CN116222492A - 锂离子电池膨胀测量组件、系统以及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属锂电池测试领域，具体涉及一种锂离子电池膨胀测量组件、系统以及测试方法。锂离子电池膨胀测量组件包括下基座、设置在下基座上的锂电池、上基座、以及设置在所述的上基座的气囊工装；本发明提供的锂离子电池膨胀测量组件及系统，能够根据不同实验需求精准提供恒温恒压载荷，同时采用气囊工装为锂电池施加均布载荷，进而消除由锂电池表面不平整带来的测量误差，提高测量精度并得预定温度、压力条件下的锂电池体积膨胀的演化过程。
Description
技术领域
本发明属锂电池测试领域，具体涉及一种锂离子电池膨胀测量组件、系统以及测试方法。
背景技术
由于在充放电过程中锂离子电池自身存在着不可避免的体积变形现象，该现象在有限的外部空间约束下，体积变形问题转化为电池膨胀对外部结构的作用力，同时外部结构体的反作用力进一步影响电池本身结构，进而影响电化学反应进程，起到或促进、或抑制的影响。因此迫切需要掌握锂离子电池的体积变形规律，为锂离子电池本身以及外部结构设计提供可靠的理论与实验支撑。
同时由于锂离子电池本身的体积变形、电池结构设计、工艺制造等问题最终导致电池厚度不均匀，这种不均一的厚度在使用常规夹具时，直接影响电池厚度测量的精度；而且常规夹具会导致电池受力不均匀，进一步影响电池性能。
常用于锂离子电池体积变形的实验测试方法主要包括两个方向：
(1)直接法，通过位移计等位移测量传感器直接测量锂离子电池的厚度变化，或通过压力装置施加一定预压力后测试电池厚度变化，中国专利CN209470684U“动力电池测厚装置”便采用该方法，但是该装置未考虑电池温度以及电池表面不平整问题对厚度测量精度的影响；另中国专利CN216956292U“一种电池膨胀系数的测试工装”，采用弹簧施加伪恒压力状态，通过测量夹板位移计算电池膨胀系数。
(2)间接法，在恒位移状态下，通过测量夹板受到的压力代替位移测试，采用该思路的中国专利有CN216433334U“膨胀力测试工装夹具”，CN213956639U“一种电池膨胀力测试工装”，CN206074165U“一种电池膨胀力测试工装”等。
以上测试方法均未全面考虑影响锂离子电池性能的环境因素(温度、压力)及自身因素(如设计制造产生的表面不平整，电池化成后可能存在的面内不均匀)，因此为深入研究锂离子电池本身性能，严格控制环境变量，极有必要设计一种基于长期测试并能控温控压提供均布载荷的锂离子电池厚度实时测量系统。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种锂离子电池膨胀测量组件、系统以及测试方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种锂离子电池膨胀测量组件，包括下基座、设置在所述的下基座上的锂电池、上基座、以及设置在所述的上基座的气囊工装；
优选的，所述的气囊工装包括与所述的上夹具、下夹具、设置在所述的上夹具以及下夹具之间的气囊；所述的上夹具、气囊以及下夹具与所述的上基座连接。优选的，所述的上夹具、气囊的边缘以及下夹具通过螺栓与所述的上基座连接。
优选的，所述的上夹具以及下夹具与所述的气囊之间均设置有橡胶软垫。
优选的，所述的下夹具为边框机构，所述的下夹具的形状与锂电池的形状匹配设置，所述的下夹具与所述的锂电池平行设置。
优选的，所述的锂电池与所述的下基座之间设置有液冷板。液冷板通过液冷板入口以及液冷板出口与液冷系统连接；
优选的，所述的锂电池与充放电夹具连接，优选的，充放电夹具与充放电系统连接。
优选的，所述的上基座通过上支架与引伸计连接，下基座上设置有下支架。
本申请还包括一种锂离子电池膨胀测量系统，包括安装组件以及所述的锂离子电池膨胀测量组件。
优选的，所述的安装组件包括下基座安装组件以及上基座安装组件；
优选的，所述的下基座安装组件包括操作台、设置在所述的操作台上的电液伺服作动器，以及与所述的电液伺服作动器连接的下基座安装座；所述的下基座安装座与所述的下基座连接；
优选的，所述的上基座安装组件包括传感器基座、与所述的上基座连接的上基座安装座以及设置在所述的传感器基座以及上基座安装座之间的压力传感器。
优选的，所述的安装组件还包括安装支架；所述的安装支架包括设置在操作台上的多根立柱以及连接多根立柱的顶梁；优选的，横梁与两根所述的立柱连接；所述的传感器基座与所述的横梁连接；优选的，所述的顶梁与所述的操作台之间设置有限位柱；所述的限位柱上设置有限位块。
优选的，锂离子电池膨胀测量系统还包括控制系统，所述的控制系统包括与电液伺服作动器、引伸计以及压力传感器连接的试验机控制系统。
本发明还包括一种锂离子电池膨胀测量方法，采用锂离子电池膨胀测量系统；包括如下步骤：在一定温度下，利用气囊工装对锂离子电池施加压力，使用引伸计测量得到电池的厚度，测量厚度后对锂离子电池通过放电夹具与充放电系统连接，对其进行充放电循环，连续记录厚度变化值，即可膨胀率。作为优选，利用液冷板控制温度；作为优选，利用压力传感器实时的对施加压力进行跟踪。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请利用气囊工装的设计能够对锂离子电池施加均布载荷，消除电池表面不平整引发的测量误差。利用下夹具的与锂电池的平行度以及适应性的框体结构，消除测试装置给锂离子电池带来不均匀加载问题。利用锂电池下方的液冷板提供恒温的环境，通过控制液冷板温度为锂电池施加预定温度场，实现锂离子电池在循环过程中的严格控温过程；电液伺服作动器根据锂电池体积变形提供精确的位移控制，并保证锂离子电池长时间测试的稳定性。
本发明提供的锂离子电池膨胀测量组件采用气囊为锂电池施加均布载荷，进而消除由锂电池表面不平整带来的测量误差；可严格控制并保持整个测试周期内锂离子电池所处的外部压力条件的精确性；
本发明提供的锂离子电池膨胀测量组件将锂离子电池主面与液冷板接触，通过控制液冷板温度为锂电池施加预定温度场，实现锂离子电池在循环过程中的严格控温过程；
本发明提供的锂离子电池膨胀测量组件将锂离子电池主面与液冷板接触，通过控制液冷板温度为锂电池施加预定温度场，实现锂离子电池在循环过程中的严格控温过程；
本发明提供的电液伺服作动器根据锂离子电池体积变形提供精确的位移控制，并保证锂离子电池长时间测试的稳定性；
本发明提供的锂离子电池膨胀测量系统，能够根据不同实验需求精准提供恒温恒压均布载荷，同时，提高测量精度并得到预定温度、压力条件下的锂电池体积膨胀的演化过程。为深入研究锂离子电池在充放电过程中的体积变形规律、优化电池内外部结构设计，提供简便快速、高精度、可量化分析的实时测量手段。
附图说明
图1示出本发明一种实施方式的锂离子电池膨胀测量组件的示意图；
图2示出本发明一种实施方式的锂离子电池膨胀测量组件的气囊工装的示意图；
图3示出本发明一种实施方式的锂离子电池膨胀测量系统的示意图；
图4示出本发明一种实施方式的控制系统的连接示意图。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1-图2所示，为本发明提供的一种实施例结构。图1-2示出一种锂离子电池膨胀测量组件，包括下基座402、设置在所述的下基座上的锂电池6、上基座401、以及设置在所述的上基座的气囊工装；
所述的气囊工装包括所述的上夹具302、下夹具303、设置在所述的上夹具以及下夹具之间的气囊301；所述的上夹具、气囊的边缘以及下夹具通过螺栓304与所述的上基座连接。所述的上夹具以及下夹具与所述的气囊之间均设置有橡胶软垫305。所述的锂电池为软包单体电池、方壳单体电池，不限于以上电池种类。
通过螺栓304将上夹具302、下夹具303、橡胶软垫305依次排列紧固。所述的下夹具为边框机构，所述的下夹具的形状与锂电池的形状匹配设置。所述的下夹具与所述的锂电池平行设置；所述的下夹具开口大小应与测试对象相符，因此不同尺寸的锂离子电池需要有相应尺寸的气囊工装。
本实施例中的所述的气囊为铝塑膜充气热压封口形成，封边处需开孔，以便于螺栓通过。所述的气囊经上下两层橡胶软垫保护后，置于上夹具、下夹具内，通过螺栓紧固。
所述的锂电池与所述的下基座之间设置有液冷板。液冷板通过液冷板入口202以及液冷板出口203与外部液冷系统连接；独立运行；
所述的锂电池与充放电夹具7连接。充放电夹具与充放电设备相连，并独立运行。
所述的上基座通过上支架403与引伸计5连接，下基座上设置有下支架404，下支架404存在一个位移测点平台与引伸计5保持对中；引伸计的探头与位移测点平台可以对膨胀厚度进行测量。
本发明还包括一种锂离子电池膨胀测量系统，包括安装组件以及所述的锂离子电池膨胀测量组件。所述的安装组件包括下基座安装组件以及上基座安装组件；
如图3示出，所述的下基座安装组件包括操作台110、设置在所述的操作台110上的电液伺服作动器113，以及与所述的电液伺服作动器连接的下基座安装座；所述的下基座安装座115与所述的下基座连接；下基座整体通过下基座安装插销116与紧固螺丝117固定于下基座安装座115；下夹具安装座115与电液伺服作动器113通过螺栓固定于操作台110；
所述的上基座安装组件包括传感器基座111、与所述的上基座连接的上基座安装座114以及设置在所述的传感器基座111以及上基座安装座114之间的压力传感器112。通过紧固螺丝117和上基座安装插销116将上基座安装座114与上基座进行连接；上夹具安装座114与压力传感器112组合为整体，与传感器基座111通过螺栓固定于安装支架的横梁106；
所述的安装组件还包括安装支架；所述的安装支架包括设置在操作台上的多根立柱102以及连接多根立柱的顶梁；操作台上设置有橡胶垫103；横梁106与两根所述的立柱连接；所述的传感器基座111与所述的横梁106连接；所述的顶梁与所述的操作台之间设置有限位柱108；所述的限位柱上设置有限位块107。通过手动操作盘109控制横梁106在立柱102上下滑动，进行测前距离粗调。限位柱108与立柱102保持平行，通过限位块107对横梁106的最大位移距离进行限制，用以保护设备安全。急停旋钮104主要用于紧急情况下中断测试；操作台底部设置有底座105。
锂离子电池膨胀测量系统还包括控制系统；所述的控制系统包括与电液伺服作动器、引伸计以及压力传感器连接的试验机控制系统。本申请的试验机控制系统可以为电子式蠕变持久试验系统。
一种锂离子电池膨胀测量方法，采用所述的锂离子电池膨胀测量系统；包括如下步骤：在一定温度下，利用气囊工装对锂离子电池施加压力，先将引伸计数据归零，之后将锂离子电池通过放电夹具与充放电系统连接，对其进行充放电循环，在此过程中引伸计连续记录厚度变化值，即得到电池膨胀量。
具体包括下述步骤：1)控制横梁移动，并通过气囊工装为锂离子电池施加均布预压力；2)开启液冷系统，通过液冷板为锂离子电池施加恒定温度；3)当预压力与温度稳定后，先将引伸计数据归零，之后将锂离子电池通过放电夹具与充放电系统连接，对其进行充放电循环，在此过程中引伸计连续记录厚度变化值，即该电池膨胀量；4)当电池厚度变化时，压力传感器检测到压力值发生变化，并将信号传送至控制系统，控制系统控制电液伺服作动器进行移动以保持压力值恒定，该位移值通过引伸计测量并记录。
本申请利用气囊工装的设计能够对锂离子电池施加均布载荷，消除电池表面不平整引发的测量误差。利用下夹具的与锂电池的平行度以及适应性的框体结构，消除测试装置给锂离子电池带来不均匀加载问题。
利用锂电池下方的液冷板提供恒温的环境，通过控制液冷板温度为锂电池施加预定温度场，实现锂离子电池在循环过程中的严格控温过程；电液伺服作动器根据锂电池体积变形提供精确的位移控制，并保证锂离子电池长时间测试的稳定性。
本发明提供一种锂离子电池膨胀测量组件及系统，能够根据不同实验需求精准提供恒温恒压载荷，同时采用气囊为锂电池施加均布载荷，进而消除由锂电池表面不平整带来的测量误差，提高测量精度并得预定温度、压力条件下的锂电池体积膨胀的演化过程。为深入研究锂离子电池在充放电过程中的体积变形规律、优化电池内外部结构设计，提供简便快速、高精度、可量化分析的实时测量手段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种锂离子电池膨胀测量组件，其特征在于，包括下基座、设置在所述的下基座上的锂电池、上基座、以及设置在所述的上基座的气囊工装。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池膨胀测量组件，其特征在于，所述的气囊工装包括上夹具、下夹具、设置在所述的上夹具以及下夹具之间的气囊；所述的上夹具、气囊以及下夹具与所述的上基座连接；
优选的，所述的上夹具以及下夹具与所述的气囊之间均设置有橡胶软垫。
3.根据权利要求2所述的锂离子电池膨胀测量组件，其特征在于，所述的下夹具为边框机构，所述的下夹具的形状与锂电池的形状匹配设置；优选的，所述的下夹具与所述的锂电池平行设置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的锂离子电池膨胀测量组件，其特征在于，所述的锂电池与所述的下基座之间设置有液冷板；
优选的，液冷板通过液冷板入口以及液冷板出口与液冷系统连接。
5.根据权利要求4所述的锂离子电池膨胀测量组件，其特征在于，所述的锂电池与充放电夹具连接；
优选的，充放电夹具与充放电系统连接。
6.根据权利要求5所述的锂离子电池膨胀测量组件，其特征在于，所述的上基座通过上支架与引伸计连接，下基座上设置有下支架。
7.一种锂离子电池膨胀测量系统，其特征在于，包括安装组件以及权利要求1-6之一所述的锂离子电池膨胀测量组件；
优选的，所述的安装组件包括下基座安装组件以及上基座安装组件；
优选的，所述的下基座安装组件包括操作台、设置在所述的操作台上的电液伺服作动器，以及与所述的电液伺服作动器连接的下基座安装座；所述的下基座安装座与所述的下基座连接；
优选的，所述的上基座安装组件包括传感器基座、与所述的上基座连接的上基座安装座以及设置在所述的传感器基座以及上基座安装座之间的压力传感器。
8.根据权利要求7所述的锂离子电池膨胀测量系统，其特征在于，所述的安装组件还包括安装支架；所述的安装支架包括设置在操作台上的多根立柱以及连接多根立柱的顶梁；
优选的，横梁与两根所述的立柱连接；所述的传感器基座与所述的横梁连接；
优选的，所述的顶梁与所述的操作台之间设置有限位柱；所述的限位柱上设置有限位块。
9.根据权利要求7-8任一项所述的锂离子电池膨胀测量系统，其特征在于，还包括控制系统；
优选的，所述的控制系统包括与电液伺服作动器、引伸计以及压力传感器连接的试验机控制系统。
10.一种锂离子电池膨胀测量方法，其特征在于，采用权利要求7或者8所述的锂离子电池膨胀测量系统；
优选的，包括如下步骤：在一定温度下，利用气囊工装对锂离子电池施加压力，先将引伸计数据归零，之后将锂离子电池通过放电夹具与充放电系统连接，对其进行充放电循环，在此过程中引伸计连续记录厚度变化值，即得到电池膨胀量；
优选的，包括下述步骤：
1)控制横梁移动，并通过气囊工装为锂离子电池施加均布预压力；
2)开启液冷系统，通过液冷板为锂离子电池施加恒定温度；
3)当预压力与温度稳定后，先将引伸计数据归零，之后将锂离子电池通过放电夹具与充放电系统连接，对其进行充放电循环，在此过程中引伸计连续记录厚度变化值，即该电池膨胀量；
优选的，当电池厚度变化时，压力传感器检测到压力值发生变化，并将信号传送至控制系统，控制系统控制电液伺服作动器进行移动以保持压力值恒定，该位移值通过引伸计测量并记录。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117308863A (zh) * | 2023-11-22 | 2023-12-29 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 电池包的碰撞损害检测方法、装置、电子设备及存储介质 |
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2022
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Cited By (2)
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| CN117308863B (zh) * | 2023-11-22 | 2024-04-12 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 电池包的碰撞损害检测方法、装置、电子设备及存储介质 |
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