CN115425312A - 一种电池模组以及电池模组的膨胀监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电池模组以及电池模组的膨胀监测方法，其中所述电池模组包括电池组件、钢带环以及应力传感器，所述电池组件包括多个沿第一方向排布的电芯，所述钢带环包绕张紧于多个所述电芯的周侧，所述钢带环至少部分钢带段设置为弹性部，以提供预紧力，所述应力传感器设于所述钢带环上，以监测所述钢带环在所述弹性部以外的部分的应变拉力，以使所述电池模组在使用过程中的安全更能得到保障。

Description

一种电池模组以及电池模组的膨胀监测方法

技术领域

本发明涉及电池性能监测技术领域，特别涉及一种电池模组以及电池模组的膨胀监测方法。

背景技术

锂离子电池在充放电过程中，锂离子在电极活性材料中的嵌入和脱出、SEI膜的生长、电解液分解产气等将引起电池的膨胀收缩。在理想状态下，嵌入和脱出过程中材料的体积变化应该是可逆的。然而，在实际情况下，总是存在一部分锂离子由于电池平衡的变化而无法完全从阳极脱嵌，在循环过程中作为不溶性副产物沉积在阳极表面，并伴随着H2、CH4、C2H6、C3H8、CO等气体。这将引起电池发生不可逆膨胀，达到一定程度后可能造成严重后果，如：卷芯变形、电极材料浸润性变差、内阻增大、泄压阀开启等。因此，电池膨胀已成为锂离子电池应用中非常重要的外特性可监控属性，在不开启电池箱的前提下可对电池膨胀特征进行实时监控并实现安全预警。在电池整个生命周期里，膨胀力是不断增大的，对模组结构设计也有新的要求。

目前大多数模组设计均考虑到电芯膨胀对模组结构带来的影响，但对电芯整个生命周期内膨胀力无监控，无法了解电芯在不同老化阶段的膨胀变形情况，在实际应用中易造成模组结构损坏，从而引发安全风险。同时在储能系统的整个生命周期里，部分电芯因工艺或使用条件产生不一致现象，导致个别电芯异常变形，大大降低整个系统的容量和安全性。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种电池模组，旨在解决难以了解电芯在不同老化阶段的膨胀变形情况的问题。

为实现上述目的，本发明提出的电池模组，包括：

电池组件，包括多个沿第一方向排布的电芯；

钢带环，包绕张紧于多个所述电芯的周侧，所述钢带环至少部分钢带段设置为弹性部，以提供预紧力；以及，

应力传感器，设于所述钢带环上，以监测所述钢带环在所述弹性部以外的部分的应变。

可选地，沿第一方向，所述电池组件两端分别设有一个端板；

所述钢带环套设于两个所述端板上。

可选地，所述端板上设有限位槽，所述钢带环限位安装于所述限位槽内。

可选地，所述钢带环包括两个呈相对设置的两个第一钢带段，各所述第一钢带段包括两个对接臂，两个所述对接臂的一端相互连接，另一端并行设置，两个所述第一钢带段上相对应的两个连接臂之间设有弹性连接片，所述弹性部包括所述弹性连接片。

可选地，所述弹性连接片包括形变段和连接段，所述形变段向外弯曲设置，所述连接段设于所述形变段的两端，用以连接两个所述第一钢带段上相对应的两个连接臂。

可选地，所述电池组件还包括：

多个电极连接片，用以将多个所述电芯的正负极串联，以形成导通的所述电池组件；以及，

两个输出极连接片，设于处于端部的两个电芯的未被所述电极连接片连通的一个正极和一个负极，用以与外部用电设备电连接。

可选地，所述电池模组还包括电池底座，所述电池底座形成有安装槽，所述安装槽用以供所述电池组件安装。

本发明还提出一种电池模组的膨胀监测方法，包括所述电池模组，所述电池模组包括：

电池组件，包括多个沿第一方向排布的电芯；

钢带环，包绕张紧于多个所述电芯的周侧，所述钢带环至少部分钢带段设置为弹性部，以提供预紧力；以及，

应力传感器，设于所述钢带环上，以监测所述钢带环在所述弹性部以外的部分的应变。

所述电池模组的膨胀监测方法包括以下步骤：

获取单位时长上钢带的第一实际应变和第二实际应变；

根据所述第一实际应变和所述第二实际应变分别计算钢带的第一实际拉力和第二实际拉力；

根据所述第一实际拉力以及第一映射关系，确定电芯的第一实际膨胀力，根据所述第二实际拉力以及第一映射关系，确定电芯的第二实际膨胀力，其中，所述第一映射关系为钢带拉力与电芯膨胀力之间对应的关联关系；

选取所述第一实际膨胀力和所述第二实际膨胀力中的数值较大的一个为对象膨胀力，并计算所述第一实际膨胀力和所述第二实际膨胀力的差值，以确定电芯实际膨胀增长率；

根据所述对象膨胀力或所述电芯实际膨胀增长率，确定报警策略。

可选地，所述根据所述对象膨胀力或所述电芯实际膨胀增长率，确定报警策略的步骤，包括：

当所述对象膨胀力超过预设膨胀力时，确定为一级报警。

可选地，所述根据所述对象膨胀力或所述电芯实际膨胀增长率，确定报警策略的步骤，包括：

当所述电芯实际膨胀力增长率超过预设膨胀力增长率时，确定为异常报警。

本发明技术方案中，通过在电池组件的周侧套设钢带环，钢带环的部分环段设置的弹性部对所述电池组件施加预紧力，电池组件在使用过程中不断膨胀时，所述钢带环受到膨胀力进行拉伸，通过所述钢带环上设置的应力传感器来检测所述钢带环在所述电池组件膨胀时受到的拉力，并以此拉力通过公式推出所述电池组件的膨胀力变化，以实时监测所述电池组件的电芯在整个生命周期中的不同老化阶段的膨胀力变化情况，进而使所述电池模组在使用过程中的安全更能得到保障。

附图说明

为了更清楚地说明本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本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明电池模组的一实施例的结构示意图；

图2为图1中钢带环的结构示意图；

图3为图1中钢带环的另一视角的结构示意图；

图4为图2中钢带环的刚度曲线图；

图5为图1中钢带环拉力与电芯膨胀力的关系图；

图6为图1中电芯膨胀力与电芯容量衰减率的关系图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	电池模组	21	第一钢带段
1	电池组件	22	弹性连接片
				11	电芯	3	应变传感器
12	电极连接片	4	端板
				13	输出极连接片	41	限位槽
2	钢带环	5	电池底座

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

锂离子电池在充放电过程中，锂离子在电极活性材料中的嵌入和脱出、SEI膜的生长、电解液分解产气等将引起电池的膨胀收缩。在理想状态下，嵌入和脱出过程中材料的体积变化应该是可逆的。然而，在实际情况下，总是存在一部分锂离子由于电池平衡的变化而无法完全从阳极脱嵌，在循环过程中作为不溶性副产物沉积在阳极表面，并伴随着H2、CH4、C2H6、C3H8、CO等气体。这将引起电池发生不可逆膨胀，达到一定程度后可能造成严重后果，如：卷芯变形、电极材料浸润性变差、内阻增大、泄压阀开启等。因此，电池膨胀已成为锂离子电池应用中非常重要的外特性可监控属性，在不开启电池箱的前提下可对电池膨胀特征进行实时监控并实现安全预警。在电池整个生命周期里，膨胀力是不断增大的，对模组结构设计也有新的要求。

目前大多数模组设计均考虑到电芯膨胀对模组结构带来的影响，但对电芯整个生命周期内膨胀力无监控，无法了解电芯在不同老化阶段的膨胀变形情况，在实际应用中易造成模组结构损坏，从而引发安全风险。同时在储能系统的整个生命周期里，部分电芯因工艺或使用条件产生不一致现象，导致个别电芯异常变形，大大降低整个系统的容量和安全性。

为解决上述问题，本发明提出一种电池模组100，图1至图6为本发明的一个实施例。

在本发明实施例中(下文称本实施例)，该电池模组100如图1至图3所示，包括电池组件1、钢带环2以及应变传感器3，所述电池组件1包括多个沿第一方向排布的电芯11，所述钢带环2包绕张紧于多个所述电芯11的周侧，所述钢带环2至少部分钢带段设置为弹性部，以提供预紧力，所述应变传感器3设于所述钢带环2上，以监测所述钢带环2在所述弹性部以外的部分的应变。

本发明技术方案中，通过在电池组件1的周侧套设钢带环2，钢带环2的部分环段设置的弹性部对所述电池组件1施加预紧力，电池组件1在使用过程中不断膨胀时，所述钢带环2受到膨胀力进行拉伸，通过所述钢带环2上设置的应变传感器3来检测所述钢带环2在所述电池组件1膨胀时受到的拉力，并以此拉力通过公式推出所述电池组件1的膨胀力变化，以实时监测所述电池组件1的电芯11在整个生命周期中的不同老化阶段的膨胀力变化情况，进而使所述电池模组100在使用过程中的安全更能得到保障。

为保护所述电芯11的局部不被紧固于其上的钢带环2施加的压力损坏，沿第一方向上，所述电池组件1的两端分别设有一个端板4，所述钢带环2套设于两个所述端板4上，以使所述钢带环2施加的预紧力由所述端板4承接后均匀施加在所述电池组件1的两个端面上，防止电芯11被钢带环2套设的位置因长期受到较高的局部压力而造成损坏，提高了结构上的合理性。

为防止套设于所述端板4上的钢带环2发生移动，如图1所示，所述端板4上设有限位槽41，所述钢带环2限位安装于所述限位槽41内，以防止在长期的使用过程中，所述钢带环2收到所述电池组件1的膨胀力，使所述钢带环2发生移动，从而导致所述钢带环2发生滑落或应力检测数据产生较大的误差，一般而言，所述钢带环2的数量不做具体限制，但为了保证检测数据更具有可对照性，防止单个所述钢带环2的性能发生损坏的情况发生，一般设置多组钢带环2，而所述限位槽41设置的数量与所述钢带环2相同，以使每个所述钢带环2均能够得到限位，由于钢带环2本身具有一定的宽度纵向宽度尺寸，设置的数量过多反而会影响应力的检测数据，也增加了生产成本和外观上的舒适度，在本实施例中，所述钢带环2设置两个，所述限位槽41也对应设置两个，以在保障应力测量数据的稳定性的前提下，减少生产成本。

为使所述弹性片施加的预紧力更为合理，如图2和图3所示，所述钢带环2包括两个呈相对设置的两个第一钢带段21，各所述第一钢带段21包括两个对接臂，两个所述对接臂的一端相互连接，另一端并行设置，两个所述第一钢带段21上相对应的两个连接臂之间设有弹性连接片22，所述弹性部包括所述弹性连接片22，即所述弹性连接片22相对设置在所述钢带环2的中段，既能防止其中一端的所述第一钢带段21被过度拉伸，还能防止其中一侧相对的两个所述对接臂被过度拉伸，进而造成的预紧力施加不均匀，进而导致所述电池组件1局部受力的情况，进一步保障了应力数据监测的合理性。

为成功施加预紧力并使所述弹性连接片22得以牢固安装在所述钢带环2内，所述弹性连接片22包括形变段和连接段，所述形变段向外弯曲设置，以通过所述形变段的形变来实现预紧力的施加，所述连接段设于所述形变段的两端，用以连接两个所述第一钢带段21上相对应的两个连接臂，其中所述连接段与所述连接臂之间的连接方式可以有多种，但考虑到实际环境需要长时间受到较大的拉力作用，故所述连接段与所述连接臂之间通过焊接进行连接。

所述电池组件1还包括多个电极连接片12和两个输出极连接片13，多个所述电极连接片12用以将多个所述电芯11的正负极串联，并形成导通的所述电池组件1，两个所述输出极连接片13用以分别连接处于所述电池组件1端部的两个所述电芯11的未被所述电极连接片12连通的一个正极和一个负极，并用以与外部的用电设备电连接，对外部的用电设备进行供电。

为确定所述电池组件1的位置，所述电池模组100还包括电池底座5，所述电池底座5形成有安装槽，所述安装槽用以供所述电池组件1安装，以固定所述电池组件1的位置，防止在所述电池模组100的使用过程中，所述电池组件1发生在内部发生相对运动，产生非正常的损坏。

本发明还提出一种电池模组的膨胀监测方法，用于对所述电池模组的膨胀力进行检测，由于该电池模组的膨胀监测方法采用了上述所述实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，所述电池模组的膨胀监测方法包括以下步骤：

通过应力传感器获取单位时长上钢带的第一实际应变和第二实际应变并转换为应变数值ε，结合图4，通过公式σ＝E*ε，得出钢带的应力数据σ，其中，E为钢带材料的弹性模量；根据所述第一实际应变和所述第二实际应变通过公式Fa＝σ*A分别计算钢带的第一实际拉力和第二实际拉力，其中A为钢带的截面积；根据所述第一实际拉力以及第一映射关系，确定电芯的第一实际膨胀力，根据所述第二实际拉力以及第一映射关系，确定电芯的第二实际膨胀力f(N)＝f(Fa)，其中，所述第一映射关系为钢带拉力与电芯膨胀力之间对应的关联关系，如图5所示；选取所述第一实际膨胀力和所述第二实际膨胀力中的数值较大的一个为对象膨胀力，并计算所述第一实际膨胀力和所述第二实际膨胀力的差值，以确定电芯实际膨胀增长率，根据所述对象膨胀力或所述电芯实际膨胀增长率，确定报警策略。

所述对象膨胀力结合图6，判断所述电芯的容量衰减率变化情况，进而确定电芯的老化情况，当所述对象膨胀力超过预设的膨胀力数值时，可知电芯的老化过于严重，此时确定为电芯老化报警，以避免老化过度的电芯持续使用而带来的安全隐患，并且通过对多个电池模组的膨胀力数据的统计和对照，可以判定系统内电芯的一致性差异以及发展趋势，并进一步筛选出不良的电芯或模组。

所述电芯的实际膨胀力增长率超过预设膨胀力增长率时，确定为电芯异常报警，并根据环境中的温度、电压等的情况不同，预设膨胀力增长率也不同，当实际膨胀力增长率过大时，表示电芯突然发生膨胀，若膨胀的速率过快即超过了预设膨胀力增长率，即说明电芯发生了失控或非正常损坏，此时进行电芯异常报警，以便于及时对发生损坏的电芯进行更换以及及时采取后续的安全措施。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池模组，其特征在于，包括：

电池组件，包括多个沿第一方向排布的电芯；

钢带环，包绕张紧于多个所述电芯的周侧，所述钢带环至少部分钢带段设置为弹性部，以提供预紧力；以及，

应力传感器，设于所述钢带环上，以监测所述钢带环应变的拉力。

2.如权利要求1所述的电池模组，其特征在于，沿第一方向，所述电池组件两端分别设有一个端板；

所述钢带环套设于两个所述端板上。

3.如权利要求2所述的电池模组，其特征在于，所述端板上设有限位槽，所述钢带环限位安装于所述限位槽内。

4.如权利要求1所述的电池模组，其特征在于，所述钢带环包括两个呈相对设置的两个第一钢带段，各所述第一钢带段包括两个对接臂，两个所述对接臂的一端相互连接，另一端并行设置，两个所述第一钢带段上相对应的两个连接臂之间设有弹性连接片，所述弹性部包括所述弹性连接片。

5.如权利要求4所述的电池模组，其特征在于，所述弹性连接片包括形变段和连接段，所述形变段向外弯曲设置，所述连接段设于所述形变段的两端，用以连接两个所述第一钢带段上相对应的两个连接臂。

6.如权利要求1所述的电池模组，其特征在于，所述电池组件还包括：

多个电极连接片，用以将多个所述电芯的正负极串联，以形成导通的所述电池组件；以及，

两个输出极连接片，设于处于端部的两个电芯的未被所述电极连接片连通的一个正极和一个负极，用以与外部用电设备电连接。

7.如权利要求1所述的电池模组，其特征在于，所述电池模组还包括电池底座，所述电池底座形成有安装槽，所述安装槽用以供所述电池组件安装。

8.一种基于权利要求1至7任意一项所述的电池模组的膨胀监测方法，其特征在于，所述电池模组的膨胀监测方法包括以下步骤：

获取实时钢带的第一实际应变和第二实际应变；

根据所述第一实际应变和所述第二实际应变分别计算钢带的第一实际拉力和第二实际拉力；

根据所述第一实际拉力以及第一映射关系，确定电芯的第一实际膨胀力，根据所述第二实际拉力以及第一映射关系，确定电芯的第二实际膨胀力，其中，所述第一映射关系为钢带拉力与电芯膨胀力之间对应的关联关系；

选取所述第一实际膨胀力和所述第二实际膨胀力中的数值较大的一个为对象膨胀力，并计算所述第一实际膨胀力和所述第二实际膨胀力的差值，以确定电芯实际膨胀增长率；

根据所述对象膨胀力或所述电芯实际膨胀增长率，确定报警策略。

9.如权利要求8所述的电池模组的膨胀监测方法，其特征在于，所述根据所述对象膨胀力或所述电芯实际膨胀增长率，确定报警策略的步骤，包括：

当所述对象膨胀力超过预设膨胀力时，确定为一级报警。

10.如权利要求8所述的电池模组的膨胀监测方法，其特征在于，所述根据所述对象膨胀力或所述电芯实际膨胀增长率，确定报警策略的步骤，包括：

当所述电芯实际膨胀力增长率超过预设膨胀力增长率时，确定为异常报警。

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