在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置及测试方法

技术领域

本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置及测试方法。

背景技术

锂离子电池由于其优越的储能密度和工作性能，目前广泛应用于新能源汽车和储能站上，但由于锂离子电池的工作原理为电化学反应，其在不同使用环境下的长时间性能、安全、物化性质的变化一直是业界的研究重点。

对于锂离子电池在不同温度和不同充放电速率下的循环老化测试，使用电池充放电仪器和恒温箱即可完成测试。由于新能源汽车的电池组一般同时作为底盘使用，电池组在汽车行驶中可能受到各种机械冲击，导致电池受到挤压；除去因外部机械破坏导致的变形，锂离子电池在正常充放电过程中也会发生体积变形，明显的厚度变化会使电池组内电池工作时受到较大的平面挤压力。因此电池在实际使用过程中必然受到各种力的作用，这些力可能以各种形式作用于电池上。由于锂离子电池的工作建立在可逆电化学反应上，因此对于环境的稳定性要求较高，而力的作用会使得电池内部的电化学反应环境出现变化和不均匀，因此需要对实际使用时电池所处的力学状态对其性能、安全性和稳定性的影响展开研究。

这需要一种专用的测试仪器，可以给电池施加各种形式的机械载荷，并且将电池所处环境的其他参数尽量进行控制，以便控制变量来得到理想的测试结果。

以往这种测试都在力学试验机上进行，并使用电池测试仪配合进行数据采集，但这种方式有几个先天性问题。由于力学试验机的设计目的为测试材料性能，因此其测试原理不适合对于多个电池进行同时测试，因为力学试验机对形变量的采集为单一变形量采集，如果有多个电池，则无法对每个电池的形变量进行单独采集，这使得其在测试过程中无法提供足够的精准数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置及测试方法，解决现有技术中的电池性能测试用的机械载荷只能采集单一变形，针对多个电池，则无法对每个电池的形变量进行单独采集，导致测试过程中无法提供足够的精准数据的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案实现：

一种在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置，包括底座支架、N个夹板、两个电机、定位板、压力传感器和激光测距仪；

所述底座支架上固定设置有底板，底板上竖直设置有M个光杆，夹板上开设有M个限位孔和两个定位孔，限位孔和定位孔均为光孔；所有夹板通过限位孔活动式套设在光杆上，且位于底板上方，每个限位孔对应一个光杆；N个夹板叠放，自下而上依次记为：第一层夹板、第二层夹板，……，第N层夹板，相邻两层夹板之间放置有电池；

所述定位板位于第N层夹板上，定位板上开设有两个螺纹孔，且螺纹孔与定位孔的位置相对应；M和N均为大于等于3的正整数；

所述电机固定设置在底板上，电机输出轴竖直向上，每个电机输出轴上固连一个竖直设置的丝杆，丝杆穿过所有夹板对应的一组定位孔后上端伸入对应的一个螺纹孔中，并与定位板螺纹连接；

所述第一层夹板上等间距开设有(N-1)个通孔，坐标依次记为：{(1，1)， (1，2)，……，(1，N-1)}；

第二层夹板上等间距开设有(N-2)个通孔，坐标依次记为：{(2，2)，(2， 3)，……，(2，N-1)}；

……

第(N-1)层夹板上开设有1个通孔，坐标记为：{(N-1，N-1)}；

且，坐标为(1，N-1)、(2，N-1)，……，(N-1，N-1)的N-1个通孔同心设置，记为第N-1组通孔；

坐标为(1，N-2)、(2，N-2)，……，(N-2，N-2)的N-2个通孔同心设置，记为第N-2组通孔；

……

坐标为(1，2)、(2，2)的2个通孔同心设置，记为第2组通孔；

坐标为(1，1)的通孔，记为第1通孔；

所述电池不会遮挡通孔；

所述压力传感器、激光测距仪设置在底板上，底板上等间距设置有(N-1) 个反射镜片，压力传感器和反射镜片位于底板和第一层夹板之间；

(N-1)个反射镜片依次记为第一反射镜、第二反射镜，……，第(N-1)反射镜；反射镜片的下端与底板铰接，每个反射镜片背面固定设置有一个磁铁，底板上设置有(N-1)个电磁铁；每个电磁铁与一个磁铁相对应；每个反射镜片处均设置有有一个限位支架，能够使反射镜片的工作面与底板的夹角成45°；传感器的高度大于反射镜片倾斜45°时的高度，压力传感器的探头与底板的底面接触；

所述第一反射镜与第1通孔对应，第二反射镜与第2组通孔对应，……，第 (N-1)反射镜与第(N-1)组通孔对应；

第(N-k)个反射镜与底板的夹角成45°时，其他(N-2)个反射镜片与底板紧贴，此时激光测距仪发射的激光经第(N-k)个反射镜反射后的反射光线穿过第(N-k)组通孔，k小于等于N-1的正整数。

本发明通过设置上述测试装置，将待测试的N-1个锂离子电池放入装置中，相邻两个夹板之间放置一个锂离子电池，进行可以对这些电池统一施加机械载荷，使用丝杆和电机调整机械载荷的大小，通过调节多层结构的每一层的形状，调整对电池施加的机械载荷类型。

使用激光测距仪配合反射镜片和电磁装置，间歇对多层结构之间的间隙进行测量，进而间接测量每两层夹板之间距离，达到测量每个电池形变量的目的。

使用电池测试仪对机械载荷下的电池批量加载电负荷，从而对电池进行充放电循环或电滥用，进而实现对电池的多滥用老化测试。

进一步优化，所述夹板上开设有用定位槽，将电池放置在定位槽中，防止在施加机械载荷后电池发生位移。且保证在重新安放新电池后的电池位置和原先一致，也保证每个电池上的机械载荷的一致，提高测试结果的精准度。

进一步优化，所述定位槽的底板开设凹槽，凹槽中设置有温度传感器，且温度传感器与电池的表面相接触。通过设置温度传感器，在对电池加载机械载荷的同时，对电池温度进行监测。

进一步优化，所述限位支架为门字形的框架，固定在底板上，反射镜片向上转动至与底板的夹角成45°时与限位支架的限位横杆相抵持。

进一步优化，所述电机为伺服电机。

基于上述在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、将待测试的N-1个电池放入权利要求1-4所述的装置中，相邻两个夹板之间放置一个电池，自下而上依次记为：第一电池，第二电池，……，第(N-1) 电池；

步骤二、同时启动两个电机，两个电机的转速和转动方向相同，电机带动丝杠转动，从而驱动定位板向下移动，挤压N层夹板和(N-1)个电池；压力传感器实时采集压力信号给控制系统，当压力传感器采集的压力值等于设定值后，维持此挤压状态；

步骤三、测量(N-1)个电池在此机械载荷下的厚度；

步骤四、使用电池测试仪对此机械载荷下的(N-1)个电池批量加载电负荷，对电池进行充、放电循环或电滥用，实现对电池的多滥用老化测试；

步骤五、微调两个电机的转速和转动方向，使电池保持设定挤压状态，重复步骤三和四。

进一步优化，所述步骤三中测量(N-1)个电池的挤压后的厚度的具体方法如下：

所述第一反射镜距离激光测距仪最近，夹板的厚度为d，反射镜片中心点距第一层夹板的底面的垂直距离为b；

测量第一电池挤压后的厚度时，给第一反射镜对应的电磁铁通直流电，该电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相同，则第一反射镜向上转动45°后与对应的限位支架横梁相抵持；给其他(N-2)个电磁铁均通反向直流电，使其他(N-2)个电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相反，则其他(N-2)个反射镜片与底板紧贴；激光测距仪发射激光经第一反射镜反射后，反射光线穿过第1通孔后射向第二层夹板的底面，此时激光测距仪测到的光路距离为X

测量第二电池挤压后的厚度时，给第二反射镜对应的电磁铁通直流电，该电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相同，则第二反射镜向上转动45°后与对应的限位支架横梁相抵持；给其他(N-2)个电磁铁均通反向直流电，使其他(N-2)个电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相反，则其他(N-2)个反射镜片与底板紧贴；激光测距仪发射激光经第二反射镜反射后，反射光线穿过第2组通孔后射向第三层夹板的底面，此时激光测距仪测到的光路距离为X

……

以此推导，测量第第(N-1)电池厚度时，给第(N-1)反射镜对应的电磁铁通直流电，该电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相同，则第(N-1)反射镜向上转动45°后与对应的限位支架横梁相抵持；给其他(N-2)个电磁铁均通反向直流电，使其他(N-2)个电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相反，则其他(N-2)个反射镜片与底板紧贴；激光测距仪发射激光经第(N-1)反射镜反射后，反射光线穿过第(N-1)组通孔后射向第N层夹板的底面，此时激光测距仪测到的光路距离为X

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明设计的多层结构测试装置，可以批量对锂离子电池加载相同的机械载荷，并可与电池测试仪配合批量实现机械载荷下的电池循环老化和其他多滥用测试。

2、本发明中的测试装置，通过激光测距仪、反射镜片和电磁装置可以在仅使用一个激光测距仪的情况下，实时监测多个电池的厚度变化，且可以单独测量每个电池的厚度变化，结构简单且成本低。

3、本发明中测试装置的每一层均夹板上设计了用于安放热电偶或其他类型温度传感器的凹槽，可以在老化测试过程中对电池被挤压面的温度进行监测，也可以在电池非受压面安置其他温度传感器，实现更加全面的温度监测。

4、本发明测试装置的每一层夹板上均设计了限位孔孔，配合底座上的光杆可以保证各层之间测相对平行，进而保证各层之间的电池所受的机械载荷的一致。

5、本发明测试装置使用伺服电机和丝杆相互配合对各层之间的电池施加机械载荷，可以实现机械载荷的无级调控，又由于多层结构之间可以放置多个电池，因此可以批量对电池进行机械载荷加载，有助于批量测试时控制变量。

6、本发明中测试装置的每一层夹板上均有电池定位槽，可以保证不同测试批次的电池的安放位置的相同，进一步控制实验变量。

附图说明

图1为本发明涉及的在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置的主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为图3过丝杆轴线的剖视图；

图5为图3过与丝杆轴线平行的直线的的剖视图；

图6为第一层夹板的俯视图；

图7为第二层夹板的俯视图；

图8为激光测距仪和第二反射镜片转动45度角后的示意图；

图9为反射镜片与底板紧贴时的结构示意图；

图10为反射镜片转动45度后的结构示意图。

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。

实施例一：

如图1-10所示，一种在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置，包括底座支架19、六个夹板2、两个电机9、定位板1、压力传感器10和激光测距仪5。

所述底座支架19上固定设置有底板6，底板上竖直设置有四个光杆7，夹板上开设有四个限位孔8和两个定位孔20，限位孔和定位孔均为光孔；所有夹板通过限位孔活动式套设在光杆上，且位于底板上方，每个限位孔对应一个光杆；七个夹板叠放，自下而上依次记为：第一层夹板、第二层夹板，……，第七层夹板，相邻两层夹板之间放置有电池3；所述定位板1位于第七层夹板上，定位板 1上开设有两个螺纹孔，且螺纹孔与定位孔20的位置相对应。

在本实施例中，夹板为矩形板，矩形板的四个角分别开设有限位孔。

在其他实施例中，夹板的数量、形状，以及限位孔的数量根据具体情况而定。

所述电机固定设置在底板上，电机输出轴竖直向上，每个电机输出轴上固连一个竖直设置的丝杆4，丝杆4穿过所有夹板对应的一组定位孔20后上端伸入对应的一个螺纹孔中，并与定位板1螺纹连接。

如图6所示，所述第一层夹板上等间距开设有6个通孔11，坐标依次记为： {(1，1)，(1，2)，……，(1，6)}；

如图7所示，第二层夹板上等间距开设有5个通孔，坐标依次记为：{(2，2)， (2，3)，……，(2，6)}；

……

第六层夹板上开设有1个通孔，坐标记为：{(6，6)}；

且，坐标为(1，6)、(2，6)，……，(6，6)的6个通孔同心设置，记为第6 组通孔；

坐标为(1，5)、(2，5)，……，(5，5)的5个通孔同心设置，记为第5组通孔；

……

坐标为(1，2)、(2，2)的2个通孔同心设置，记为第2组通孔；

坐标为(1，1)的通孔，记为第1通孔；

上述通孔坐标中的第一位数字表示对应夹板的层数，第二位数字表示该层夹板上通孔的标记。

所述电池3不会遮挡通孔11。

所述压力传感器10、激光测距仪5设置在底板6上，底板11上等间距设置有5个反射镜片14，压力传感器10和反射镜片14位于底板和第一层夹板之间； 5个反射镜片依次记为第一反射镜、第二反射镜，……，第六反射镜；反射镜片 14的下端通过转轴18与底板6铰接，每个反射镜片背面固定设置有一个磁铁15，底板6上设置有6个电磁铁16；每个电磁铁16与一个磁铁15相对应；每个反射镜片14处均设置有有一个限位支架17，能够使反射镜片的工作面与底板的夹角成45°，如图10所示。所述传感器的高度大于反射镜片倾斜45°时的高度，即第一层夹板受到压力后挤压压力传感器。

第一反射镜与第1通孔对应，第二反射镜与第2组通孔对应，……，第六反射镜与第6组通孔对应；

例如当第2个反射镜与底板的夹角成45°时，其他5个反射镜片与底板紧贴，如图9所示，激光测距仪发射的激光经第2个反射镜反射后的反射光线穿过第2 组通孔，如图8所示，其中虚线为激光测距仪发射的光束。

本发明通过设置上述测试装置，将待测试的6个锂离子电池放入装置中，相邻两个夹板之间放置一个锂离子电池，进行可以对这些电池统一施加机械载荷，使用丝杆和电机调整机械载荷的大小，通过调节多层结构的每一层的形状，调整对电池施加的机械载荷类型。

使用激光测距仪配合反射镜片和电磁装置，间歇对多层结构之间的间隙进行测量，进而间接测量每两层夹板之间距离，达到测量每个电池形变量的目的。

使用电池测试仪对机械载荷下的电池批量加载电负荷，从而对电池进行充放电循环或电滥用，进而实现对电池的多滥用老化测试。

在本实施例中，所述夹板2上开设有用定位槽12，将电池放置在定位槽中，防止在施加机械载荷后电池发生位移。且保证在重新安放新电池后的电池位置和原先一致，也保证每个电池上的机械载荷的一致，提高测试结果的精准度。

在本实施例中，所述定位槽的底板开设凹槽13，凹槽13中设置有温度传感器，且温度传感器与电池的表面相接触。通过设置温度传感器，在对电池加载机械载荷的同时，对电池温度进行监测。

在本实施例中，所述限位支架17为门字形的框架，固定在底板上，反射镜片14向上转动至与底板的夹角成45°时与限位支架的限位横杆相抵持。

在本实施例中，所述电机9为伺服电机。

实施例二：

基于上述在挤压状态下对多电池进行老化测试的装置的测试方法，包括如下步骤：

步骤一、将待测试的6个电池放入上述的装置中，相邻两个夹板之间放置一个电池，自下而上依次记为：第一电池，第二电池，……，第六电池；

步骤二、同时启动两个电机，两个电机的转速和转动方向相同，电机带动丝杠转动，从而驱动定位板向下移动，挤压第七层夹板，使得7个夹板受力后均沿光杆向下移动，挤压电池，即对电池施加机械载荷；同时第一层夹板将压力传递给压力传感器，压力传感器实时采集压力信号给控制系统，当压力传感器采集的压力值等于设定值后，维持此挤压状态；

步骤三、测量6个电池在此机械载荷下的厚度；所述第一反射镜距离激光测距仪最近，夹板的厚度为d，反射镜片中心点距第一层夹板的底面的垂直距离为 b；

测量第一电池挤压后的厚度时，给第一反射镜对应的电磁铁通直流电，该电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相同，则第一反射镜向上转动45°后与对应的限位支架横梁相抵持；给其他5个电磁铁均通反向直流电，使其他5个电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相反，则其他5个反射镜片与底板紧贴；激光测距仪发射激光经第一反射镜反射后，反射光线穿过第1通孔后射向第二层夹板的底面，此时激光测距仪测到的光路距离为X

测量第二电池挤压后的厚度时，给第二反射镜对应的电磁铁通直流电，该电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相同，则第二反射镜向上转动45°后与对应的限位支架横梁相抵持；给其他5个电磁铁均通反向直流电，使其他5个电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相反，则其他5个反射镜片与底板紧贴；激光测距仪发射激光经第二反射镜反射后，反射光线穿过第2组通孔后射向第三层夹板的底面，此时激光测距仪测到的光路距离为X

……

以此推导，测量第六电池厚度时，给第六反射镜对应的电磁铁通直流电，该电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相同，则第六反射镜向上转动45°后与对应的限位支架横梁相抵持；给其他5个电磁铁均通反向直流电，使其他5个电磁铁的磁极与对应的磁铁磁极相反，则其他5个反射镜片与底板紧贴；激光测距仪发射激光经第六反射镜反射后，反射光线穿过第6组通孔后射向第七层夹板的底面，此时激光测距仪测到的光路距离为X

步骤四、使用电池测试仪对此机械载荷下的6个电池批量加载电负荷，对电池进行充、放电循环或电滥用，实现对电池的多滥用老化测试；

步骤五、微调两个电机的转速和转动方向，使电池保持设定挤压状态，重复步骤三和四，多次实验保证结果精确。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。