CN114544056A - 一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置及方法，包括夹具机构，用于装载锂电池并提供模拟条件；压力调节机构，用于调节初始压力设定值，位于夹具机构上侧，与夹具机构固定连接；可以模拟单体电池在模组中进行充放电的场景，固定间距进行充放电的情况下电池所受压力的变化，以及模组各部分组件的受力变化，并且能够根据测试需要给电池施加一个压力初始值，其能够获得在一定压力下由于充放电循环引起的锂离子电池膨胀压力应力数据，为优化动力电池在模组装配时用多大力约束，从而为改善模组性能和寿命提供数据支撑；通过比较不同体系不同材料的电池的膨胀力数据的不同点，为电池材料的筛选和体系的选择提供有力证据。

Description

一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电池技术领域，尤其涉及一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置及方法。

背景技术

锂离子电池实际上是Li+的浓差电池。充电时，Li+自正极材料的晶格中脱出，通过电解液迁移到负极，嵌入至负极材料的层状结构(或晶格)中或者是形成合金；放电时，Li+的迁移方向相反，俗称锂离子的脱嵌。由于Li+在正负极材料中嵌入和脱出引起的晶胞体积膨胀不一致，所以锂离子电池的工作过程伴随着电极材料体积的变化，表现为极片的厚度变化。此外，动力电池循环使用过程中会逐渐老化，产生气体导致电池膨胀。因此，出于电池安全、可靠性和寿命考虑，动力电池在模组装配时都要进行固定约束。模组装配时用多大的力约束极具研究价值，因为约束的好坏直接关系到电池的性能和寿命。而且每种化学体系材料体系的锂离子脱嵌行为在每个反应区间表现不尽相同，这些细节可以直观的反应在膨胀力的差异之中，准确测量电池膨胀力的变化对于材料的筛选和体系的选择亦具有指导作用。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种用于测量锂离子电池膨胀应力的测试系统和方法”，其公告号CN201911325478.0，包括锂离子电池夹具、数据采集仪和计算机，锂离子电池夹具包括：定位螺栓，其用于定位电池；上端板和下端板，在其之间容纳电池；压力传感器，应用定位螺栓固定上端板和下端板，长时间测试螺栓容易松弛，使得外力压力环境发生变化，不能反映电池真实的膨胀力情况；压力传感器直接至于电池上方，覆盖锂离子电池大部分区域，而不是全部区域，并且并未说明压力传感器与电池接触面是否平整，使得电池会因为压力传感器的接触而受力不均匀，从而影响电池反应过程中锂离子的脱嵌分布，改变电池性能；在悬紧螺栓的过程中压力传感器的应变信号基本不变，不能设置指定的初始压力，模拟电池在模组中所处的多种压力环境，压力数据与充放电数据分开采集，采集不同步，不便于数据分析。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置及方法，可以模拟单体电池在模组中进行充放电的场景，固定间距进行充放电的情况下电池所受压力的变化，以及模组各部分组件的受力变化，并且能够根据测试需要给电池施加一个压力初始值，其能够获得在一定压力下由于充放电循环引起的锂离子电池膨胀压力应力数据，为优化动力电池在模组装配时用多大力约束，从而改善电池性能和寿命提供支撑。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，包括：

夹具机构，用于装载锂电池并提供模拟条件；

压力调节机构，用于调节初始压力设定值，位于夹具机构上侧，与夹具机构固定连接。

作为优选，夹具机构包括第三隔板，第三隔板下表面可根据需求决定是否添加泡棉，第三隔板下方设置有螺栓连接的第四挡板，第四挡板上表面同样可根据需求决定是否添加泡棉。与电池直接接触的是有平整度要求的上下挡板，可以保证全面覆盖电池并且电池受力均匀，不会影响锂离子在反应过程中的脱嵌分布，更能真实的反应电池性能。

作为优选，夹具机构还包括位于第三隔板前侧固定连接的位移传感器，位移传感器用于检测位移变化，位移传感器与计算机相连。时刻监测上下夹板之间的距离，上下夹板是否移动，上下夹板距离无移动的情况下压力传感器的传出的信号才能反应电池膨胀力的真实情况。

作为优选，压力调节机构包括开口向上的齿轮盒，齿轮盒上设有固定连接的齿轮盒上板，位于齿轮盒内转动连接设有大齿轮，大齿轮上侧设有固定连接的旋转扳手，旋转扳手穿过齿轮盒上板延伸至齿轮盒外，位于齿轮盒内与大齿轮啮合的对称布置有两个小齿轮，小齿轮下侧设有固定连接的螺杆，螺杆贯穿齿轮盒下端壁延伸至齿轮盒下方。通过齿轮传动控制夹板上下移动，并在指定位置固定，禁止上下夹板移动。泛用性强，可根据软包电池的实际尺寸调整上下夹板尺寸。

作为优选，压力调节机构还包括位于齿轮盒下方的第一隔板，第一隔板下端面的四个角处设有固定连接的导柱，导柱下侧末端固定连接有第二隔板，螺杆贯穿第一隔板向下延伸至与第二隔板上端面抵接，第二隔板下端面上固定连接设有压力传感器，压力传感器与夹具机构相抵接。模拟电池在模组中所处多种压力环境，为模组装配等提供有力证据

作为优选，夹具机构左右两侧设有固定连接的极耳保护夹。

一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试方法，包括如下步骤：

S1、将待测电芯放于夹紧机构，模拟模组内环境。为模组装配提供更可靠数据；

S2、设定预定外力值并对电池进行充放电开始测试。使得电池更接近使用情况，结果更可靠；

S3、采集电压电流数据与传感器数据，进行膨胀力判断。将压力数据，位移数据和充放电数据集成在一起，同步采集，直接生成整体数据，便于数据分析；

作为优选，S3中，实时压力值减去预定外力值即为电池本身产生的膨胀力。

作为优选，S1包括使用泡棉模拟模组环境。

作为优选，S1中通过极耳保护夹保护极耳，避免极耳损坏，提前终止寿命，未达到测试目的。

作为优选，S1可置于环境仓中，给装置提供设定温度。

本发明的实施方式具有如下优点：

（1）通过齿轮传动控制夹板上下移动，并在指定位置固定，禁止上下夹板移动，而且装有位移传感器，时刻监测上下夹板之间的距离，上下夹板是否移动，上下夹板距离无移动的情况下压力传感器的传出的信号才能反应电池膨胀力的真实情况；（2）与电池直接接触的是有平整度要求的上下夹板，可以保证全面覆盖电池并且电池受力均匀，不会影响锂离子在反应过程中的脱嵌分布，更能真实的反应电池性能，而压力传感器至于上夹板与传动装置之间，也可以反应电池的受力情况；（3）可以通过齿轮传动给电池施加指定值的初始压力，模拟电池在模组中所处多种压力环境，为模组装配等提供有力证据；（4）可用于材料评估和体系选择，通过比较不同材料和体系膨胀力表现得不同点，为材料评估和体系选择提供有力证据；（5）泛用性强，可根据软包电池的实际尺寸调整上下夹板尺寸；（6）具有极耳保护措施，防止电池因极耳损坏，提前终止寿命，未达到测试目的；（7）将压力数据，位移数据和充放电数据集成在一起，同步采集，直接生成整体数据，便于数据分析。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达到的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1是本发明的正视结构示意图。

图2是本发明的装置爆炸图。

图3是本发明的压力变化vs电压变化图。

图4是本发明的电池上下夹板距离变化vs电压变化图。

图中：

1-旋转扳手；2-齿轮盒上板；3-小齿轮；4-大齿轮；5-齿轮盒；6-第一隔板；7-螺杆；8-导柱；9-第二隔板；10-压力传感器；11-位移传感器；12-第三隔板；13-电芯样品；14-泡棉；15-极耳保护夹；16-第四挡板。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的认识可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图 1-2所示，在一个实施例中，一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，包括：

夹具机构，用于装载锂电池并提供模拟条件；

压力调节机构，用于调节初始压力设定值，位于夹具机构上侧，与夹具机构固定连接。

夹具机构包括第三隔板，第三隔板下表面可根据需求决定是否添加泡棉，第三隔板下方设置有螺栓连接的第四挡板，第四挡板上表面同样可根据需求决定是否添加泡棉。与电池直接接触的是有平整度要求的上下挡板，可以保证全面覆盖电池并且电池受力均匀，不会影响锂离子在反应过程中的脱嵌分布，更能真实的反应电池性能。

夹具机构还包括位于第三隔板前侧固定连接的位移传感器，位移传感器用于检测位移变化，位移传感器与计算机相连。时刻监测上下夹板之间的距离，上下夹板是否移动，上下夹板距离无移动的情况下压力传感器的传出的信号才能反应电池膨胀力的真实情况。

压力调节机构包括开口向上的齿轮盒，齿轮盒上设有固定连接的齿轮盒上板，位于齿轮盒内转动连接设有大齿轮，大齿轮上侧设有固定连接的旋转扳手，旋转扳手穿过齿轮盒上板延伸至齿轮盒外，位于齿轮盒内与大齿轮啮合的对称布置有两个小齿轮，小齿轮下侧设有固定连接的螺杆，螺杆贯穿齿轮盒下端壁延伸至齿轮盒下方。通过齿轮传动控制夹板上下移动，并在指定位置固定，禁止上下夹板移动。泛用性强，可根据软包电池的实际尺寸调整上下夹板尺寸。

压力调节机构还包括位于齿轮盒下方的第一隔板，第一隔板下端面的四个角处设有固定连接的导柱，导柱下侧末端固定连接有第二隔板，螺杆贯穿第一隔板向下延伸至与第二隔板上端面抵接，第二隔板下端面上固定连接设有压力传感器，压力传感器与夹具机构相抵接。模拟电池在模组中所处多种压力环境，为模组装配等提供有力证据

夹具机构左右两侧设有固定连接的极耳保护夹。

一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试方法，包括如下步骤：

S1、将待测电芯放于夹紧机构，模拟模组内环境；

S2、设定预定外力值并对电池进行充放电开始测试；

S3、采集电压电流数据与传感器数据，进行膨胀力判断。

S3中，实时压力值减去预定外力值即为电池本身产生的膨胀力。

S1包括使用泡棉模拟模组环境。

S1中通过极耳保护夹保护极耳，避免极耳损坏，提前终止寿命，未达到测试目的。

S1可置于环境仓中，给装置提供设定温度。

在另一个实施例中，通过螺栓固定等方式将各部分组装在一起，完成后，通过旋转扳手可实现装置上下打开，第三档板与第四挡板之间放置测试电芯，使用锂离子软包单体动力电池为电芯，电化学体系为NCM 721，额定容量为78Ah.操作如下步骤：将装置至于环境仓中；提供环境温度；逆时针向上转动旋转扳手，使装置上下打开，第三档板与第四挡板的间隙足以安装待测电芯；打开第四挡板两侧极耳保护装置；将电芯放入第三档板与第四挡板之间，关闭极耳保护装置，使电芯极耳贴紧极耳保护装置；顺时针向下转动旋转扳手，使第三档板板与电芯接触，继续向下转动，给电芯施加一个外力，模拟模组内环境，直至压力传感器传出的压力信号等于预定外力值，本实验初始压力为350kg；检查位移传感器信号传输是否正常，该信号反应第三档板与第四挡板的初始距离；将充放电设备的正负极电流电压线通过极耳保护装置与电芯极耳相连；将装置置于环境仓内，关闭环境仓门，设定预定温度；开启充放电器，给电池进行充放电，充放电倍率为0.333C，电压范围为3.0-4.2V；在计算机集成软件上检查充放电器电压电流信号及压力传感器和位移传感器的信号是否正常传输及采集。

截取一部分数据，如图3及图4，即为电池在充放电过程中受力变化和夹板间隙变化关系，由图3可知，压力随电压的变化而变化，显示出周期性的规律，实时压力值减去初始压力350kg即为电池本身产生的膨胀力。由图4可知，电池上下夹板距离虽然也有变化，但是幅度在0.01mm 之内，非常小，可忽略不计，可以认为电池上下板间距保持不变。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，其特征在于，包括：

夹具机构，用于装载锂电池并提供模拟条件；

压力调节机构，用于调节初始压力设定值，位于夹具机构上侧，与夹具机构固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，其特征在于，所述夹具机构包括第三隔板，所述第三隔板下表面上设有固定连接的泡棉，所述第三隔板下方设置有螺栓连接的第四挡板，所述第四挡板上表面同样设置有固定连接的泡棉。

3.根据权利要求2所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试设置，其特征在于，所述夹具机构还包括位于所述第三隔板前侧固定连接的位移传感器，所述位移传感器用于检测位移变化，所述位移传感器与计算机相连。

4.根据权利要求1所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，其特征在于，所述压力调节机构包括开口向上的齿轮盒，所述齿轮盒上设有固定连接的齿轮盒上板，位于所述齿轮盒内转动连接设有大齿轮，所述大齿轮上侧设有固定连接的旋转扳手，所述旋转扳手穿过齿轮盒上板延伸至齿轮盒外，位于所述齿轮盒内与所述大齿轮啮合的对称布置有两个小齿轮，所述小齿轮下侧设有固定连接的螺杆，所述螺杆贯穿所述齿轮盒下端壁延伸至齿轮盒下方。

5.根据权利要求4所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，其特征在于，所述压力调节机构还包括位于齿轮盒下方的第一隔板，所述第一隔板下端面的四个角处设有固定连接的导柱，所述导柱下侧末端固定连接有第二隔板，所述螺杆贯穿所述第一隔板向下延伸至与第二隔板上端面抵接，所述第二隔板下端面上固定连接设有压力传感器，所述压力传感器与夹具机构相抵接。

6.根据权利要求1所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，其特征在于，所述夹具机构左右两侧设有固定连接的极耳保护夹。

7.一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试方法，适用于如权利要求1至6所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试装置，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将待测电芯放于夹紧机构，模拟模组内环境；

S2、设定预定外力值并对电池进行充放电开始测试；

S3、采集电压电流数据与传感器数据，进行膨胀力判断。

8.根据权利要求7所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试方法，其特征在于，所述S3中，实时压力值减去预定外力值即为电池本身产生的膨胀力。

9.根据权利要求7所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试方法，其特征在于，所述S1包括使用泡棉模拟模组环境，通过极耳保护夹保护极耳，关闭装置设定预定温度。

10.根据权利要求7所述的一种改进的监测锂离子软包电池膨胀力的测试方法，其特征在于，所述S1，可将装置置于环境仓中，给装置提供设定温度。

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