CN204575242U

CN204575242U - 监测锂离子电池膨胀的系统

Info

Publication number: CN204575242U
Application number: CN201520245298.2U
Authority: CN
Inventors: 曹福彪; 金海族; 魏西洁; 杨同欢; 郭小烛
Original assignee: Ningde Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Current assignee: Contemporary Amperex Technology Co Ltd
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2025-04-22

Abstract

本申请涉及清洁能源领域，具体而言，涉及一种监测锂离子电池膨胀的系统。包括内压监测装置以及外压监测装置；内压监测装置与电芯壳体的内部相通，用于监测电芯壳体的内部的气体受力变化；外压监测装置设置在电芯壳体的一侧，用于监测电芯壳体因膨胀对外界的施力变化。本申请实施例所提供的监测锂离子电池膨胀的系统，能够通过内压监测装置以及外压监测装置分别监测电芯壳体的内部的气体受力变化以及电芯壳体因膨胀对外界的施力变化。通过该系统所获得的多项与电池膨胀过程相关的理化数据，能够使研究人员更加深入的了解与分析锂离子电池在使用过程中其膨胀过程与这些因素的关系，有助于改善锂离子电池的循环寿命及安全问题。

Description

监测锂离子电池膨胀的系统

技术领域

本申请涉及清洁能源领域，具体而言，涉及一种监测锂离子电池膨胀的系统。

背景技术

自锂离子电池实现商品化以来，锂离子电池因其质量轻、电压高、体积小、无记忆效应、比能量高、循环寿命长，环境友好等诸多优点，迅速在便携式移动电源、移动电话、笔记本电脑、照相机以及其他便携式电子产品领域不断的扩大推广应用。随着石化能源的耗竭，以及世界范围内的污染加剧，人们对清洁能源的呼声越来越高，从而使得锂离子电池迅速占领石化能源这一重要位置。

经过长期研究发现，锂离子电池在使用过程中可能发生膨胀，而膨胀问题会对锂离子电池的安全问题造成较大的影响，并且也会影响电芯的循环寿命。

因此，如何监测与锂离子电池膨胀相关的参数，以对锂离子电池的膨胀过程进行研究，是本领域技术人员急需解决的问题。

实用新型内容

本申请提供了一种监测锂离子电池膨胀的系统，能够监测与锂离子电池膨胀过程相关的参数。

根据本申请实施例所提供的一种监测锂离子电池膨胀的系统，所述锂离子电池包括电芯壳体；所述系统包括用于监测所述电芯壳体的内部的气体受力变化的内压监测装置以及用于监测所述电芯壳体因膨胀对外界的施力变化的外压监测装置；

所述内压监测装置与所述电芯壳体的内部相通；

所述外压监测装置设置在所述电芯壳体的一侧。

前述的系统中，所述电芯壳体包括多个可形变面，且多个所述可形变面中至少有一个为可形变平面；所述外压监测装置为测力装置；

所述系统还包括移动与形变限制组件；所述移动与形变限制组件将所述电芯壳体的位置固定；

所述外压监测装置监测一个所述可形变平面；且所述电芯壳体的多个所述可形变面中，除被监测的所述可形变平面之外，均与移动与形变限制组件贴合，并被所述移动与形变限制组件限制其形变能力。

上述的系统中，所述电芯壳体仅具有相对的两个所述可形变平面；

所述移动与形变限制组件包括一块可移动阻挡物以及至少一块固定阻挡物；所述电芯壳体处于一块所述固定阻挡物以及所述可移动阻挡物之间，且其两个可形变平面中的一个与所述可移动阻挡物完全贴合，两个可形变平面中的另一个与所述固定阻挡物完全贴合；

所述固定阻挡物以及所述可移动阻挡物均为刚性材料制成，且所述固定阻挡物的位置始终保持固定不变；

所述外压监测装置设置在所述可移动阻挡物远离所述电芯壳体的一侧，并监测所述可移动阻挡物受到的与其贴合的所述可形变平面的推力。

上述的系统中，所述外压监测装置为称重型压力传感器；

所述固定阻挡物为两块，且两块所述固定阻挡物相对设置；所述可移动阻挡物位于两块所述固定阻挡物之间；

所述外压传感器位于两块所述固定阻挡物中的一块以及所述移动阻挡物之间；

所述电芯壳体位于两块所述固定阻挡物中的另一块以及所述移动阻挡物之间；

两块所述固定阻挡物固定连接。

上述的系统中，还包括气体收集口以及单向控制阀；所述气体收集口与所述电芯壳体的内部以及所述单向控制阀连通；所述单向控制阀能够在其处于开启状态时单向阻止外部气体经所述气体收集口进入到所述电芯壳体的内部。

上述的系统中，所述气体收集口还连通有气体体积测量装置。

上述的系统中，还包括三通管；

所述三通管的三个端部分别与所述内压监测装置、所述气体收集口以及所述电芯壳体的内部相连；其中，所述单向控制阀设置在所述气体收集口所处的一端。

上述的系统中，所述电芯壳体包括不可形变面；所述三通管设置在所述不可形变面上。

上述的系统中，所述内压监测装置为气压传感器；所述内压监测装置与所述三通管之间通过一根内压测试连接管连接。

上述的系统中，所述外压监测装置和/或所述内压监测装置连接有数据转换器，用于将所监测到的结果转换为计算机可识别的信号。

本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本申请实施例所提供的监测锂离子电池膨胀的系统，能够通过内压监测装置以及外压监测装置分别监测电芯壳体的内部的气体受力变化以及电芯壳体因膨胀对外界的施力变化。通过该系统所获得的多项与电池膨胀过程相关的理化数据，能够使研究人员更加深入的了解与分析锂离子电池在使用过程中其膨胀过程与这些因素的关系，有助于改善锂离子电池的循环寿命及安全问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

图1为本申请实施例一所提供的监测锂离子电池膨胀的系统的整体结构示意图。

图2为本申请实施例二所提供的监测锂离子电池膨胀的系统的整体结构示意图。

图3为本申请实施例三所提供的监测锂离子电池膨胀的系统的整体结构示意图。

图4为本申请实施例四所提供的监测锂离子电池膨胀的系统的整体结构示意图。

图5为本申请实施例六所提供的监测锂离子电池膨胀的系统的整体结构示意图。

图6为本申请实施例七所提供的监测锂离子电池膨胀的系统的整体结构示意图。

附图说明：10-电芯壳体；100、102-不可形变面；12-内压监测装置；14-外压监测装置；16-气体收集口；18-单向控制阀；20-气体体积测量装置；22-三通管；24-内压测试连接管；26-移动与形变限制组件；260-可移动阻挡物；262a、262b-固定阻挡物；28-外压数据转换器；30-内压数据转换器。

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本申请做进一步的详细描述。本申请的实施例一提供了一种监测锂离子电池膨胀的系统，锂离子电池包括电芯壳体10；如图1所示，该系统包括内压监测装置12以及外压监测装置14；

电芯包括电芯壳体10，内压监测装置12与电芯壳体10的内部相通，用于监测电芯壳体10的内部的气体受力变化；

外压监测装置14设置在电芯壳体10的一侧，用于监测电芯壳体10因膨胀对外界的施力变化。

该系统通过内压监测装置12以及外压监测装置14能够分别监测电芯壳体10的内部的气体受力变化以及因膨胀对外界的施力变化。通过该系统所获得的多项与电池膨胀过程相关的理化数据，能够使研究人员更加深入的了解与分析锂离子电池在使用过程中其膨胀过程与这些因素的关系，有助于改善锂离子电池的循环寿命及安全问题。

外压监测装置14可以直接监测得到电芯壳体10单位面积因膨胀对外界施加的膨胀压强P₁。同时，气体受力变化可由电芯壳体内部的气体压强P₂所反映。根据受力平衡原理，电芯壳体10因膨胀对外界的施力变化与其所受到的内部膨胀压是相等的。同理，内部气体的受力变化实际上也与该气体施加于电芯壳体10的施力变化一致。而根据分析，电芯壳体10所受到的内部膨胀压来自内部气体以及电芯膨胀两方面，因此，三者之间便存在函数关系，这样，便可将膨胀压强P₁以及气体压强P₂根据式(2)计算得到因电极膨胀对电芯壳体的施力变化，也就是因电极膨胀施加于电芯壳体的膨胀压强P₃。

P₃＝P₁-P₂ (2)

电芯壳体10一般会存在很多个外表面，由于表面积较小，或者设置了加固结构等，有些面在内部施力条件下基本不会产生形变，本申请中将这种面称为不可形变面100。而电芯壳体10上还存在表面积较大，自身容易发生形变的面，本申请中将这种面称为可形变面。其中，可形变面的形状可以为弧状或平面状，本申请中将平面状的可形变面称为可形变平面102。

当电芯壳体10包括多个可形变面，且多个可形变面中至少有一个为可形变平面102时，便可通过限制大部分可形变面的形变能力，能够使电芯壳体10内部的压力全部集中在余下的一个可形变平面102上进行释放，因此监测该可形变平面膨胀形变所产生的压力便可获得电芯壳体10的内部所施加在电芯壳体10上的全部压力。之后再结合该可形变平面102的面积，便可通过力学公式F＝PS来得到其压强值。采用这种方式进行监测时，外压监测装置14可以直接选择能够对外力进行测量的测力装置。相关技术中，测力装置已经非常成熟，而且比起利用超声波、光学等原理可直接监测压强的装置，测力装置的成本也更低。

在监测过程中，由于现有的测力装置一般都会在监测的同时对其所监测的面施加一个反作用力，因此在监测某一个可形变平面102时，如果不对电芯壳体10的移动能力进行限制，则随着膨胀过程的进行，电芯壳体10很可能会通过向测力装置所在侧相反的方向移动的方式卸载掉测力装置所施加的反作用力。这样，虽然电芯壳体10在持续膨胀，但测力装置所获得的监测数据却不会产生很大变化，因此也就不会得到准确的监测结果。所以，在进行上述步骤时，还需要对电芯壳体的移动能力进行限制，使其无法通过移动的方式卸载掉测力装置所施加的力。

因此，为了能够使电芯壳体10内部的压力全部集中在余下的一个可形变平面102上进行释放，并通过测力装置对力的大小进行监测，如图2所示，本申请的实施例二在实施例一的基础上提供了一套移动与形变限制组件26来限制电芯壳体10的移动以及其它可形变面的形变，移动与形变限制组件26将电芯壳体10的位置固定；

外压监测装置14监测一个可形变平面102；且电芯壳体10的多个可形变面中，除被监测的可形变平面102之外，均与移动与形变限制组件26贴合，并被移动与形变限制组件26限制其形变能力。

移动与形变限制组件26可以有多种结构实现，例如，由刚性材料薄板焊接一个与电芯壳体10的尺寸相配合且一侧开口的箱体，将电芯壳体10放置在箱体内，使电芯壳体10的一个可形变平面102由箱体的开口露出，之后再将该箱体固定，便可实现限制电芯壳体10移动以及其它可形变面的形变的功能。

目前，很多锂离子电池，例如手机电池，其电芯壳体均制作成片状，其三对相对的面中有两对为不可形变面100，剩下的一对面积最大的面为可形变平面102。针对这种结构特性，如图3所示，本申请的实施例三提供了一种结构较为简单的移动与形变限制组件26。其包括一块可移动阻挡物260以及至少一块固定阻挡物；电芯壳体10处于一块固定阻挡物以及可移动阻挡物260之间，且其两个可形变平面102中的一个与可移动阻挡物260完全贴合，两个可形变平面102中的另一个与固定阻挡物完全贴合；

固定阻挡物以及可移动阻挡物260均为刚性材料制成，且固定阻挡物的位置始终保持固定不变；

外压监测装置14设置在可移动阻挡物260远离电芯壳体10的一侧，并监测可移动阻挡物260受到的与其贴合的可形变平面102的推力。

采用刚性材料制作固定阻挡物能够保证它们的形状保持固定，配合其保持固定的位置便能够使与该固定阻挡物贴合的可形变平面102保持形状与位置的固定。

而可移动阻挡物260也采用刚性材料，使其能够不发生形变，始终与外压监测装置14很好的配合，从而使外压监测装置14获得更准确的数据。

这里，由于要保证被监测面的所有膨胀力均能够被外压监测装置14所捕获，因此被监测面要与可移动阻挡物260完全贴合，使其所有的膨胀形变均能够作用于可移动阻挡物260上。

用于测量外力的装置有很多种，其中称重型压力传感器属于较为简单的一种，成本也较为低廉。由于其自身结构的限制，其在进行测力的过程中要保持一侧固定不动，另一侧随着外力的增大而逐渐向被固定的一侧压缩，从而得到测量结果。

因此，若要采用这种传感器作为外压监测装置14，便需要将其一侧固定。如图4所示，本申请的实施例四提供一种较为简单的方式。设置两块固定阻挡物262a与262b；且固定阻挡物262a与固定阻挡物262b相对设置；可移动阻挡物260位于固定阻挡物262a与固定阻挡物262b之间；

外压监测装置14位于固定阻挡物262a以及移动阻挡物260之间；

电芯壳体10位于固定阻挡物262b以及移动阻挡物260之间；

固定阻挡物262a与固定阻挡物262b固定连接。

这样，便可通过两块固定阻挡物262构成一个夹具，将外压监测装置14、可移动阻挡物260以及电芯壳体10夹在其中。因此其既能满足重型压力传感器的一侧固定，同时又能将电芯壳体10背离被监测面的一侧固定。

可移动阻挡物260以及固定阻挡物262优选设置为薄板状，减小自重，并且节约空间。

在电池膨胀的过程中，不同的气体由于其所具有的理化性质的差异，因此其对电池膨胀过程所造成的影响也各不相同。在这种变化下，获知电芯内部气体的成分能够有助于研究人员更为细致的研究锂离子电池的膨胀过程。为了能够获取电芯壳体内部的气体，本申请的实施例五在实施例四的基础上还设置了一个气体收集口16；电芯壳体10的内部与气体收集口16连通。这样，便可通过气体收集口16采集电芯壳体10内部的气体，并采用诸如气相色谱仪、质谱仪、光谱分析仪、核磁共振仪、色质联用分析仪等分析手段对其成分进行分析。这些分析仪器可以直接与气体收集口 16连接，也可以通过气体收集装置将收集到的气体转移至分析装置。

由于空气中含有氧气、杂质等可能造成锂离子电池失效或损坏的物质，导致监测过程终止，因此需要在气体收集口16连通一个单向控制阀18，单向控制阀18能够在其处于开启状态时单向阻止外部气体经气体收集口16进入到电芯壳体10的内部。单向控制阀18可以为一个阀门，也可以由一个截止阀和一个单向阀配合组成。

在研究锂离子电池的膨胀过程时，所产生的气体量也是一个很重要的参数，通过对其进行监测，可以推导与该参数有关的数据，并有可能通过其研究锂离子电池内部成分组成对电池的膨胀过程所产生的影响。

因此，可以通过在气体收集口16连通气体体积测量装置20的方式测量电芯壳体10内部所产生的气体的体积，之后再通过理想气体状态方程PV＝nRT计算出气体的物质的量。

气体体积测量装置20可以固定于气体收集口16上，也可以与气体收集口16可拆卸连接，平时将其拆下存放，在需要测量气体体积时再将其装在气体收集口16上。

由于内压监测装置12在进行压强监测时需要与电芯壳体10内部的气体产生互动，因此一般都需要在电芯壳体10上开设一个用于气体或内压监测装置12互动的孔洞。同时，气体收集口16也需要与电芯壳体10的内部相通。如果在电芯壳体10上开设过多的孔洞可能会影响其电芯壳体10的结构强度，进而对测试造成一定影响，同时，还会增加成本。如图5所示，本发明实施例六在实施例五的基础上采用设置三通管22的方式减少孔洞的开设数量；这种情况下，三通管22的三个端部分别与内压监测装置12、气体收集口16以及电芯壳体10的内部相连；并将单向控制阀18设置在气体收集口16所处的一端。

这样便可只在电芯壳体10上开设一个孔洞。当进行气体受力变化监测时，可以关闭单向控制阀18；而当需要收集气体时，便打开单向控制阀18进行气体收集作业。

在使用时，如果三通管22设置在电芯壳体10的可形变面上，若该可形变面是用于监测的可形变平面102，则三通管22可能会影响外压监测装置14的操作，这样会增加设备结构的复杂程度或降低监测结果的准确程度。若该可形变面是被限制形变的非监测面，则三通管22又会影响到移动与形变限制组件26中限制该可形变平面形变能力的部分，这样同样会增加设备结构的复杂程度或降低对该可形变平面的形变能力或者电芯壳体10移动的限制效果，同样会降低检测结果的准确程度。

而电芯壳体10上的不可形变面100既不用与外压监测装置14发生作用，又不与移动与形变限制组件26发生作用。因此，优选将三通管22设置在不可形变面100上。

内压监测装置12可以采用气压传感器，以监测气体的压强。而由于气体具有流动性，因此不必将内压监测装置12伸入到电芯壳体10内，只需在内压监测装置12与三通管22之间设置一根内压测试连接管24，使内压监测装置12与电芯壳体10的内部连通即可。

目前，随着计算机的普及，数据的记录、计算、分析过程已经全部可以通过计算机实现，因此，如图6所示，本申请的实施例七在实施例六的基础上将外压监测装置14和内压监测装置12连接上数据转换器，将他们所监测到的结果转换为计算机可识别的信号。由于外压监测装置14和内压监测装置12所监测的参数各不相同，因此可以分别通过外压数据转换器28以及内压数据转换器30对两者所获取的结果分别进行转换。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种监测锂离子电池膨胀的系统，所述锂离子电池包括电芯壳体；其特征在于：所述系统包括用于监测所述电芯壳体的内部的气体受力变化的内压监测装置以及用于监测所述电芯壳体因膨胀对外界的施力变化的外压监测装置；

所述内压监测装置与所述电芯壳体的内部相通；

所述外压监测装置设置在所述电芯壳体的一侧。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电芯壳体包括多个可形变面，且多个所述可形变面中至少有一个为可形变平面；所述外压监测装置为测力装置；

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述电芯壳体仅具有相对的两个所述可形变平面；

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：所述外压监测装置为称重型压力传感器；

两块所述固定阻挡物固定连接。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括气体收集口以及单向控制阀；所述气体收集口与所述电芯壳体的内部以及所述单向控制阀连通；所述单向控制阀能够阻止外部气体经所述气体收集口进入到所述电芯壳体的内部。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述气体收集口还连通有气体体积测量装置。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：还包括三通管；

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述电芯壳体包括不可形变面；所述三通管设置在所述不可形变面上。

9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述内压监测装置为气压传感器；所述内压监测装置与所述三通管之间通过一根内压测试连接管连接。

10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述外压监测装置和/或所述内压监测装置连接有数据转换器，用于将所监测到的结果转换为计算机可识别的信号。