CN211402663U - 一种可视化电池壳体测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可视化电池壳体测量装置，包括内部中空且端部开口的第一壳体、设于所述开口端以形成壳体本体的第二壳体、以及设于所述壳体本体上的测量件和用于观察所述测量件的测量结果的观测窗口，所述第二壳体为设于所述第一壳体顶端端部的电池顶盖。本实用新型提供的可视化电池壳体测量装置与传统正常锂离子电池相比，壳体本体具有可视化和测量功能，以能够清楚直观的观察到电池内部物理变化，以清楚看到所需测量的关键数据，且该数据均为无损检测，节省大量人力、物理和时间资源。

Description

一种可视化电池壳体测量装置

技术领域

本实用新型涉及电池技术领域，尤其涉及一种可视化电池壳体测量装置。

背景技术

随着新能源汽车的普及，动力电池发展也进入高速发展阶段，而目前锂离子电池主要朝着高能量密度、长寿命、快充等方向发展，并都取得了较大的进步，但是锂离子电池仍然存在一致性、安全性和可靠性等问题，限制了锂离子电池大规模推广的进度，因此只有全面提高锂离子电池的性能，才能使锂离子电池产业长久发展。

锂离子电池的容量、能量密度、寿命、安全、可靠性、成本等各种性能存在着复杂的关系，设计开发初期需要全面兼顾所有性能发挥，才能得到最优的电芯性能，在以上几种电池关键性能中，电池寿命与电池保液量息息相关，同时可靠性则要求电池壳体盖板中的翻转片在电池全寿命过程中不触发翻转，这需要在电池设计初始，给壳体内部空间留足够的产气空间，然而，产气空间大小与电池保液量大小属于密切相关的参数，且由于都需要占据壳体内部的空间，因此要权衡两者利弊关系，才能兼顾寿命与可靠性性能。

目前方形电池壳体一般为铝制产品，但该电池壳体不能准确且快速分析出电池内部保液量与产气空间的关系，而使得产品无法做到精益设计和控制，造成电池的后期寿命与可靠性均无法得到保证。

首先，目前锂离子电池在开发过程中，前期均需通过做大量不同保液量电池做循环测试以评估大量的不同保液量电池循环性能，从而得到一保液量需求值，消耗大量的人力、物力等开发成本与时间成本。

其次，电池设计时需要考虑电池使用的可靠性，因此需在壳体内部预留产气空间，以防止安全器件翻转片失效导致电池无法使用的问题。产气空间值的确认一般通过化成前浸泡实验得到电池壳体内最大空间 (或最大保液量值)，再设定一个产气空间大小反推保液量，另外也可以通过极片、隔离膜孔隙率数据得到最大保液量空间，以上方法虽然可以得到化成前产气空间大小，但是后续实际电池在充放电过程中，因极片反复膨胀，孔隙率与裸电芯体积一直在不断变化，上述确定的产气空间并不能代表后续实际产气空间，脱离了实际情况下的设计值，参数确定比较粗糙，与实际中的参数仍有较大差距，会造成设计上空间过设计或空间不足，这对于电池开发来说，都不是有利的局面。

最后，电池设计在确定膨胀空间时，需通过大量拆解不同状态下电池测量极片厚度确认壳体内膨胀空间大小，既需要耗费大量的人力、物力与时间成本，又由于拆解电池是破坏性试验，造成拆解的电池不能后续继续使用。

实用新型内容

有鉴于此，有必要提供一种可准确且快速分析出电池内部保液量与产气空间的可视化电池壳体测量装置。

本实用新型提供了一种可视化电池壳体测量装置，包括内部中空且端部开口的第一壳体、设于所述第一壳体的开口端以形成壳体本体的第二壳体、以及设于所述壳体本体上的测量件和用于观察所述测量件的测量结果的观测窗口，所述第二壳体为设于所述第一壳体顶端端部的电池顶盖。

一实施例中，所述测量件为设于所述透明壳体上的测量标尺，且所述测量标尺为刻于所述壳体本体的侧部上的一体化测量件，或为固接在所述壳体本体上的外接测量件。

一实施例中，所述可视化电池壳体测量装置还包括固接在所述第二壳体上且密封于所述第一壳体空腔内的裸电芯和向所述空腔内注入电解液的注液口。

一实施例中，所述测量标尺的刻度线包括沿高度方向布设以用于测量电解液液面高度H的第一刻度线和沿宽度方向布设以用于测量所述第一壳体内裸电芯的厚度的第二刻度线，根据测量的电解液液面高度H和裸电芯厚度T，计算出产气空间V'、裸电芯膨胀率δ以及电解液消耗速率ν。

一实施例中，所述观测窗口为全透明的所述第一壳体和第二壳体、全透明的所述第一壳体、或部分透明的第一壳体上的透明部分。

一实施例中，所述第一壳体及所述第二壳体为塑料浇筑而成的浇筑件，或者为玻璃形成的手工件。

一实施例中，所述第一壳体与第二壳体通过胶水密封，或者，所述第一壳体的开口处设有铝层，所述第二壳体通过焊接密封所述铝层。

一实施例中，所述壳体本体为方体结构，所述第一壳体的内部空腔为方形且顶端开口，所述第二壳体为方形板状的金属壳或塑胶壳。

一实施例中，所述壳体本体的耐压强度≥1500N，所述壳体本体的内腔耐腐蚀性满足60℃温度下耐电解液浸泡时间≥30天。

一实施例中，所述壳体本体上设有测量内压的内压测量装置和/或测量气体吸收的气体吸收测量装置。

综上，本实用新型公开一种简便的可视化(锂离子)电池壳体测量装置，该整个装置等同于正常设计动力电池、未经过任何简化，但与传统正常锂离子电池相比，壳体本体具有可视化和测量功能，以能够清楚直观的观察到电池内部物理变化，以清楚看到所需测量的关键数据，且该数据均为无损检测，节省大量人力、物理和时间资源。

上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本实用新型的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1所示为本实用新型提供可视化电池壳体测量装置的一具体实施例的结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本实用新型为达成预定实用新型目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本实用新型详细说明如下。

如图1所示，本实用新型提供了一种可视化电池壳体测量装置，包括内部中空且端部开口的第一壳体11、设于开口端以形成壳体本体10 的第二壳体12、以及设于壳体本体10上的测量件13和用于观察测量件13的测量结果的观测窗口，其中，第二壳体12为设于第一壳体11顶端端部的常规锂离子电池顶盖，该电池顶盖的材质主要为金属(铝制材) 与塑胶(注塑件)构成的结构件，其包括铝制架构、安全设计构件、防爆构件等元件，以能具有良好的机械强度与安全设计。

本实用新型的电池壳体具有可视化功能并具有测量功能，能够从电池外部直接观察到电池内部复杂的物理等变化，并测试出关键可靠的数据，从而可准确且快速分析出电池内部保液量与产气空间，该装置原理简单，成本较低，容易操作。

优选实施例中，壳体本体10为方体结构，第一壳体11的内部为方形空腔且顶端开口，且第一壳体11为由高强度、耐高温、耐电解液腐蚀的材料形成的方柱形壳体，且该壳体11可作为后续研究真实方形动力电池内部行为与数据测量提供准确、快捷、简单的途径。

本实用新型中，第一壳体11与第二壳体12可通过胶水密封，或者，在第一壳体11的开口处设有铝层，第二壳体12通过焊接密封在第一壳体11上的铝层处，实现第一壳体11与第二壳体12组装后的密封。具体地，在第一壳体11与第二壳体12进行密封封装工序中，先使用A/B胶将与制作的壳体第二壳体12(动力电池顶盖)完全密封好，待A/B胶固化后，再用高强黑胶将第一壳体11与第二壳体12的封口处进行固化密封，提高封装强度，达到稳定密封封装效果。一实施例中，A/B胶包括但不限于阻燃型灌封胶901A/B-8-5、环氧树脂打磨胶553A/B-15、常温固化环保型灌封胶901A/B-10等密封胶。

本实用新型提供的一优选实施例中，观测窗口可为全透明的第一壳体11和第二壳体12，以通过全透明的壳体本体10清晰观测电池内的物理变化，同时清楚看到所需测量的的关键数据。

另一优选实施例中，观测窗口既可为全透明的第一壳体11，也可为部分透明的第一壳体11上的透明部分(第一侧部11a或第二侧部11b部分透明的透明部分)，以能够进行观察测量数据结果的透明窗口，可以理解，该观测窗口能够通过透明部分以观测电池内部物理变化和测量数据即可，具体观测窗口的位置和结构形状，在此不做限制；且观测窗口也可为其他可视化地观测电池内部物理变化和读取测量数据的半透明窗口等其他方式。

以上所述的透明壳体(全透明的壳体本体10、或全透明的第一壳体 11、又或部分透明的第一壳体11)既可为塑料浇筑而成的浇筑件，也可为透明玻璃制成的手工件，使得该壳体本体10满足电池设计需要的强度；优选实施例中，且透明壳体的选材上可选择可视化的透明玻璃，并通过高强度粘合剂粘合成型，或透明壳体的选材还可为可视化的高分子聚合板，通过浇筑成型，从而得到满足尺寸要求的壳体。

进一步地，本实用新型还需对壳体本体10的内壁(第一壳体11与第二壳体12形成的壳体本体10的内部空腔的内壁)进行光面处理，使其无任何毛刺凸起，第一壳体11的开口处需要打磨处理，使其无毛刺等瑕疵影响，该壳体本体10需具有一定的强度并满足一定使用期限内耐电解液腐蚀功能不发生破裂。详细地，壳体本体10的耐压强度≥1500N，同时其耐腐蚀性需满足在60℃温度下耐电解液浸泡时间≥30天。

在其他具体实施例中，第一壳体11的开口处(端口)处理不限于打磨处理，也可进行镀铝处理，而此时的封装工序不限于用胶进行密封，也可以采用焊接方式进行密封。

本实用新型中，测量件13为设于透明壳体上的测量标尺，且该测量标尺可为刻于壳体本体10的侧部上的一体化测量件，或为固接在壳体本体10上的外接测量件。且优选地，壳体本体10的内腔尺寸控制精度精确度需要控制在±0.1mm；壳体本体10上的测量尺寸刻度精度需要≤0.1mm。

本实用新型中，在测量件13为带有刻度线的测量标尺时，测量标尺的刻度线包括分别沿高度和宽度方向布设的第一刻度线13a和第二刻度线13b，该第一刻度线13a设于第一壳体11上、该第二刻度线13b可选择设于第一壳体11或第二壳体12上，且该第一刻度线13a和第二刻度线13b精度要精确到0.1㎜；与之对应地，本实用新型提供的可视化电池壳体测量装置还包括固接在第二壳体12上且密封于第一壳体11内部空腔内的裸电芯15和向该空腔内注入电解液以与裸电芯15一起形成用于进行测量的可视化电池壳体测量装置的注液口14，以通过第一刻度线13a测量第一壳体11内的电解液液面高度H，通过第二刻度线13b测量第一壳体11内裸电芯15的厚度T。

具体地，第一壳体11包括沿宽度方向垂直布设的第一侧部11a和沿长度方向垂直布设的第二侧部11b，第一刻度线13a设在第一侧部11a 或第二侧部11b上沿高度的方向的边沿或位于边沿之间的面部，第二刻度13b设在第一侧部11a上沿宽度的方向的边沿或位于边沿之间的面部。

可以理解，本实用新型主要通过可视化(透明)壳体和自带量化标尺的测量标尺实时监控，以取得以下关键参数：

①电池在不同SOC状态(State of Charge,电池荷电状态)下裸电芯厚度变化，实现实时监控裸电芯膨胀大小。

②监控在不同荷电状态下壳体本体的空腔内自由电解液量的变化，得到裸电芯实时膨胀下吸收电解液量大小，进一步得到带电情况下位于第一壳体11与裸电芯15之间的空间变化趋势及引出负极极耳16的电池负极极片和引出正极极耳17的正极极片的孔隙率的变化趋势，解决了目前由于带电情况下正负极孔隙率变化获取难度较高而无任何方法测试得到的技术难题。

③可以测试不同工况条件循环测试的电解液消耗速度，进一步通过电解液消耗速度得到满足目标循环数量的电解液量，大量节约了人力、物料与时间成本。

进一步，本实用新型根据壳体本体10上沿水平方向的截面面积S₁、壳体本体10的内部空腔体积V和裸电芯15沿垂向的截面面积S₂，计算出产气空间V'(V'＝V-S_1*电解液液面高度-S_2*裸电芯厚度)、裸电芯15 的膨胀率δ(δ＝(膨胀后厚度-膨胀前厚度)/膨胀前厚度)以及电解液消耗速率ν(ν＝(电解液量初始液面高度-电解液测试液面高度)*S₁*ρ/n)，其中ρ为电解液密度大小，n为电芯寿命测试过程中的循环圈数或者电芯不同条件下的存储寿命/存储天数。且优选地，电池裸电芯15设计的初始不带电荷厚度约占内腔空间90％。

具体地，在该电池制作工序中，先将成型制备好的裸电芯15通过超声焊接与激光焊接后，再按工艺要求将裸电芯15整体放入第一壳体 11的空腔内；在电池注液工序阶段，将电池注液口14朝上放置，按初始设计的注液量进行初步注液，从第一刻度线13a和第二刻度线13b上读出注液静置结束时电池内部(壳体本体10内部空腔)自由电解液液面高度H₀和裸电芯厚度T₀，本实用新型再依据获取的壳体本体10上沿水平方向的截面面积S₁及裸电芯15沿垂向的截面面积S₂，根据测得的电解液液面高度H和裸电芯厚度T，计算出在化成结束时电池壳体本体 10的空腔内部除去裸电芯15和电解液占据空间以外的体积(产气空间)V'₀，并作为初始的产气空间V'₀，该V'₀依据公式V-S_1*电解液液面高度 -S_2*裸电芯厚度计算出。

进一步，再利用测量件13获取测试阶段(电池化成过程)下电解液液面高度H₁、裸电芯厚度T₁以及计算出的产气空间V'₁，电池满充状态下电解液液面高度H₂、裸电芯厚度T₂以及计算出的产气空间V'₂；电池在做寿命测试初期(包含循环测试、存储测试、日历寿命测试)时，测量获取的电解液液面高度H₃、裸电芯厚度T₃以及计算出的产气空间 V'₃。

详细地，在电池化成测试阶段时，仅需测量一次产气空间V'、裸电芯膨胀率δ以及电解液消耗速率ν即可；在电池激活并充满的测试阶段时，需多次测量并根据获取的测量值得到平均的产气空间V'、裸电芯膨胀率δ以及电解液消耗速率ν；而在以电池寿命测试阶段时，需根据50次～100 次的测量结果获取的平均的产气空间V'、裸电芯膨胀率δ以及电解液消耗速率ν，且随着电池寿命测试阶段的进行，电解液消耗速率变慢，此时测量的次数可根据需要减小。

若设定电池测试阶段的节点为n，并获取在节点n时的数据Hn、Tn、 V'n，在定义沿壳体本体10内部高度方向的截面积大小为S₁、沿裸电芯 15垂向的截面面积S₂的情况下，通过本实用新型提供的可视化电池壳体测量装置，简便、无损且可靠的得到如下重要数据参数：

①电池在带电情况下实际产气空间V'n＝V-S₁*H₁-S₂*T₁。

②电芯满充状态下裸电芯膨胀率δ＝(T₂-T₁)/T₁。

③电芯寿命测试过程中电解液消耗速率ν_n＝(H₃-Hn)*S₁*ρ/n，其中ρ为电解液密度大小，n为电芯寿命测试过程中的循环圈数或者电芯不同条件下的存储寿命/存储天数。

也即是，本实用新型通过提供用于测量的测量件13和用于观测测量结果的观测窗口，以能够在第一壳体11和第二壳体12组装成电池后，首先可十分简便清晰地检验电池设计注液量的合理性，并直接测试出动力方形电池的产气空间；其次，后续在电池化成过程与做容量过程中，可清晰测试出内部裸电芯膨胀情况与电池吸液能力，以反推裸电芯膨胀不同荷电状态下的孔隙率大小，实现无损检测并且效率高。

更具体地，本实用新型提供的可视化电池壳体测量装置不仅限于测量尺寸功能，还可在壳体本体10上设有测量内压的内压测量装置和/或测量气体吸收的气体测量装置。详细地，在壳体本体10上开设有第一安装孔和/或第二安装孔，第一安装孔对应装配内压测量装置，第二安装孔对应装配气体测量装置。有关于其他内压测量装置、气体测量装置与壳体本体10装配的方式可参考现有技术，具体在此不再赘述。

综上，本实用新型公开一种简便的可视化(锂离子)电池壳体测量装置，该整个装置等同于正常设计动力电池、未经过任何简化，与传统的正常锂离子电池相比，壳体具有可视化和测量功能，以能够清楚直观的观察到电池内部不同荷电状态下裸电芯的膨胀大小，测试出真实可靠的产气空间大小和各个状态下裸电芯的膨胀大小，通过观察电池内部电解液液面不断的变化数据，推导出电解液的消耗速度并进一步得到满足电池寿命的电解液量(电解液容量)；更进一步，还可通过电解液变化量得到无法用常规方法测出的带电状态下极片孔隙率数据，且以上所有数据均为无损检测，节省大量人力、物理和时间资源。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种可视化电池壳体测量装置，其特征在于，包括内部中空且端部开口的第一壳体(11)、设于所述第一壳体(11)的开口端以形成壳体本体(10)的第二壳体(12)、以及设于所述壳体本体(10)上的测量件(13)和用于观察所述测量件(13)的测量结果的观测窗口，所述第二壳体(12)为设于所述第一壳体(11)顶端端部的电池顶盖。

2.根据权利要求1所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述测量件(13)为设于所述壳体本体(10)上的测量标尺，且所述测量标尺为刻于所述壳体本体(10)的侧部上的一体化测量件，或为固接在所述壳体本体(10)上的外接测量件。

3.根据权利要求2所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述可视化电池壳体测量装置还包括固接在所述第二壳体(12)上且密封于所述第一壳体(11)空腔内的裸电芯(15)和向所述空腔内注入电解液的注液口(14)。

4.根据权利要求3所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述测量标尺的刻度线包括沿高度方向布设以用于测量电解液液面高度H的第一刻度线(13a)和沿宽度方向布设以用于测量所述第一壳体(11)内裸电芯(15)的厚度的第二刻度线(13b)，根据测量的电解液液面高度H和裸电芯厚度T，计算出产气空间V'、裸电芯膨胀率δ以及电解液消耗速率ν。

5.根据权利要求1所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述观测窗口为全透明的所述第一壳体(11)及第二壳体(12)、全透明的所述第一壳体(11)、或部分透明的第一壳体(11)上的透明部分。

6.根据权利要求5所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述第一壳体(11)及所述第二壳体(12)为塑料浇筑而成的浇筑件，或者为玻璃形成的手工件。

7.根据权利要求1所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述第一壳体(11)与第二壳体(12)通过胶水密封，或者，所述第一壳体(11)的开口处设有铝层，所述第二壳体(12)通过焊接密封所述铝层。

8.根据权利要求1所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述壳体本体(10)为方体结构，所述第一壳体(11)的内部空腔为方形且顶端开口，所述第二壳体(12)为方形板状的金属壳或塑胶壳。

9.根据权利要求1或8所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述壳体本体(10)的耐压强度≥1500N，所述壳体本体(10)的内腔耐腐蚀性满足60℃温度下耐电解液浸泡时间≥30天。

10.根据权利要求1所述的可视化电池壳体测量装置，其特征在于，所述壳体本体(10)上设有测量内压的内压测量装置和/或测量气体吸收的气体吸收测量装置。

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