电池膨胀位移测试装置及其使用方法

技术领域

本发明属于电池测试领域，具体涉及一种电池膨胀位移测试装置及其使用方法。

背景技术

锂离子电池作为新能源汽车的重要组成部分，为整车系统提供电力。电池的安全性能以及使用寿命即为目前研究的重点。锂离子电池在充放电的过程中会发生膨胀收缩的体积变形现象，这种现象会对电池的寿命以及整车的安全性造成极大的影响。在锂离子电池的充放电过程中，电池的厚度会发生不同程度的变化，其主要的原因为：(1)锂离子在正负极活性颗粒的嵌入与脱出；(2)电芯内部副反应产气、析锂等。

随着电动汽车、储能市场的不断发展，对锂离子电池容量要求也在急剧提升，除了电化学体系方面的优化改进外，最直接有效的办法就是增大电芯体积，由此为锂电池成组设计方面带来了新的挑战。首先面内尺寸的增大将引发电池面内电-化-力-热的非均匀问题，如电流密度分布、温度分布、应力状态等，其次在厚度方向的增加将进一步突显该问题，将问题扩大化。这样的非均匀问题将直接导致单体电芯与模组之间的显著性能落差，同时给锂离子电池的安全性能带来巨大的挑战；所以探究大容量锂离子电池在充放电过程中面内厚度变化的分布规律将是广大研究设计人员的重要探索方向；深入了解掌握锂离子电池在充放电过程中的非均匀膨胀规律，为锂离子电池单体及成组设计方面提供重要依据，因此实时监测电芯在充放电过程中的非均匀膨胀现象就显得极为重要。

常用于测量锂离子电池厚度的实验测试方法主要有以下缺点：

1)通过游标卡尺或者千分尺测量电池厚度，该方法不便于充放电过程中进行实时测试且数据误差较大无法应用于后期对电池厚度变化的定量化分析。利用千分尺以及千分表设计的测量电池厚度的装置，例如专利CN206989861U提供了“一种测试锂离子电池充放电膨胀率的装置”便是利用千分尺设计的厚度测量装置或者专利CN209588918U提供了“一种电芯厚度膨胀原位测试装置”便是利用千分表设计的厚度测量装置。相对于位移传感器，该方法的精度明显不足，且仅为单点测试。

2)专利CN2853199Y“电池电芯厚度测量装置”在进行电池厚度测量的过程中，无法排除电池内部副反应产气以及由于工艺问题导致电池表面褶皱影响测量精度。

3)专利CN208998694U“锂离子电池膨胀位移测试装置”该方法测量电池的厚度是针对于整体区域的厚度，由于电池在制造的过程中会产生的表面不平整的现象，电池化成后可能存在的面内不均匀的现象，该装置忽视了电芯厚度不均匀的问题。专利CN114544041A“一种锂离子电池膨胀压力位移检测装置及检测方法”该测试装置也有同样的问题。

以上测试方法均未全面考虑影响锂离子电池厚度变化的因素，未考虑以下问题：(1)测量精度的要求；(2)产气以及电池表面褶皱对测量精度的影响；(3)电池厚度不均匀的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种电池膨胀位移测试装置及其使用方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种电池膨胀位移测试装置，包括电池固定单元、调节单元以及位移测量单元；

电池固定单元，用于固定待测电池；

调节单元，所述调节单元位于所述电池固定单元的一侧或两侧，包括粗调单元，所述的粗调单元包括移动板、设置在所述的移动板上的多个连接块、设置在所述的连接块内的套管、以及设置在所述的套管内的滑竿；所述的套管以及所述的连接块上对应设置有通孔用以放置第一螺栓；所述移动板沿所述滑竿靠近或者远离所述电池固定单元；

位移测量单元，所述位移测量单元包括固定在所述的移动板上的笔式传感器，所述笔式传感器用以检测电池膨胀时的产生的位移。

所述的连接块、套筒以及滑竿均为4个；所述的连接块设置在所述的移动板的四个端角。

所述的调节单元还包括精调单元；所述的精调单元包括设置在所述的移动板上与所述的笔式传感器连接的精调旋钮；所述的精调旋钮上设置精调螺纹。

所述的笔式传感器外部设置有连接在移动板上的套筒；所述的套筒的外部设置有弹簧；所述的弹簧的一端连接在移动板上，另外一端设置有平衡垫片。

所述的电池固定单元包括电池固定板以及电池夹片；所述的电池夹片以及所述的电池固定板上对应设置有多个栓孔。

所述的滑竿一端与电池固定板连接，另一端与端板连接；所述的端板设置在所述的移动板的外侧。

所述的信号线设置在所述的端板与所述的移动板之间，并穿过所述的端板与采集单元连接。

所述的笔式传感器为多个。

所述的笔式传感器通过信号线与采集单元连接；所述的采集单元与显示器连接。

本发明还包括一种使用方法，包括下述步骤：

1)安装电池膨胀位移测试装置；

2)调节调节单元的粗调单元与精调单元使得笔式传感器与电池固定单元内的待测电池接触或者间接接触；

3)电池膨胀后笔式传感器产生位移数据；

4)笔式传感器测量的位移数据通过采集单元采集后由显示器显示，所显示的位移数据即为电池膨胀的厚度变化。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本申请提供一种电池膨胀位移测试装置，可以利用调节单元可以对笔式传感器的位置进行调整使得笔式传感器与待测电池接触(本申请的优选方式中通过平衡垫片与电池间接接触)，从而使得电池膨胀过程中笔式传感器产生的位移数据更加精确，将电池膨胀过程中厚度的变化测试精度提高到微米级；满足精度的要求。

作为其中的优选形式，在笔式位移传感器前端设置平衡垫片，通过施加预应力来排除电池产气以及由于工艺装配产生的表面褶皱对厚度测量的影响。

同时，充分考虑到电池膨胀厚度不均匀的特点，作为其中的优选形式，本申请的笔式传感器设置有多个，且该装置可以双侧测量电池表面不同区域的厚度变化，可以解决电池膨胀厚度不均匀的问题。

综上可以看出，本申请的装置为深入研究锂离子电池在充放电过程中的厚度变化规律、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为本发明实施例的电池膨胀位移测试装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的电池膨胀位移测试装置与显示器连接的示意图；

图3为本发明实施例的电池膨胀位移测试装置的部分结构示意图；

图4为本发明实施例的电池膨胀位移测试装置的电池固定单元的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1-4示出一种电池膨胀位移测试装置，包括电池固定单元2、调节单元以及位移测量单元单元3；

电池固定单元2，用于固定待测电池203；

调节单元，所述调节单元位于所述电池固定单元的一侧或两侧，包括粗调单元；所述的粗调单元包括移动板103、设置在所述的移动板上的多个连接块108、设置在所述的连接块内的套管109、以及设置在所述的套管内的滑竿102；所述的套管109以及所述的连接块上对应设置有通孔用以放置第一螺栓107；

所述移动板103沿所述滑102竿靠近或者远离所述电池固定单元；

所述的位移测量单元3包括固定在所述的移动板103上的笔式传感器303，所述笔式传感器303用以检测电池膨胀时的产生的位移(厚度变化)。通过调整套管109在滑竿102上的位置可以带动移动板103进行移动，从而带动移动板103上的笔式传感器303靠近或者远离电池固定单元2。通过粗调单元可以粗略调整位移测量单元的位置使得位移测量单元位于理想位置，方便之后对位移测量单元进行精调。

位移测量单元3包括固定在所述的移动板103上的笔式传感器303，所述笔式传感器用以检测电池膨胀时的产生的位移。

所述的连接块108为4个，分别设置在移动板103的4个端角；对应的滑竿102以及套管109均为4个。

所述的调节单元还包括精调单元，所述的精调单元为与笔式传感器303对应的多个；所述的精调单元包括设置在所述的移动板103上与所述的笔式传感器303连接的精调旋钮306(图3示出)；所述的精调旋钮上设置精调螺纹305。精调时，旋转精调旋钮306，带动与精调旋钮306连接的笔式传感器303移动，使得笔式传感器303的顶端能够与电池固定单元内的待测电池203接触，使得笔式传感器在测量电池膨胀过程中的厚度变化位移的过程中，始终位于最佳量程内。所述的笔式传感器为多个，可以测量电池不同区域膨胀厚度的变化。

作为其中的一种优选形式，所述的笔式传感器303设置有连接在移动板103上的套筒301；所述的套筒的外部设置有弹簧302；所述的弹簧302的一端连接在移动板103上，另外一端设置有平衡垫片304。使用平衡垫片304对待测电池203施加应力可以消除电池产气以及内部褶皱对电池厚度产生影响；平衡垫片304焊接在弹簧302底部；为了防止弹簧302接触笔式传感器303对其产生影响，在弹簧302以及笔式传感器303中间放置套筒301；套筒301焊接在移动板103上，随着移动板103的移动过程中，弹簧302带动弹簧302底部的平衡垫片304移动，平衡垫片304挤压电池，通过施加预应力来排除电池产气以及由于工艺装配产生的表面褶皱，之后调节精调旋钮306，使得笔式传感器与平衡垫片304接触(从而实现笔式传感器与待测电池的间接接触)，电池膨胀过程中产生位移带动平衡垫片304移动，从而使得笔式传感器303产生位移信号，位移信号输出至采集单元，通过采集单元采集后并在显示器上显示，就可以通过在显示器中直观的位移数据得到电池膨胀位移的数据。

所述的电池固定单元2(图4示出)包括电池固定板板201以及电池夹片202；所述的电池夹片202以及所述的电池固定板板201上对应设置有多个栓孔；通过第二螺栓204将待测电池203限制在电池夹片202以及电池固定板201之间。所述的待测电池203为软包单体电池、方壳单体电池，不限于以上电池种类。

所述的滑竿102一端与电池固定板201连接，另一端与端板101连接；所述的端板101设置在所述的移动板103的外侧。

所述的笔式传感器303通过信号线106与采集单元5连接；所述的采集单元与显示器6连接(图2示出)，可以在显示器上直观的看到笔式传感器产生的位移数据，即为电池膨胀的厚度变化。所述的信号线106设置在所述的端板101与所述的移动板103之间，并穿过所述的端板与采集单元5连接；所述的笔式传感器为多个，多个笔式传感器可以测试不同区域电池的膨胀位移。

待测电池203两侧的两个位移测量单元3可以从两侧测试电池的膨胀位移，使得测量更加精确。

本发明还包括一种所述的电池膨胀位移测试装置的使用方法，包括下述步骤：

1)安装电池膨胀位移测试装置；

2)调节调节单元的粗调单元与精调单元使得笔式传感器与电池固定单元内的待测电池接触或者间接接触；

3)电池膨胀后笔式传感器产生位移数据；

4)笔式传感器测量的位移数据通过采集单元采集后由显示器显示，所显示的位移数据即为电池膨胀的厚度变化。

整个装置在工作时，待测电池203固定在电池固定板201与电池夹片202之间，通过调节粗调单元的移动板103使得平衡垫片304对电池施加预应力来避免产气以及褶皱带来厚度变化。挤压结束后通过调节精调旋钮306调节笔尖传感器303与平衡垫片304的距离，电池膨胀过程中，待测电池203两端的笔式位移传感器303通过收集平衡垫片304的位移来确定锂离子电池在充放电过程中的膨胀后的厚度变化。

本申请提供一种电池膨胀位移测试装置，可以利用调节单元可以对笔式传感器的位置进行调整使得笔式传感器与待测电池接触(本申请的优选方式中通过平衡垫片与电池间接接触)，从而使得电池膨胀过程中笔式传感器产生的位移数据更加精确，将电池膨胀过程中厚度的变化测试精度提高到微米级；满足精度的要求。

作为其中的优选形式，在笔式位移传感器前端设置平衡垫片，通过施加预应力来排除电池产气以及由于工艺装配产生的表面褶皱对厚度测量的影响。

同时，充分考虑到电池膨胀厚度不均匀的特点，作为其中的优选形式，本申请的笔式传感器设置有多个，且该装置可以双侧测量电池表面不同区域的厚度变化，可以解决电池膨胀厚度不均匀的问题。

综上可以看出，本申请的装置为深入研究锂离子电池在充放电过程中的厚度变化规律、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。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。