CN115219549B - 一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法，该方法由测试方法和评估方法构成；所述测试方法用于获得电池充放电过程某个时刻的电池壳体厚度值以及壳体内部气压值；所述评估方法基于数值计算进行，依次包括三维图绘制和网格划分、建立接触关系、设置约束和内部气压值、设置基准温度和各零件温度、在前一步骤的基础上提高内芯的温度设置值、进行数值计算、读取计算得到的壳体厚度值并结束数值计算以及内芯膨胀量等步骤。本发明将测试和计算相结合，在不破坏电池结构且不干扰电池正常测试过程的情况下准确获得内芯膨胀率，具有科学合理、简单方便、成本低廉、适用性广且精度高的优点。

Description

一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法

技术领域

本发明涉及锂离子电池领域，特别涉及一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法。

背景技术

作为一种化学储能器件，锂离子电池大量用于国民经济各个部门和居民生活领域，其中方壳是锂离子电池最为常见的封装形式之一。锂离子电池使用过程经常出现壳体膨胀现象，其膨胀主要源于内部正负极片和隔膜构成的芯体膨胀以及电解液分解产气构成的气压膨胀这两个方面，且上述两个方面的因素一般同时存在并共同作用导致壳体膨胀。在公知的技术方案中，对于气压膨胀，可通过在壳体内部放置气压传感器来测得气压值；而对于内芯膨胀，目前则没有简单高效的直接测量手段。因此，有必要发展新的技术手段，在锂离子电池使用过程中排除气压膨胀因素来准确获得内芯膨胀情况，从而更好地掌握电池内部的内芯变化行为，优化电池的设计和工艺参数。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法，该方法将测试和计算相结合，在不破坏电池结构且不干扰电池正常测试过程的情况下准确获得内芯膨胀率，具有科学合理、简单方便、成本低廉、适用性广且精度高的优点。

本发明的技术方案是：一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法，其特征在于，所述方形壳体锂离子电池由内芯、与内芯电性连接的极耳、用于封装内芯和极耳的方形壳体以及位于壳体外部且与极耳电性连接的极柱组成，所述壳体内部的极耳附近的空间存在内部空隙，所述极柱与壳体中至少一个面机械连接且极柱与壳体之间绝缘，所述壳体中至少存在两个互相平行的面且这两个面均不与极柱机械连接；所述测试评估方法由测试方法和评估方法构成；

所述测试方法为：

将电池的极柱与充放电设备同时构成电性连接和机械连接且使电池其他部位悬空，将压力传感器置于壳体内部的空隙位置用于采集壳体内部气压值，在测试所需的环境条件下对电池进行充放电测试，充放电测试过程根据需要在某个时刻测量和记录电池壳体厚度值以及壳体内部气压值；所述壳体厚度值为测试前原始壳体中互相平行的两个面在测试过程测量时刻的最大距离值，这两个面为壳体中所有不与极柱机械连接的面中面积值最大的两个面；

基于测试过程得到的壳体厚度值和壳体内部气压值，借助数值计算途径进行内芯膨胀率的评估，所述评估方法为依次进行的以下步骤：

步骤S1、绘制由内芯、极耳、壳体以及极柱这四部分零件构成的电池三维结构图，对三维结构图中的以上四部分零件分别赋予各自的材料属性并划分有限元分析网格，所述材料属性包括密度、弹性模量、泊松比和热膨胀系数，其中所有零件的热膨胀系数为假想值且均设置为f，其中热膨胀系数f处于0.001至0.01之间；

步骤S2、建立各部分零件之间的接触关系，其中，壳体内表面与内芯外表面之间的接触面为不分离接触对关系，内芯与极耳、极耳与壳体以及极柱与壳体之间的接触面均为绑定接触对关系；

步骤S3、设置极柱为固定约束，设置壳体内表面的压强值为测试过程得到的内部气压值；

步骤S4、设置数值计算模型的初始基准温度为20℃，设置内芯、极耳、壳体以及极柱这四部分零件的温度均为20℃；

步骤S5、将内芯的温度设置值在原设置值的基础上增加Δt，其中Δt处于0.5℃至2℃之间；

步骤S6、进行数值计算；

步骤S7、从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值，并与测试过程得到的壳体厚度值比较，若二者相对偏差小于相对偏差阈值e，则结束数值计算；否则返回步骤S5；其中相对偏差阈值e处于1％至10％之间，所述计算得到的壳体厚度值为以测试过程用于厚度测量的两个面为对象，经数值计算获得壳体膨胀情况后所读取的这两个面之间最大距离值；

步骤S8、按下式计算并获得内芯膨胀率k：

k＝(T-20)f (1)

式中，T为数值计算结束时内芯的温度设置值，单位为℃；f为步骤S1中设置的热膨胀系数值。

上述步骤S7中壳体厚度值与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差，为计算得到的壳体厚度值与测试过程得到的壳体厚度值二者之差的绝对值再除以测试过程得到的壳体厚度值。

本发明的有益效果在于：本发明将实验测量和数值计算两方面的手段充分结合，在排除壳体内部气压干扰的情况下评估获得内芯膨胀量，对电池结构无任何破坏和限制，对电池正常充放电行为不产生干扰，且具有科学合理、简单方便、成本低廉、适用性广且精度高的优点。其中，实验测量方面，只需要将极柱与充放电测试设备连接并在所需时刻测量得到壳体厚度和内部气压值，所需测试仪器仅包括压力传感器和壳体测厚所需仪器，而不需要额外的、可能影响电池正常行为的工装夹具对壳体进行约束和束缚。数值计算方面，针对壳体变形由内部气压和内芯膨胀这两方面共同导致这一特点，模拟真实测试情况，使用传感器直接测量值作为内部产气的压强载荷。而对未知的内芯膨胀量，将其近似等效为温度引起的热膨胀：对内芯单独设置逐次增加的温度进行一系列计算，每次计算中内芯的膨胀率也随之不断增加，相应地计算得到的壳体厚度也不断增加，亦即内芯温度设置值、内芯膨胀率和壳体厚度计算值这三者是一一对应关系；只有当内芯温度值处于某个合理取值时，内芯的膨胀率才等于真实情况，才能使得计算得到的壳体厚度值等于测量得到的壳体厚度值，由此确定内芯温度，并由该内芯温度值、初始基准温度和假想的热膨胀系数三者计算获得内芯膨胀率。这种计算方法科学合理，精度高但成本低，操作方便，实现了内芯膨胀率的软测量。

附图说明

图1为本发明实施例中方形壳体锂离子电池及其内部压力传感器的结构示意图，图中1为壳体；2为极柱，其中21为正极柱，22为负极柱；3为极芯；4为极耳，其中41为正极耳，42为负极耳；5为壳体内部的极耳附近的空间存在的内部空隙，6为压力传感器。

图2为本发明实施例中方形壳体锂离子电池壳体厚度测量示意图，图中1为壳体，2为极柱，7为第一平板，8为第二平板。

图3为本发明实施例中，方形壳体锂离子电池内芯膨胀率原位测试评估方法的评估部分的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法，如图1所示，所述方形壳体锂离子电池由内芯、与内芯电性连接的极耳、用于封装内芯和极耳的方形壳体以及位于壳体外部且与极耳电性连接的极柱组成，所述壳体内部的极耳附近的空间存在内部空隙，所述极柱与壳体中至少一个面机械连接且极柱与壳体之间绝缘，所述壳体中至少存在两个互相平行的面且这两个面均不与极柱机械连接。

具体地，压力传感器6可通过无线或有线通讯的方式向测试人员传输测量结果，若压力传感器6通过有线通讯的方式传输信号，则其通讯线缆从外部穿过壳体1再与压力传感器6相连，同时其线缆和壳体1之间接触面通过填料填充、胶水或热熔的方式予以密封。

所述测试评估方法由测试方法和评估方法构成；

所述测试方法为：

将电池的极柱与充放电设备同时构成电性连接和机械连接且使电池其他部位悬空，将压力传感器置于壳体内部的空隙位置用于采集壳体内部气压值，在测试所需的环境条件下对电池进行充放电测试，充放电测试过程根据需要在某个时刻测量和记录电池壳体厚度值以及壳体内部气压值；所述壳体厚度值为测试前原始壳体中互相平行的两个面在测试过程测量时刻的最大距离值，这两个面为壳体中所有不与极柱机械连接的面中面积值最大的两个面；

具体地，如图2所示，测量壳体厚度时，分别使用第一平板7和第二平板8夹住电池壳体1待测的两个面并保持第一平板7、第二平板8和电池均水平放置，再使用测量尺具测量第一平板7和第二平板8之间的间距即为壳体1的厚度。

基于测试过程得到的壳体厚度值和壳体内部气压值，借助数值计算途径进行内芯膨胀率的评估，如图3所示，所述评估方法为依次进行的以下步骤：

步骤S1、绘制由内芯、极耳、壳体以及极柱这四部分零件构成的电池三维结构图，对三维结构图中的以上四部分零件分别赋予各自的材料属性并划分有限元分析网格，所述材料属性包括密度、弹性模量、泊松比和热膨胀系数，其中所有零件的热膨胀系数为假想值且均设置为f，其中热膨胀系数f处于0.001至0.01之间；

步骤S2、建立各部分零件之间的接触关系，其中，壳体内表面与内芯外表面之间的接触面为不分离接触对关系，内芯与极耳、极耳与壳体以及极柱与壳体之间的接触面均为绑定接触对关系；

步骤S3、设置极柱为固定约束，设置壳体内表面的压强值为测试过程得到的内部气压值；

步骤S4、设置数值计算模型的初始基准温度为20℃，设置内芯、极耳、壳体以及极柱这四部分零件的温度均为20℃；

步骤S5、将内芯的温度设置值在原设置值的基础上增加Δt，其中Δt处于0.5℃至2℃之间；

步骤S6、进行数值计算；

步骤S7、从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值，并与测试过程得到的壳体厚度值比较，若二者相对偏差小于相对偏差阈值e，则结束数值计算；否则返回步骤S5；其中相对偏差阈值e处于1％至10％之间，所述计算得到的壳体厚度值为以测试过程用于厚度测量的两个面为对象，经数值计算获得壳体膨胀情况后所读取的这两个面之间最大距离值；

步骤S8、按下式计算并获得内芯膨胀率k：

k＝(T-20)f (1)

式中，T为数值计算结束时内芯的温度设置值，单位为℃；f为步骤S1中设置的热膨胀系数值。

上述步骤S7中壳体厚度值与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差，为计算得到的壳体厚度值与测试过程得到的壳体厚度值二者之差的绝对值再除以测试过程得到的壳体厚度值。

实施例

某额定容量8Ah的磷酸铁锂叠片式方形铝壳锂离子电池，壳体总体尺寸为长123mm、宽80mm、厚17mm，壳体自身厚度为0.5mm。电池从壳体的一个面上出电，该面的尺寸为80mm×17mm，该面上设有一个正极柱和一个负极柱。

测试过程，将电池置于55℃恒温箱内进行充放电循环测试，测试设置为先以1C倍率恒流充电至3.65V，然后搁置1小时，再以0.5C倍率恒流放电至2.5V，最后搁置1小时，由此循环进行。按以上方式充放电循环100次后，测量得到壳体厚度为23.50毫米，壳体内部气压值为15kPa(表压值)。其中，所述壳体厚度值为测试前原始壳体中互相平行的两个面在测试过程测量时刻的最大距离值，这两个面为壳体中所有不与极柱机械连接的面中面积值最大的两个面，即本实施例中这两个面的尺寸均为123mm×80mm。

借助数值计算的评估过程中，所有零件的热膨胀系数为假想值且均设置为f＝0.01，设置极柱为固定约束，设置壳体所有内表面的压强值为测试过程得到的内部气压值15kPa。

设置数值计算模型的初始基准温度为20℃，设置内芯、极耳、壳体以及极柱这四部分零件的温度均为20℃。

本实施例中取相对偏差阈值e＝2％。

第一次数值计算，将内芯的温度设置值在原设置值即20℃的基础上增加Δt＝1℃变成21℃，然后进行数值计算，从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值为22.42mm，其与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差＝|22.42-23.50|/23.50＝4.6％>2％。

因此，将内芯的温度设置值在原设置值即21℃的基础上增加Δt＝1℃变成22℃，然后进行数值计算即第二次数值计算，从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值为22.58mm，其与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差＝|22.58-23.50|/23.50＝3.9％>2％。

因此，将内芯的温度设置值在原设置值即22℃的基础上增加Δt＝1℃变成23℃，然后进行数值计算即第三次数值计算，从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值为22.72mm，其与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差＝|22.72-23.50|/23.50＝3.3％>2％。

因此，将内芯的温度设置值在原设置值即23℃的基础上增加Δt＝1℃变成24℃，然后进行数值计算即第四次数值计算，从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值为22.90mm，其与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差＝|22.90-23.50|/23.50＝2.6％>2％。

因此，将内芯的温度设置值在原设置值即24℃的基础上增加Δt＝1℃变成25℃，然后进行数值计算即第五次数值计算，从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值为23.08mm，其与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差＝|23.08-23.50|/23.50＝1.8％<2％，故结束数值计算。

数值计算结束时内芯的温度设置值T＝25℃，则计算内芯膨胀率k＝(T-20)f＝(25-20)×0.01＝0.05。

需要指出的是，在本实施例介绍的基础上，可以在电池充放电测试过程中选取多个时刻点进行内芯膨胀率的测试评估，由此得到内芯膨胀率随循环次数的变化情况；还可以在此基础上进一步进行多次在线原位测试评估，分别细化获得某次循环中充电过程、放电过程、充电后搁置过程和放电后搁置过程内芯膨胀率随时间的变化情况。

本实施例提供的测试评估方法将实验测量和数值计算两方面的手段充分结合，在排除壳体内部气压干扰的情况下评估获得内芯膨胀量，对电池结构无任何破坏和限制，对电池正常充放电行为不产生干扰，且具有科学合理、简单方便、成本低廉、适用性广且精度高的优点。其中，实验测量方面，只需要将极柱与充放电测试设备连接并在所需时刻测量得到壳体厚度和内部气压值，所需测试仪器仅包括压力传感器和壳体测厚所需仪器，而不需要额外的、可能影响电池正常行为的工装夹具对壳体进行约束和束缚。数值计算方面，针对壳体变形由内部气压和内芯膨胀这两方面共同导致这一特点，模拟真实测试情况，使用传感器直接测量值作为内部产气的压强载荷。而对未知的内芯膨胀量，将其近似等效为温度引起的热膨胀：对内芯单独设置逐次增加的温度进行一系列计算，每次计算中内芯的膨胀率也随之不断增加，相应地计算得到的壳体厚度也不断增加，亦即内芯温度设置值、内芯膨胀率和壳体厚度计算值这三者是一一对应关系；只有当内芯温度值处于某个合理取值时，内芯的膨胀率才等于真实情况，才能使得计算得到的壳体厚度值等于测量得到的壳体厚度值，由此确定内芯温度，并由该内芯温度值、初始基准温度和假想的热膨胀系数三者计算获得内芯膨胀率。这种计算方法科学合理，精度高但成本低，操作方便，实现了内芯膨胀率的软测量。

Claims (2)

1.一种方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法，其特征在于，所述方形壳体锂离子电池由内芯、与内芯电性连接的极耳、用于封装内芯和极耳的方形壳体以及位于壳体外部且与极耳电性连接的极柱组成，所述壳体内部的极耳附近的空间存在内部空隙，所述极柱与壳体中至少一个面机械连接且极柱与壳体之间绝缘，所述壳体中至少存在两个互相平行的面且这两个面均不与极柱机械连接；所述测试评估方法由测试方法和评估方法构成；

所述测试方法为：

将电池的极柱与充放电设备同时构成电性连接和机械连接且使电池其他部位悬空，将压力传感器置于壳体内部的空隙位置用于采集壳体内部气压值，在测试所需的环境条件下对电池进行充放电测试，充放电测试过程根据需要在某个时刻测量和记录电池壳体厚度值以及壳体内部气压值；所述壳体厚度值为测试前原始壳体中互相平行的两个面在测试过程测量时刻的最大距离值，这两个面为壳体中所有不与极柱机械连接的面中面积值最大的两个面；

基于测试过程得到的壳体厚度值和壳体内部气压值，借助数值计算途径进行内芯膨胀率的评估，所述评估方法为依次进行的以下步骤：

步骤S1、绘制由内芯、极耳、壳体以及极柱这四部分零件构成的电池三维结构图，对三维结构图中的以上四部分零件分别赋予各自的材料属性并划分有限元分析网格，所述材料属性包括密度、弹性模量、泊松比和热膨胀系数，其中所有零件的热膨胀系数为假想值且均设置为f，其中热膨胀系数f处于0.001至0.01之间；

步骤S2、建立各部分零件之间的接触关系，其中，壳体内表面与内芯外表面之间的接触面为不分离接触对关系，内芯与极耳、极耳与壳体以及极柱与壳体之间的接触面均为绑定接触对关系；

步骤S3、设置极柱为固定约束，设置壳体内表面的压强值为测试过程得到的内部气压值；

步骤S4、设置数值计算模型的初始基准温度为20℃，设置内芯、极耳、壳体以及极柱这四部分零件的温度均为20℃；

步骤S5、将内芯的温度设置值在原设置值的基础上增加Δt，其中Δt处于0.5℃至2℃之间；

步骤S6、进行数值计算；

步骤S7、从数值计算结果中读取计算得到的壳体厚度值，并与测试过程得到的壳体厚度值比较，若二者相对偏差小于相对偏差阈值e，则结束数值计算；否则返回步骤S5；其中相对偏差阈值e处于1％至10％之间，所述计算得到的壳体厚度值为以测试过程用于厚度测量的两个面为对象，经数值计算获得壳体膨胀情况后所读取的这两个面之间最大距离值；

步骤S8、按下式计算并获得内芯膨胀率k：

k＝(T-20)f (1)

式中，T为数值计算结束时内芯的温度设置值，单位为℃；f为步骤S1中设置的热膨胀系数值。

2.权利要求1所述方形壳体锂离子电池内芯膨胀率的原位测试评估方法，其特征在于，所述步骤S7中计算得到的壳体厚度值与测试过程得到的壳体厚度值的相对偏差，为计算得到的壳体厚度值与测试过程得到的壳体厚度值二者之差的绝对值再除以测试过程得到的壳体厚度值。