用于电池模组的膨胀测试的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于电池模组的膨胀测试的方法、一种用于电池模组的膨胀测试的设备和一种计算机程序产品。

背景技术

随着新能源技术的大力推动和发展，越来越多的车辆以动力电池作为能量载体进行驱动。在动力电池使用过程中，电芯膨胀或鼓胀是常见现象。在这种情况下，由于模组整体钢铝框架的刚性限制，电芯膨胀产生的反作用力会作用于电芯自身，因此最终可能导致电芯被压缩而引起循环性能跳水。同时，电芯膨胀产生的力在整体上可能导致模组框架变形，从而使电池模组无法与电子设备正确接合。

因此，有必要对电池膨胀特性进行研究，以在实际应用中避免可能存在的安全隐患。

现行的典型循环测试方法一般为先恒流充电至截止电压，然后恒流放电的模式。然而，目前主流方法大多只考虑在充放电阶段执行数据采样，并在经历若干循环之后分析累积得到的结果，但是对静置恢复阶段中的电池特性考虑甚少，这不仅导致对电池整体健康状态的分析仍不够全面，而且各个循环中的静置时段也未被充分利用，造成时间效率浪费。

因此，期待提供一种改进的电池循环测试方案，以在确保能够在膨胀维度上分析电池健康状态的同时提高测试效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于电池模组的膨胀测试的方法、一种用于电池模组的膨胀测试的设备和一种计算机程序产品，以至少解决现有技术中的部分问题。

根据本发明的第一方面，提供一种用于电池模组的膨胀测试的方法，所述电池模组包括多个电芯，所述方法包括以下步骤：

S1：在多个测试周期上对电池模组执行循环充放电操作期间，获取电池模组的与膨胀特性相关的参数，其中，在至少一个测试周期中的充放电阶段和恢复阶段分别获取电池模组的所述参数；以及

S2：对在多个测试周期上累积获取的所述参数执行趋势分析，以得出关于电池模组的健康状态的结论。

本发明尤其包括以下技术构思：目前已经认识到，电池膨胀事件会随着充放电次数的增加而引起电池诸多特性变化，通过监测与膨胀特性相关的参数，可以良好地对电池性能执行健康分析。此外，在充放电阶段电池状态受诸多环境因素影响，其膨胀特性也处于动态变化中，因此探测结果具有一定不确定性。通过在循环测试的恢复时段和充放电时段分别采集数据，可以在有限循环次数下获得更充足的数据样本，以实现电池膨胀特性的更稳定分析。

可选地，关于电池模组的健康状态的结论包括：

电池模组和/或电芯在多个测试周期上的膨胀水平；

电池模组和/或电芯的膨胀水平对电池模组和/或电芯的循环性能的影响；

电池模组和/或电芯的膨胀水平对电池模组的整体框架结构的影响；以及

电池模组的充放电操作对电池模组和/或电芯的膨胀水平的影响。

在此，尤其实现以下技术优点：相比于电池的常规循环寿命测试，在此对电池模组的状态劣化和结构劣化提出新的分析维度，能够从膨胀水平角度分析失效原因，为后续的动力电池研发奠定了可靠基础。

可选地，与膨胀特性相关的参数包括膨胀参数和循环性能参数，所述膨胀参数包括电池模组和/或电芯的膨胀力、膨胀速率以及电池模组的框架变形量，所述循环性能参数包括电池模组和/或电芯的输出电压、温度、容量值以及容量保持率。

在此，尤其实现以下技术优点：通过记录多种数据类型，能够在整个生命周期上对电池性能执行更完整分析，从而更快速定位出故障原因。

可选地，在所述至少一个测试周期中的充放电阶段和恢复阶段，分别向电池模组施加不同的检测方案以确定所述参数；和/或

在所述至少一个测试周期中的充放电阶段和恢复阶段，分别以不同的采样频率对所述参数执行采样，其中，在充放电阶段中施加的采样频率大于在恢复阶段中施加的采样频率。

在此，尤其实现以下技术优点：由此能够使数据采集方式适配于电池在不同阶段的状态变化特性，在确保数据样本充分可靠的前提下减小数据采集开销和存储开销。

可选地，在每个测试周期中，对电池模组执行以下操作：

在充电阶段将电池模组充电至上限电压；

在放电阶段将电池模组放电至下限电压；

在充电阶段和放电阶段之间和/或在放电阶段之后设有恢复阶段，在所述恢复阶段中既不对电池模组进行充电操作也不进行放电操作。

在此，尤其实现以下技术优点：通过灵活调整恢复阶段在测试周期中的位置或次序，能够在确保电池性能稳定的前提下缩短整体循环测试所需时间，提高了测试效率。

可选地，在每个测试周期的充电阶段中以恒流和/或恒流-恒压方式对电池模组执行充电，在每个测试周期的放电阶段中以恒流方式、尤其以固定放电倍率对电池模组执行放电；和/或

每个测试周期的充电阶段被划分为多个子区间，在彼此相继的子区间中，以不同充电倍率、尤其以递减的充电倍率对电池模组执行充电。

在此，尤其实现以下技术优点：通过阶梯式充电策略一方面能够显著加快充电过程，使整体循环测试时间缩短。另一方面由于极化效应得以消除，电池发热现象显著降低，也因此避免了过充发生，使电池受到良好保护。

可选地，所述方法在执行循环充放电操作之前还包括操作准备步骤，其中，将用于检测与膨胀特性相关的参数的测试组件集成到待测试的电池模组中，其中，以测试组件替代电池模组的部分区段中的、尤其中间区段中的确定数量的电芯。

在此，尤其实现以下技术优点：这种嵌入式布置方式能够有效提升电池模组内部膨胀力的检测精度，并且可以让测试组件适配于不同型号电池，扩展了应用范围。

可选地，所述方法在执行循环充放电操作之前还包括初始化步骤，其中，将待测试的电池模组的残余电量放空并检测电池模组的初始充电容量和初始放电容量。

在此，尤其实现以下技术优点：电池的实际充、放电容量可能与标称值有所偏差，通过在实验环境条件下一次性地执行这种测量，能够得到真实的参考容量信息，从而为后续的性能衰减分析提供了良好参照，使分析结果更具备说服力。

根据本发明的第二方面，提供一种用于电池模组的膨胀测试的设备，所述设备用于执行根据本发明的第一方面所述的方法，所述设备包括：

充放电单元，其被配置为在多个测试周期上对电池模组执行循环充放电操作；

检测单元，其被配置为在对电池模组执行循环充放电操作期间获取电池模组的与膨胀特性相关的参数，所述检测单元还被配置为在至少一个测试周期中的充放电阶段和恢复阶段分别获取电池模组的所述参数；以及

分析单元，其被配置为对在多个测试周期上累积获取的所述参数执行趋势分析，以得出关于电池模组的健康状态的结论。

根据本发明的第三方面，提供一种计算机程序产品，其中，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序用于在被计算机执行时实施根据本发明的第一方面所述的方法。

附图说明

下面，通过参看附图更详细地描述本发明，可以更好地理解本发明的原理、特点和优点。附图包括：

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于电池模组的膨胀测试的设备的框图；

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于电池模组的膨胀测试的方法的流程图；

图3示出了用于执行循环充放电操作的过程的流程图；

图4示出了图2所示的一个方法步骤的流程图；

图5a-图5b示出了两种电化学体系的方壳电池模组在借助根据本发明的方法进行膨胀测试时所表现出的容量保持率的变化趋势；

图6示出了借助根据本发明的方法获取的电池模组的框架变形量随时间的变化趋势；以及

图7示出了借助根据本发明的方法获取的电池模组的内部膨胀力随时间的变化趋势。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益的技术效果更加清楚明白，以下将结合附图以及多个示例性实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而不是用于限定本发明的保护范围。

图1示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于电池模组的膨胀测试的设备1的框图。

如图1所示，为了对电池模组100进行膨胀测试而示出了相应的设备1。在该实施例中，设备1包括充放电单元10、获取单元20和分析单元30。

在此，电池模组100例如包括壳体以及布置在壳体内的多个电芯(为简洁起见而未具体示出)，这些电芯沿着确定方向彼此堆叠形成电池模组100。电池模组100例如涉及锂离子电池模组，然而其也可以涉及其他具备高能量存储水平且能够循环利用的电化学单元。

在实际应用中，电池模组100会随着时间推移发生膨胀，这进而引起多种电气特性和机械特性的退化。为了探究这种状态变化，需要在多次充放电循环上研究电池模组100的膨胀特性。为此，通过充放电单元10来模拟电池模组在实际使用过程中所经历的循环充放电过程。

具体地，充放电单元10包括充电模块11和对应的充电开关12。在充电阶段，充电开关12闭合，充电模块11以适当的充电电流对电池模组100进行充电。这里，取决于所选的充电策略，充电模块11例如可以调整出期望的充电电流并以恒流方式或恒流-恒压方式来对电池模组100进行充电。此外，充电模块11例如还具有计时功能，以便在适当的时机切换充电倍率。

此外，充放电单元10还包括可变负载13和对应的放电开关14。在放电阶段，充电开关12断开，充电模块11停止对电池模组100充电，并且放电开关14闭合，以使电池模组100与可变负载13形成完整回路，从而电池模组100能够在可变负载13上释放电能。在此，例如可以通过对可变负载13的阻抗进行适当调节而产生期望的放电电流或放电倍率。

为了在多个测试周期上实时监测电池模组100的与膨胀特性相关的参数，电池模组100还连接到获取单元20。获取单元20例如包括不同类型的测试组件，以对电池模组100的不同类型的参数进行测定。在图1所示实施例中，获取单元20例如包括压力传感器21、位移传感器22、电压测量模块23、电流测量模块24、温度测量/设定模块25。

压力传感器21例如可以在外部或在内部耦合到电池模组100上并被配置为测量由于电芯膨胀而产生的力。在内部耦合意味着，压力传感器21在电池模组100中布置成能够取代电池模组100的局部区段、尤其中间区段中的确定数量的电芯。在外部耦合意味着，压力传感器21夹持在电池模组100的壳体上，以测量由于一个或多个电芯共同产生并施加在壳体上的力。

位移传感器22例如用于在至少一个方向上检测待测试电池模组100的端部位移并输出位移信号。作为示例，例如可以沿长度、宽度方向在电池模组100两侧的对应位置处分别设置一个或多个位移传感器，以进一步提高测试精度。

电压测量模块23被配置为能够监测整个电池模组100两端的电压。此外，电压测量模块23还可以测量电池模组100的各个电芯两端的电压，以实时监测单个电芯的循环性能跳水。在此，电压测量可以在充电阶段、放电阶段或静置恢复阶段执行。

电流测量模块24被配置为在多个测试周期上测量流过电池模组100的电流，这种电流信号例如可以被提供用于对充放电策略的精确控制或用于执行健康寿命分析。这里，虽然直接测量的参数为电流或电压，但是在此基础上还能够进一步确定电池模组的容量，以及与容量相关的参数。电池模组的容量例如被定义为在预设条件下(例如确定温度、放电倍率)情况下完全放电所需的安培小时数。

此外，还通过温度测量/设定模块25来为电池模组100提供适当的受控温度环境，以使待测试电池模组100在不同测试环节(例如操作准备阶段、初始化阶段、循环充放电阶段)被置于不同的温度条件下。此外，温度测量/设定模块25例如还用于在充放电过程中监测电池模组100的发热情况。这里，温度测量/设定模块25尤其可以构造成带有温度传感器的加热箱或其他合适的加热或冷却装置。

获取单元20的各个测试组件均连接到分析单元30，以将实时的测量结果集中反馈给分析单元30并在那里执行相应的计算和分析处理。分析单元30例如构造成处理器并用于对在多个测试周期上累积获取的参数执行趋势分析，以得出关于电池模组100的健康状态的结论。这里，基于施加到电池模组100上的膨胀力以及充电/放电循环次数之间的关系，可以预估或评价电池模组100的健康状态，并在必要时制定补救措施。分析单元30例如连接到云端或其他终端设备，从而例如可以在车辆行驶期间为动力电池的使用情况提供参照依据。此外，分析单元30还可以耦合到一个或多个仿真模型，以便利用分析结果计算出更准确的系统模型参数。

图2示出了根据本发明的一个示例性实施例的用于电池模组的膨胀测试的方法的流程图。该方法示例性地包括步骤S01、S02、S1、S2，并且例如可以在使用图1所示的设备1的情况下实施。

在正式开始执行循环充放电操作之前，例如可以实施操作准备步骤S01和初始化步骤S02。

在操作准备步骤S01中，对待测试电池模组进行组装。例如，将用于检测与膨胀特性相关的参数的测试组件集成到待测试的电池模组中。作为示例，可以以测试组件替代电池模组的部分区段中的、尤其中间区段中的确定数量的电芯。对于不同型号的电池模组而言，尤其可以以测试组件替代不同数量的电芯。

在初始化步骤S02中，在对待测试电池模组执行组装之后，需要对电池模组中的残余电量进行放空操作，并在预设条件下对电池模组执行一个完整的充电和放电循环，这样做的目的是确定电池模组的实际充电容量和放电容量。由于电池模组在制造批次、环境条件上的差异，因此每个电池模组的初始容量可能与标称容量有所偏差。在这种情况下，在实验环境下(或应用环境中)一次性地执行初始容量测定是有利的。

接下来，在步骤S1中，在多个测试周期上对电池模组执行循环充放电操作期间，获取电池模组的与膨胀特性相关的参数，其中，在至少一个测试周期中的充放电阶段和恢复阶段分别获取电池模组的所述参数。

在本发明的意义上，与膨胀特性相关的参数不仅仅指代“膨胀力”本身，而是还包括那些与膨胀特性存在潜在关联(例如受到膨胀特性影响而会发生变化的参数，或者这种参数的施加方式会影响膨胀特性)。因此，这里定义的“与膨胀特性相关的参数”例如包括膨胀参数和循环性能参数。膨胀参数例如包括电池模组和/或电芯的膨胀力、膨胀速率以及电池模组的框架变形量，循环性能参数例如包括电池模组和/或电芯的输出电压、温度、容量值以及容量保持率。

接下来，在步骤S2中，对在多个测试周期上累积获取的所述参数执行趋势分析，以得出关于电池模组的健康状态的结论。

这里，关于电池模组的健康状态的结论包括：电池模组和/或电芯在多个测试周期上的膨胀水平；电池模组和/或电芯的膨胀水平对电池模组和/或电芯的循环性能的影响；电池模组和/或电芯的膨胀水平对电池模组的整体框架结构的影响；以及，电池模组的充放电操作对电池模组和/或电芯的膨胀水平的影响。通过了解电池的健康状态，例如可以结合膨胀特性来预测电池模组的寿命，并为容量保持率定义新的阈值或极限。

图3示出了用于执行循环充放电操作的过程的流程图。

在步骤101中，将测试机柜的温度调整至预设温度(例如35度)并将待测试的电池模组静置确定时间段(例如120分钟)。在此，电池模组例如已经经历过了初始化阶段并因此需要一定时间的恢复阶段，以达到过电压平衡并消除极化。

在步骤102中，从多个可能的充电倍率中依次选择合适的充电倍率。作为示例，例如从1C、0.5C、0.2C、0.05C中选择充电倍率。此处，充电倍率被定义为电池模组的充电电流与额定容量的比值并表示充电快慢的度量，例如，当用1200mA的电流给额定容量为1200mAh的电池模组充电时，充电倍率则为1C，依此类推。

在步骤103中，借助所选的充电倍率以恒流方式对电池模组进行充电。

在此尤其涉及恒流方式的阶梯式充电策略，也就是说，整个充电阶段例如按照时间或按照所达到的电压等级被划分为多个子区间。一旦从一个子区间切换到另一子区间，则发生充电倍率的切换。作为示例，首先从下限电压以第一倍率(例如1C)对电池模组执行充电，当发现实时输出电压达到第一电压等级时，则将充电倍率从第一倍率切换到第二倍率(例如0.5C)，依次类推，直至遍历完所有充电倍率。

在步骤104中，检查是否遍历完所有充电倍率。

如果不是这种情况，则重新回到步骤102并继续以下一可能的充电倍率进行充电。

如果发现已经遍历完所有充电倍率，则例如在步骤105中在以最后一个充电倍率执行充电期间将实时监测到的电压与上限电压进行比较，并判断是否到达上限电压。

如果还没达到上限电压，则例如继续以当前所选的充电倍率(例如0.05C执行充电)。

如果已经达到上限电压，为了防止过充损坏电池，则应当停止充电过程，这表示充电阶段已经结束。然后，例如在步骤106中借助确定的放电倍率以恒流方式对电池模组进行放电操作。

在步骤107中，将实时监测到的电池模组输出电压与下限电压进行比较，并判断是否已经达到下限电压。如果不是这种情况，则例如继续以确定倍率执行放电。

如果已经达到下限电压，则例如在步骤108中结束放电阶段并进入到恢复阶段。在恢复阶段中，既不对电池模组进行充电操作也不对其进行放电操作，而是使电池模组处于开路状态。通常，在每个测试周期中，这样的恢复阶段例如持续30分钟，然而也可以根据实际需求而加长或缩短该恢复阶段的持续时间。

在步骤109中，检查是否已经达到循环终止条件。在此，例如检查：是否已经进行了预确定数量(该数量与具体的电池类型和相关标准有关)的循环。作为另一示例，检查当前测得的容量保持率是否已经低于确定阈值(例如80％)，如果是这种情况，则也在一定程度上表示被测试的电池模组已经趋近于其使用寿命的终止阶段。

如果尚未到达循环终止条件，则例如可以从步骤109返回步骤102并开始下一循环的充放电测试。

相反，如果已经达到循环终止条件，则可以在步骤110中结束循环充放电操作。

在图3所示流程图中，在示出了执行循环充放电的操作步骤的同时，还以虚线示出了获取与膨胀特性相关联的参数的可能区间。可以看出，不仅可以在每个测试周期的充电阶段和放电阶段以确定采样频率来执行数据采样，此外也可以在恢复阶段以另一采样频率测量数据。此外也可想到，在充、放电阶段和恢复阶段分别针对不同的数据类型执行采样。

图4示出了图2所示的一个方法步骤的流程图。在该示例性实施例中，图2中的方法步骤S02例如包括步骤S021-S026。

在步骤S021中，在对测试用电池模组装配完成之后，将机柜温度调整至25度并将装配好的电池模组静置120分钟。

在步骤S022中，例如以1C放电倍率对电池模组执行放电直至达到下限电压，以将待测试的电池模组中的残余电量放空。为了确保初始充电容量确定的准确性，在这一放电过程之后例如设有持续时间为30分钟的静置恢复时间段，以让电池模组充分恢复之后再重新进行充电。

在步骤S023中，采取恒流方式以多个充电倍率对电池模组执行充电，直至到达上限电压。在此，例如仍以阶梯式递减的倍率切换方式，并按照1C+0.5C+0.2C+0.05C的顺序对电池模组执行充电。

在步骤S024中，确定电池模组的初始充电容量，这里，例如可以首先基于充电倍率以及对应的充电持续时间计算出各区间单独的充电容量，最后再将各个区间分别对应的充电容量进行叠加，以得到电池模组的整体充电容量。为了使得到的充/放电容量足够准确，例如在充电阶段结束之后设有持续时间为30分钟的静置恢复阶段。

在步骤S025中，以确定放电倍率(例如1C)将电池模组放电至下限电压。

在步骤S026中，确定电池模组的初始放电容量。由此获得的初始放电容量和/或初始充电容量例如可以替代电池模组的标称容量而被存储作为后续测试过程的参考。

图5a-图5b示出了两种电化学体系的方壳电池模组在借助根据本发明的方法进行膨胀测试时所表现出的容量保持率的变化趋势。

图5a例如示出了磷酸铁锂电池模组的容量保持率随时间的变化趋势。在此，容量保持率理解为在预设条件下(例如确定的温度、湿度、放电倍率)情况下，电池模组所存储的可用容量占初始容量的比例。为了计算容量保持率，例如可以基于电池模组在预设条件下完全放电(放电至下限电压)时的持续时间和放电电流得到安培小时数。

如图5a所示，电池模组的容量保持率随着电池模组的充放电循环次数的增多而逐渐降低。在前几个循环中，由于电池模组化成没有完全，因此可能出现短暂的容量上升，之后的测试容量则逐渐恢复到正常变化趋势中。

从总体上观察可以看出，测试前期电池模组尚未发生明显膨胀和内部劣化，因此容量保持率维持在100％附近的较高水平。随着电池模组膨胀的加剧(例如经历了越来越多的充放电循环)，容量保持率也随之进一步降低。

在图5b示出了三元锂电池模组的容量保持率随时间的变化趋势。在借助根据本发明的方法对磷酸铁锂电池模组和三元锂电池模组执行膨胀测试时，对于两个电池模组而言，所有操作步骤、实验条件、数据采集时间段和采集频率例如被设置成相同的或类似的。由图5a-图5b对比可见，相比于磷酸铁锂电池模组的容量衰减情况，三元锂电池模组的容量保持率更快地下降。此外研究表明，在经历了确定循环数量之后，磷酸铁锂电池模组的膨胀程度在总体上要小于三元锂电池模组，因此从膨胀特性维度分析，更大的膨胀程度极有可能构成导致三元锂电池模组的容量更快衰减的一个重要原因。

图6示出了借助根据本发明的方法获取的电池模组的框架变形量随时间的变化趋势。

此处示例性地示出了两组膨胀变形量曲线，上部曲线例如表示借助(沿长度方向)布置在电池模组的端面处的第一位移传感器所探测到的框架纵向位移量变化。下部曲线例如表示借助(沿宽度方向)布置在电池模组的壳体外侧面处的第二位移传感器所探测到的框架横向位移变化量。可以看出，每个位移变化量曲线包括一系列交替的波峰和波谷，每对波峰和波谷例如表示一个测试周期中的充电和放电过程。随着充电的进行，电池模组的框架变形程度逐渐增大，在放电时，电池模组由于膨胀而增大的外壳尺寸重新收缩。然而，通过观察分别包络波谷和波峰的轮廓线可以看出，虽然由于电芯膨胀引起的框架变形量在每个单独测试循环中呈现先上升再下降的趋势，但是整体上仍呈现出不可逆的增大趋势。也就是说，随着循环充放电次数的增加，电池模组所产生的框架变形量也不断增大，一旦超出框架弹性极限，则不再能够恢复到原始结构尺寸。

如果共同观察上部位移量曲线和下部位移量曲线，则能够看出：电池模组在长度方向上的膨胀程度大于宽度方向，因此在长度方向上导致了框架的更大程度变形。

在此应注意，虽然在图6中出于简洁目的而仅示出了两个位移传感器的测试结果，然而也可能的是，在实际测试过程中在电池模组的更多位置处部署更多数量的位移传感器，并例如叠加或融合地考虑这些传感器的测试结果。

图7示出了借助根据本发明的方法获取的电池模组的内部膨胀力随时间的变化趋势。

与图6所示的框架变形量变化趋势类似的，图7所示的电池模组内部膨胀力同样包括多个交替变化的波峰和波谷。从总体上观察，电池模组的内部膨胀力同样呈现出不可逆的增大趋势。也就是说，随着电池模组的循环充放电次数的增加，电池模组的膨胀程度也越来越明显，逐渐增大的内部应力不仅可能引起框架结构破坏，而且还可能导致电芯彼此受到挤压，进而导致容量衰减、电压突然跳水等多方面劣化。

尽管这里详细描述了本发明的特定实施方式，但它们仅仅是为了解释的目的而给出的，而不应认为它们对本发明的范围构成限制。在不脱离本发明精神和范围的前提下，各种替换、变更和改造可被构想出来。