电池膨胀力测试装置及方法

技术领域

本申请涉及电池测试技技术领域，尤其涉及一种电池膨胀力测试装置及方法。

背景技术

相关技术中，测试锂离子电池膨胀力的设备，仅具备膨胀力测试单一功能，如需要测试电芯的实时厚度，还需要将电池从膨胀力测试夹具中拆下，转移至测厚仪器上才能测试。然而屡次拆装电池接续测试，会导致测试效率严重偏低。

因此，开发一套膨胀力和膨胀厚度实时测试的测试装置，对于分析锂离子电池在全生命周期的的膨胀力和形变变化非常重要。

发明内容

本申请实施例提供了一种电池膨胀力测试装置及方法，电池膨胀力测试装置既可以测量电池的膨胀力，又能够测量电池的膨胀厚度。

第一方面，本申请实施例提供一种电池膨胀力测试装置，电池膨胀力测试装置包括底板、安装板、顶板、压力传感器及位移传感器，安装板在竖直方向设于所述底板上方，并用于供电池承靠；顶板设于所述安装板上方；压力传感器设置于所述底板与所述安装板之间，且连接所述底板及所述安装板，所述电池膨胀产生的膨胀力作用于所述安装板时，所述压力传感器用于感测所述安装板传递的所述电池发生膨胀的膨胀力；所述顶板受到所述电池的膨胀力的作用，并被所述电池推动以相对于所述安装板在竖直方向上移动时，所述位移传感器用于获取所述顶板沿竖直方向相对所述安装板移动的第一位移量，所述第一位移量即为所述电池的膨胀厚度。

在上述技术方案中，将电池放置在安装板上，对电池进行充放电循环，当需要对电池充放电过程中电池膨胀力进行检测时，可以使得顶板与安装板之间的间距不变，电池在充放电过程中，根据压力传感器的信号值，便可以实时读取电池因为膨胀产生的膨胀力的大小。当需要对电池充放电过程中电池膨胀厚度进行检测时，可以使得顶板相对于安装板活动，电池表面受到恒定的挤压力，电池在充放电过程中，便可以根据位移检测器实时读取电池因为膨胀产生的位移变化量，从而获取电池的厚度变化量。如此，电池充放电过程中对电池检测时，可以测试出电池在充放电过程中膨胀力以及电池厚度的变化，无需对电池膨胀力以及膨胀厚度进行单独测试，从而使得电池膨胀厚度测量和膨胀力测试操作更加简便、减少测试耗费的时间。

在一些示例性的实施例中，所述顶板具有预设位置，在所述预设位置，所述顶板与所述电池间隔设置且间距为第一预设间距h，0≤h≤0.1H，其中，H为所述电池厚度。电池的膨胀厚度通常不会超过自身厚度的10％，因而0≤h≤0.1H时，可以有效测量电池的膨胀力及膨胀厚度。

在一些示例性的实施例中，所述顶板用于在所述电池发生膨胀的膨胀厚度为所述第一预设间距时，所述顶板相对所述底板位置固定以使所述电池的膨胀力反作用于所述安装板；或，所述顶板用于在所述电池发生膨胀的膨胀厚度为所述第一预设间距时，所述顶板相对所述底板位置可调以使所述电池的膨胀力推动所述顶板相对于所述安装板在竖直方向上移动。顶板在固定时可以测量电池的膨胀力，顶板在活动时可以测量电池的膨胀厚度。

在一些示例性的实施例中，所述电池膨胀力测试装置还包括：第一限位件，设置于所述顶板背离所述安装板的表面；配重块，可拆卸地设置于所述顶板，且与所述第一限位件限位配合。通过设置配重块，可以测量电池在恒定压力下的膨胀厚度。

在一些示例性的实施例中，所述位移传感器包括：主体，设置于所述顶板和所述安装板中的一个；探测端，与所述主体连接，且所述顶板和所述安装板中另的一个与所述探测端相接触。通过测量顶板和安装板之间的距离，来测量电池的膨胀厚度。

在一些示例性的实施例中，所述电池膨胀力测试装置还包括支架，所述支架与所述底板、所述安装板及所述顶板均连接，所述支架用以导引所述安装板及所述顶板在竖直方向相对所述底板活动。通过支架限定安装板以及顶板的移动方向，使得安装板与顶板难以沿除竖直方向之外的其他方向移动，从而提高测量精度。

在一些示例性的实施例中，所述支架包括：立柱，所述立柱的中心轴沿竖直方向设置，且所述立柱其中一端安装于所述底板；第一滑动件，沿竖直方向滑动设于所述立柱，且与所述安装板连接；第二滑动件，沿竖直方向滑动设于所述立柱，且与所述顶板连接；第二限位件，设于所述立柱远离所述底板的一端，且在竖直方向相对所述底板位置可调，并用于限定所述第二滑动件在竖直方向的滑动范围。第一滑动件与立柱滑动配合，可以提升安装板在滑动时的顺畅度，减小滑动阻力，提升电池膨胀力及膨胀厚度的测量精度。第二滑动件与立柱滑动配合，可以提升顶板在滑动时的顺畅度，减小滑动阻力，提升电池膨胀力及膨胀厚度的测量精度。第二限位件可以用于固定顶板或者松开顶板，从而改变顶板的活动状态，以用于在膨胀力测试和膨胀厚度测试的模式之间进行切换。

在一些示例性的实施例中，所述第二滑动件在竖直方向的厚度大于所述第二限位件在竖直方向相对所述底板的活动行程。避免第二滑动件活动行程过大，而导致第二滑动件与立柱脱离。

在一些示例性的实施例中，所述电池膨胀力测试装置还包括弹性件，所述弹性件用于设置于所述电池与所述顶板之间，以供支撑力使所述顶板与所述电池之间存在第一预设间距h。电池在实际使用环境中可能会通过弹性件进行固定，本实施例可以测试电池在实际使用环境中的膨胀力或膨胀厚度。

第二方面，本申请实施例提供了一种电池膨胀力测试方法，包括：

将顶板、安装板和底板沿竖直方向依次设置，将电池承载于所述安装板朝向所述顶板的表面，分别对所述电池进行膨胀力测试和膨胀厚度测试；

所述膨胀力测试包括：

固定所述顶板相对所述底板的位置，以预设方式对电池进行充放电循环，以使所述电池在充放电循环过程中产生的膨胀力作用于所述安装板，压力传感器设置于所述底板与所述安装板之间且连接所述底板及所述安装板，以用于感测所述安装板传递的所述电池发生膨胀的膨胀力；

所述膨胀厚度测试包括：

设置顶板相对所述底板的位置可调，且所述顶板与所述电池相接触，以预设方式对电池进行充放电循环，以使所述电池在充放电循环过程中产生的膨胀力推动所述顶板相对于所述安装板在竖直方向上移动；设置位移传感器在所述顶板受到所述电池的膨胀力的作用时，所述位移传感器用于获取所述顶板沿竖直方向相对所述安装板移动的第一位移量，所述第一位移量即为所述电池的膨胀厚度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种实施例中的电池膨胀力测试装置的结构示意图；

图2为本申请一种实施例中的电池膨胀力测试装置的分解结构示意图；

图3为本申请一种实施例中的电池膨胀力测试装置的正视结构示意图；

图4为本申请图3中AA处的剖面结构示意图；

图5为本申请一种实施例中的电池膨胀力测试方法的流程图示意图；

图6为本申请另一种实施例中的电池膨胀力测试方法的流程图示意图。

附图标记说明：100、电池膨胀力测试装置；110、底板；120、安装板；130、顶板；140、压力传感器；150、位移传感器；151、主体；152、探测端；160、第一限位件；170、配重块；180、支架；181、立柱；182、第一滑动件；183、第二滑动件；184、第二限位件；210、电池。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请的实施例提供一种电池膨胀力测试装置，电池膨胀力测试装置包括底板、安装板、顶板、压力传感器及位移传感器，安装板在竖直方向设于底板上方，并用于供电池承靠；顶板设于安装板上方；压力传感器设置于底板与安装板之间，且连接底板及安装板，电池膨胀产生的膨胀力作用于安装板时，压力传感器用于感测安装板传递的电池发生膨胀的膨胀力；顶板受到电池的膨胀力的作用，并被电池推动以相对于安装板在竖直方向上移动时，位移传感器用于获取顶板沿竖直方向相对安装板移动的第一位移量，第一位移量即为电池的膨胀厚度。

在上述技术方案中，将电池放置在安装板上，对电池进行充放电循环，当需要对电池充放电过程中电池膨胀力进行检测时，可以使得顶板与安装板之间的间距不变，电池在充放电过程中，根据压力传感器的信号值，便可以实时读取电池因为膨胀产生的膨胀力的大小。当需要对电池充放电过程中电池膨胀厚度进行检测时，可以使得顶板相对于安装板活动，电池表面受到恒定的挤压力，电池在充放电过程中，便可以根据位移检测器实时读取电池因为膨胀产生的位移变化量，从而获取电池的厚度变化量。如此，电池充放电过程中对电池检测时，可以测试出电池在充放电过程中膨胀力以及电池厚度的变化，无需对电池膨胀力以及膨胀厚度进行单独测试，从而使得电池膨胀厚度测量和膨胀力测试操作更加简便、减少测试耗费的时间。

下面结合附图，对本申请的实施例作进一步的说明。

如图1-2所示，本申请实施例第一方面提供一种电池膨胀力测试装置100，电池膨胀力测试装置100包括底板110、安装板120、顶板130及压力传感器140。

底板110设置于最下方，安装板120在竖直方向设于底板110上方，顶板130设于安装板120上方。压力传感器140设置于底板110与安装板120之间，且压力传感器140连接底板110及安装板120，安装板120用于供电池210承靠，电池210放置在安装板120上时，电池210的厚度方向应当为竖直方向。可选地，电池210为锂电池210，包括锂金属电池210、锂离子电池210、锂聚合物电池210和锂离子聚合物电池210。

位移传感器150用于获取顶板130沿竖直方向相对安装板120(或底板110)移动的第一位移量，第一位移量即为电池210的膨胀厚度。位移传感器150可以设置于底板110、安装板120或顶板130，也可以设置于电池膨胀力测试装置100之外的其他部件。

在测量电池210膨胀力时，顶板130相对于底板110固定，从而使得电池210的膨胀受限，电池210的膨胀力通过安装板120传递至压力传感器140。电池210膨胀产生的膨胀力作用于安装板120时，压力传感器140用于感测安装板120传递的电池210发生膨胀的膨胀力。需要说明的是，顶板130与电池210可以贴合，也可以间隔设置，也即顶板130与电池210保持恒定的间隙。

在测量电池210膨胀厚度时，顶板130相对于底板110可沿竖直方向移动，顶板130受到电池210的膨胀力的作用，并被电池210推动以相对于安装板120在竖直方向上移动时，位移传感器150获取顶板130沿竖直方向相对安装板120移动的第一位移量，第一位移量即为电池210的膨胀厚度。

在一些实施例中，顶板130具有预设位置，在预设位置，顶板130与电池210间隔设置且间距为第一预设间距h，0≤h≤0.1H，其中，H为电池210厚度。通常而言，电池210的膨胀厚度通常不会超过自身厚度的10％，若h＞0.1H，则可能导致电池210膨胀至最大厚度时，电池210与顶板130依旧间隔设置，此时，无法测出电池210的膨胀力以及膨胀厚度。而0≤h≤0.1H时，则可以有效测量电池210的膨胀力及膨胀厚度。可选地，h与H的比值可以为1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％、6.5％、7％、7.5％、8％、8.5％、9％、9.5％、10％以及0-10％范围内其它任意数值中的一个。

在一些实施例中，顶板130用于在电池210发生膨胀的膨胀厚度为第一预设间距时，顶板130相对底板110位置固定以使电池210的膨胀力反作用于安装板120；或，顶板130用于在电池210发生膨胀的膨胀厚度为第一预设间距时，顶板130相对底板110位置可调以使电池210的膨胀力推动顶板130相对于安装板120在竖直方向上移动。

如图1-2所示，在一些实施例中，电池膨胀力测试装置100还包括第一限位件160，第一限位件160设置于顶板130背离安装板120的表面。配重块170可拆卸地设置于顶板130，且配重块170与第一限位件160限位配合。第一限位件160可以为凸柱，配重块170上对应凸柱设置有限位孔，配重块170放置在凸柱上，凸柱了对配重块170起到限位作用，避免配重块170从顶板130掉落。第一限位件160还可以为永磁铁，此时配重块170的材质为铁，如此，永磁铁可以吸附配重块170，从而对配重块170进行限位。当然配重块170与第一限位件160还可以采用其他的限位方式，在此不作限定。

配重块170放置于顶板130时，可以通过顶板130对电池210施加一定的压力，从而使得电池210处于恒定压力下，以在恒压力下测量电池210的膨胀厚度。可以理解的是，配重块170具有多种规格，通过改变配重块170的重量，从而可以改变配重块170施加于电池210上的压力大小。相比于其他施加恒定压力的方式，配重块170成本较低，结构简单，不易损坏，且施加的压力较为稳定。配重块170示例性地可以为砝码，从而具有多种规格的重量，多个砝码之间还可以进行组合，以组合出更多规格的重量。

如图2所示，在一些实施例中，位移传感器150包括主体151及探测端152，主体151设置于顶板130和安装板120中的一个，探测端152与主体151连接，且顶板130和安装板120中另的一个与探测端152相接触。可选地，主体151设置于顶板130，探测端152与安装板120相接触。由于顶板130上方没有其他部件，因而相比于安装板120上下侧的空间而言，顶板130上方的空间更大，更加易于主体151的布置。

可选地，顶板130上设置有安装孔，主体151穿过安装孔，也即主体151贯穿顶板130，从而可以减少主体151对于空间的占用，减小电池膨胀力测试装置100的体积。

可选地，主体151靠近顶板130的边沿设置，从而使得探测端152靠近安装板120的边沿，以避让安装板120上的电池210，使得安装板120可以放置较大的电池210，提高安装板120的空间利用率。

如图1所示，在一些实施例中，电池膨胀力测试装置100还包括支架180，支架180与底板110、安装板120及顶板130均连接，支架180用以导引安装板120及顶板130在竖直方向相对底板110活动。通过支架180限定安装板120以及顶板130的移动方向，使得安装板120与顶板130难以沿除竖直方向之外的其他方向移动，从而提高测量精度。

如图2-4所示，在一些实施例中，支架180包括立柱181、第一滑动件182、第二滑动件183及第二限位件184。立柱181的中心轴沿竖直方向设置，且立柱181其中一端安装于底板110，立柱181与底板110的连接方式可以为螺接、焊接等。

第一滑动件182沿竖直方向滑动设于立柱181，且第一滑动件182与安装板120连接，第一滑动件182与立柱181配合，可以提升安装板120在滑动时的顺畅度，减小滑动阻力，提升电池210膨胀力及膨胀厚度的测量精度。

第二滑动件183沿竖直方向滑动设于立柱181，且第二滑动件183与顶板130连接，第二滑动件183与立柱181滑动配合，可以提升顶板130在滑动时的顺畅度，减小滑动阻力，提升电池210膨胀力及膨胀厚度的测量精度。可选地，立柱181上可以涂抹润滑油，以使第一滑动件182与第二滑动件183滑动更加顺畅。立柱181的数量示例性地可以为四个，四个立柱181设置于底板110的四角处，从而尽量减小对于底板110空间的占用。相应的，第一滑动件182的数量为四个，从而使得安装板120在滑动时更加稳定。第二滑动件183的数量为四个，从而使得顶板130在滑动时更加稳定。

第二限位件184设于立柱181远离底板110的一端，且在竖直方向相对底板110位置可调，并用于限定第二滑动件183在竖直方向的滑动范围。第二限位件184示例性地可以为螺栓，螺栓与立柱181螺接，螺栓在转动时，螺栓相对于立柱181的位置发生变化。当拧紧螺栓时，螺栓可以将顶板130固定，以限制顶板130沿竖直方向移动。当拧松螺栓时，螺栓与顶板130之间的限位解除，顶板130能够沿竖直方向移动。

如图3所示，在一些实施例中，第二滑动件183在竖直方向的厚度大于第二限位件184在竖直方向相对底板110的活动行程。若第二滑动件183在竖直方向的厚度小于或等于第二限位件184在竖直方向相对底板110的活动行程，则可能会导致顶板130被电池210挤压移动的过程中，脱离于立柱181。若第二滑动件183在竖直方向的厚度大于第二限位件184在竖直方向相对底板110的活动行程，则可以避免第二滑动件183与立柱181脱离。

在一些实施例中，电池膨胀力测试装置100还包括弹性件，弹性件设置于电池210与顶板130之间，以供支撑力使顶板130与电池210之间存在第一预设间距h。弹性件示例性地可以为弹簧、弹片、泡棉等。

在实际的使用场景中，沿电池210的厚度方向，电池210在装配于电池仓时与电池仓的仓壁具有装配间隙，为了避免电池210晃动，电池210与仓壁的装配间隙之间填充有泡棉等弹性件。本实施例在电池210与顶板130之间设置弹性件，可以模拟测试电池210在实际使用环境中的膨胀力及膨胀厚度。在本实施例中，位移传感器150的设置方式需要改变，主体151设置于安装板120，探测端152与弹性件抵接，当弹性件发生形变时，位移传感器150能够测量出弹性件的形变量，弹形件的形变量即为电池210的膨胀厚度。

需要说明的是，弹性件在与探测端152抵接处的形变量，可能不同于弹性件与探测端152抵接处的形变量，为此，可以在弹性件与电池之间可以设置硬质隔板，探测端152与硬质隔板抵接，从而尽量避免因弹性件各处的形变不同而造成的测量误差，以更加准确的测量弹性件的形变量。

在测量时，先固定顶板110，当电池210膨胀时，电池210挤压弹性件，从而使得弹性件发生形变，压力传感器140可以测量出电池210的膨胀力，同时，位移传感器150可以测量出电池210的膨胀厚度。也即通过设置在电池210与顶板130之间设置弹性件，可以同时测试电池210的膨胀力及膨胀厚度。

当然，弹性件可以设置于电池210与安装板120之间，此时，主体151设置于顶板110，探测端152与弹性件抵接，以实现上述同样的效果。

在一些实施例中，电池膨胀力测试装置100放置于恒温房中，恒温房被配置为使电池210处于预设温度的环境中，以便于模拟电池210在不同温度下的使用场景。预设温度的范围为-20℃至60℃。可选地，预设温度可以为-20℃、-15℃、-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、65℃以及-20℃至60℃范围内其它任意数值中的一个。

在一些实施例中，底板110、安装板120及顶板130在竖直方向上的投影重合，压力传感器140设置于底板110的中心区域，电池210位于安装板120的中心区域，配重块170放置于顶板130的中心区域，从而使得压力传感器140以及电池210可以正对受力，尽量提升压力传感器140以及电池210受力的均匀程度，减少测量误差。

下面给出测试电池210膨胀力及膨胀厚度的具体实施例。

实施例1：采用铝箔作为阴极集流体，在铝箔表面均匀的涂布一层钴酸锂浆料，钴酸锂浆料的组成为97.8wt％LiCoO2(LCO)、0.8wt％聚偏二氟乙烯(PVDF)和1.4wt％导电炭黑，并随后进行冷压，制备得到正极片。采用铜箔作为阳极集流体，在铜箔表面均匀的涂布一层石墨浆料，浆料组成为97.7wt％人造石墨、1.3wt％羧甲基纤维素(CMC)以及1.0wt％丁苯橡胶(SBR)的组合，并随后进行冷压，制备得到负极片。

正极极片和负极极片经分条后进行卷绕，正极极片和负极极片之间以PE隔离膜进行分隔，从而制备得到卷绕裸电芯。裸电芯经顶侧封、喷码、真空干燥、注入电解液、高温静置后进行化成及容量，即可得到成品电池210。

电池210膨胀力和厚度实时在线测试方法：

电池210放置在恒温房中，在20±5℃环境中静置30min。将电池210放置在放置在顶板130和安装板120之间，在电池210与顶板130之间放置弹性件，在顶板130放置压力为1400g的砝码，此装载压力可视为产品的装机预载力。电芯放置好后，扭紧螺栓，以固定顶板130。

对电池210设置循环测试流程：以1.0C(1C为电池210的额定容量)电流恒流充电至电池210电压至4.45V(额定电压)，直至电流小于0.05C，接着以0.2C电流将电池210放电至3.0V，静置10min；以此充放电为一个循环，对电池210进行循环寿命测试800圈。测试全程记录电芯的膨胀力变化，其中每100个循环时，测试电池210的厚度。

未测试前，位移传感器150与顶板130接触的空间距离为L0，L0默认为零点。电芯在循环充放电过程，由于材料结构变化和副反应的发生，导致内部应力发生变化，从而引起电芯鼓胀，此时位移传感器150向电芯厚度方向发生移动，移动的距离为L1，即电池210的厚度发生变化，变化量为L1。位移传感器150捕获这一位移变化并进行记录。同时，由于电芯的厚度鼓胀压力，位于底板110上的压力传感器140捕获到这一压力信号变化并进行记录。从而完成电池210在循环过程中的厚度和膨胀力实时监测。

如图5-6所示，本申请实施例第二方面提供一种电池膨胀力测试方法，包括膨胀力测试及膨胀厚度测试。

如图5所示，膨胀力测试包括以下步骤：

S101，将顶板130、安装板120和底板110沿竖直方向依次设置，将电池210承载于安装板120朝向顶板130的表面，对电池210进行膨胀力测试。

S102，固定顶板130相对底板110的位置，以预设方式对电池210进行充放电循环，以使电池210在充放电循环过程中产生的膨胀力作用于安装板120，压力传感器140设置于底板110与安装板120之间且连接底板110及安装板120，以用于感测安装板120传递的电池210发生膨胀的膨胀力。

如图6所示，膨胀厚度测试包括以下步骤：

S201，将顶板130、安装板120和底板110沿竖直方向依次设置，将电池210承载于安装板120朝向顶板130的表面，对电池210进行膨胀厚度测试。

S202，设置顶板130相对底板110的位置可调，且顶板130与电池210相接触，以预设方式对电池210进行充放电循环，以使电池210在充放电循环过程中产生的膨胀力推动顶板130相对于安装板120在竖直方向上移动；设置位移传感器150在顶板130受到电池210的膨胀力的作用时，位移传感器150用于获取顶板130沿竖直方向相对安装板120移动的第一位移量，第一位移量即为电池210的膨胀厚度。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本申请的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本申请的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。