面116的高度变化。
控制器19与测距传感器12信号连接，用于输出测距传感器12的测量结果，例如通过显示界面直接显示测量结果、或通过打印机打印测量结果、或通过其他方式。
可选地，采用控制器19计算电芯2的体积或/和体积变化量，并输出计算结果。控制器19包括一个或多个硬件处理器，诸如微控制器、微处理器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、应用特定指令集成处理器(ASIP)、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、物理处理单元(PPU)、微控制器单元、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、高级RISC机(ARM)、可编程逻辑器件(PLD)、能够执行一个或多个功能的任何电路或处理器等中的一种或多种的组合。
继续参照图1和图2，容器本体111的形状为矩形，以便于加工制造和计算横截面积。此外，由于该容器本体111可以容纳一定范围内的多种形状和规格的电芯2，因此该电芯体积测量装置1适用于一定量程范围内的多种形状和规格的电芯2的体积测试。
在另一些实施方式中，容器本体111的内侧的横截面设计为其他的规则形状，例如多边形、圆形、椭圆形、腰圆形(跑道形)等便于计算面积的图形。容器本体111的不同高度位置的横截面形状及尺寸一致，或按一定的规律变化，例如容器本体111为圆台形、或棱锥台形、或台阶形等等，以便于计算电芯2的体积或体积变化量。
继续参照图1和图2，容器本体111内设置有隔板117，例如隔板117粘接在容器本体111的内壁。隔板117用于限制反射元件13的水平移动，以提高测距传感器12的测量精度、准确性和稳定性。
反射元件13包括杆件131，杆件131的上端设置有反射面133，用于反射测距传感器12发出的电磁波或声波，杆件131的下端设置有配重件132，以使反射元件13竖直地漂浮在液体113中，即杆件131的长度方向沿竖直方向。例如杆件131由树脂材料制成，杆件131的长度为容器高度的30％至90％，配重件132为金属片，并粘接在杆件131的下端，配重件132的重量为杆件131重量的50％-500％。
由此，该反射元件13具有一定的长度和重量，且下端较重，从而可以避免反射元件13在液体113内倾斜，或由于液体113的表面张力而与容器本体111的内壁发生粘连，导致影响测量精度，尤其在该电芯体积测量装置1用于批量电芯的体积测试时，需要多次将不同的电芯2放入或抽出液体113，该反射元件13可以有效地克服液体113的表面张力，使反射元件13准确地反映液面116的高度变化，从而提高测量精度，准确地计算不同电芯2的体积。
可选地，液体113中包含表面活性剂，用于降低液体113的表面张力，以避免反射元件13由于液体113的表面张力而与容器本体111的内壁发生粘连，导致影响测量精度。
继续参照图1和图2，升降装置15用于夹持电芯2并带动电芯2上下移动，或使电芯2保持在液体113内的特定的高度位置，从而可以节省人力，且便于准确调节电芯2的位置。
升降装置15包括驱动装置、传动机构和夹具151。夹具151用于夹持电芯2的极耳21，驱动装置可以采用电机、或液压缸、或气缸等等，传动机构可以采用滚珠丝杠、或齿轮齿条或其他传动机构。可选地，驱动装置和传动机构采用采购的成品电机滑轨组件，以简化该电芯体积测量装置1的加工和装配过程。可选地，控制器19与升降装置15信号连接，以通过控制器19控制升降装置15的升降。
调平装置18包括水平仪(未图示)和可调支脚181，水平仪例如为气泡水平仪，4个可调支脚181分别设置于底座14的四个角部141的下方，以通过可调支脚181调平底座14，使电芯2能够在升降装置15的带动下垂直地浸入液体113中，使电芯2的外壳22的上表面与液面116平行，并使液面116位于极耳21的标记线3处，以便准确计算电芯2的体积。由于极耳21的形状规则，便于计算其体积，极耳21可以不浸入液体113中，或不完全浸入液体113中，详见后述。
在另一些实施方式中，调平装置18设置在升降装置15上，例如调平装置18对夹具151的角度进行调节，以使电芯2能够在升降装置15的带动下垂直地浸入液体113中，使电芯2的外壳22的上表面与液面116平行。
可选地，容器本体111采用透明材料制成，例如采用有机玻璃材料，以便于观察和调节电芯2在液体113中的位置。进一步地，隔板117也采用透明材料制成，例如采用有机玻璃材料，以便于确认反射元件13是否正常地随液面116浮动，即确认反射元件13处于竖直状态且未与容器本体111发生粘连。
升降装置15和测距传感器12分别安装在第一支架16和第二支架17上，第一支架16和第二支架17安装于底座14。可选地，第一支架16和第二支架17的结构和尺寸相同，以简化该电芯体积测量装置1的结构，便于加工制造和装配。
在另一个实施方式中，升降装置15直接与底座14相连接，测距传感器12安装在容器本体111的内壁，从而不需要设置第一支架16和第二支架17。
在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。
可选地，该电芯体积测量装置1包括多种不同规格的液体容器11，不同规格的液体容器11的连接孔115的位置和尺寸相同，但容器本体111的内侧的横截面积不同，以便根据待测的电芯2的尺寸选择对应规格的液体容器11安装在底座14上，从而进一步扩大该电芯体积测量装置1的量程范围。例如，对于尺寸较小的电芯2，选择横截面积较小的液体容器11，以使液面116的高度变化较为明显，从而提高测量结果的精度和准确性；对于尺寸较大的电芯2，选择横截面积较大的液体容器11，以足够容纳电芯2，且避免液体113溢出液体容器11。
第一支架16在多个不同高度处分别设置有多组第一安装孔161，升降装置15根据液体容器11的高度连接至其中一组第一安装孔161，第二支架17在多个不同高度处分别设置有多组第二安装孔171，测距传感器12根据液体容器11的高度连接至其中一组第二安装孔171，由此，升降装置15和测距传感器12能够与不同规格的液体容器11相匹配。
第一支架16和第二支架17分别位于液体容器11的相对的两侧，即图1和图2所示的L方向上的两侧，不同规格的液体容器11的容器本体111在L方向上的尺寸相同，但在W方向上的尺寸不同。升降装置15的夹具151的位置接近于容器本体111的水平方向上的中心部位的上方，以使夹具151夹持的电芯2的位置接近于容器本体111的中心部位或中心部位的上方，从而使升降装置15能够与不同尺寸的电芯2和不同规格的液体容器11相匹配。测距传感器12在W方向上的位置大致与容器本体111的W方向上的中间位置相对，以使测距传感器12能够与不同规格的液体容器11相匹配。
可选地，该电芯体积测量装置1还包括温控系统(未图示)，用于调节液体113的温度，以模拟电芯2的不同工作环境。例如温控系统采用加热棒、或油浴、或水浴等方式调节液体113的温度，并采用温度传感器测量液体113的温度，或者采用半导体温控装置，等等。温控系统可以通过控制器19设置和显示液体113的温度，或通过温控系统自带的控制单元和显示单元设置和显示液体113的温度。
下面结合一个实施方式说明采用该电芯体积测量装置1测量电芯2的体积的主要步骤：
1、根据待测的电芯2的尺寸，选择对应规格的液体容器11安装在底座14上，向液体容器11内注入液体113并放入反射元件13，通过温控系统调节液体113的温度，根据液体容器11的高度，将升降装置15和测距传感器12分别安装在第一支架16和第二支架17的合适的高度处；
2、将升降装置15的夹具151升高，将电芯2的极耳21夹持在升降装置15的夹具151上，通过调平装置18调平底座14，测量电芯2浸入液体113前测距传感器12与反射元件13的反射面133之间的距离D0；
3、通过升降装置15带动电芯2下降至浸入液体113中，使电芯2的外壳22的上表面与液面116平行，使液面116位于极耳21的标记线3处，如图2所示，测量测距传感器12与反射元件13的反射面133之间的距离D1；
4、计算电芯2浸入液体113前后，液面116的高度变化△H1＝|D1-D0|，根据△H1和容器本体111的内侧的横截面积A，计算电芯2的标记线3以下的部分的体积V1＝A×△H1＝A×|D1-D0|，根据极耳21的形状和尺寸，计算极耳21的标记线3以上的部分的体积V2，将V1和V2相加即可得到电芯2的总体积V＝V1+V2。
在图2所示的实施方式中，标记线3位于极耳21上，且低于夹具151的下端，即夹具151不浸入液体113中。在另一个未图示的实施方式中，标记线3位于夹具151上，且高于极耳21的上端，并预先计算夹具151的标记线3以下部分的体积V3，例如采用与前述的方法相似的原理，将未装夹电芯2的夹具151的标记线3以下部分浸入液体113中，测量该部分浸入液体113前后的液面116的高度变化，并计算该部分的体积V3，再将电芯2夹持在夹具151上一同浸入液体113中，计算电芯2与夹具151浸入液体113前后，液面116的高度变化△H1’＝|D1 ’-D0|，根据△H1’和容器本体111的内侧的横截面积A，计算电芯2与夹具151的标记线3以下的部分的体积之和V1’＝A×△H1’＝A×|D1 ’-D0|，将V1’减去V3即可得到电芯2的总体积V＝V1’-V3。
下面结合一个实施方式说明采用该电芯体积测量装置1测量电芯2的体积变化量的主要步骤：
I、根据待测的电芯2的尺寸，选择对应规格的液体容器11安装在底座14上，向液体容器11内注入液体113并放入反射元件13，该液体113采用绝缘液体，例如硅油，通过温控系统调节液体113的温度，根据液体容器11的高度，将测距传感器12安装在第二支架17的合适的高度处；
II、通过升降装置15或通过人工将电芯2浸入液体113中，测量测距传感器12与反射元件13的反射面133之间的距离D2，其中，电芯2的壳体22全部浸入液体113中，极耳21可以全部浸入液体113中，也可以不浸入或部分浸入液体113中；
III、对电芯2进行充放电操作，在充放电过程中，测量测距传感器12与反射元件13的反射面133之间的距离并计算电芯2的体积变化量，例如在t时刻，该距离为D3，则液面116的高度变化△Ht＝|D3-D2|，根据△Ht和容器本体111的内侧的横截面积A，计算得到t时刻相对于充放电前的电芯2的体积变化量△Vt＝A×△Ht＝A×|D3-D2|，重复以上操作即可得到电芯2在充放电操作过程中的体积变化曲线。
在图2所示的实施方式中，两个极耳21分别位于电芯2的两侧，其中一个极耳21与外壳22一起浸入液体113中，液体113采用绝缘液体。在另一个未图示的实施方式中，两个极耳21位于电芯2的同一侧，两个极耳21均不浸入或不完全浸入液体113中，并使液面116位于极耳21与充放电测试仪连接部位的下方，液体113可以不必采用绝缘液体，例如可以采用水，以便于获取并降低成本。
可以理解的是，前述测量电芯2的体积的步骤和测量电芯2的体积变化量的步骤可以结合使用，例如先对电芯2的体积进行测量，再对电芯2的体积变化量进行测量。
该电芯体积测量装置1适用于多种形状和规格的电芯2的体积测试，并可进行电芯2的原位体积测试，通过采用测距传感器检测液面116的高度变化引起的信号，进而计算电芯2的体积或/和体积变化量，可以极大地提高体积测量结果的精度、准确性和稳定性，操作便捷可靠，结构简单，易于加工制造。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。
Claims (12)
1.电芯体积测量装置，包括装有液体的液体容器，所述液体容器的上端具有开口，用于放入待测的电芯，其特征在于，所述电芯体积测量装置还包括：
测距传感器，设置在所述液体的液面的上方，用于检测所述液面的高度变化引起的信号；和
控制器，与所述测距传感器信号连接，用于输出所述测距传感器的测量结果。
2.如权利要求1所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述电芯体积测量装置还包括反射元件，所述反射元件浮动设置于所述液体中，用于将所述测距传感器发出的信号反射回所述测距传感器。
3.如权利要求2所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述液体容器内设置有隔板，所述隔板用于限制所述反射元件的水平移动。
4.如权利要求2所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述反射元件包括杆件，所述杆件的长度方向沿竖直方向，所述杆件的上端设置有反射面，所述杆件的下端设置有配重件。
5.如权利要求2所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述液体中包含表面活性剂，用于降低所述液体的表面张力。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述测距传感器为激光测距传感器。
7.如权利要求1至5中任一项所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述电芯体积测量装置还包括底座和升降装置，所述底座用于支撑所述液体容器和所述升降装置，所述升降装置用于夹持和移动所述电芯。
8.如权利要求7所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述电芯体积测量装置包括多种不同规格的液体容器，根据所述电芯的尺寸选择其中一个液体容器安装在所述底座上。
9.如权利要求8所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述电芯体积测量装置还包括设置在所述底座上的第一支架和第二支架，分别用于安装所述升降装置和所述测距传感器，所述升降装置和所述测距传感器的安装高度可调，以与所述液体容器的规格相匹配。
10.如权利要求7所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述控制器与所述升降装置信号连接，用于控制所述升降装置的升降。
11.如权利要求7所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述电芯体积测量装置还包括调平装置，用于使所述电芯的外壳的上表面与所述液面平行。
12.如权利要求1至5中任一项所述的电芯体积测量装置，其特征在于，所述电芯体积测量装置还包括温控系统，用于控制所述液体的温度。
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