本发明专利技术公开了一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，包括：电池充放电设备；恒温箱；锂电池测试装置，设置在所述恒温箱内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；数据采集设备，通过导线分别与锂电池测试装置、计算机相连接，用于将采集的电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机；计算机，用于根据锂电池荷电状态对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量‑膨胀力分量曲线。本发明专利技术可以实现多个数据信号的同时采集，为建立锂电池的电、热、力学多物理耦合模型提供了基础数据，为建立包含电、热、力信号的电池管理系统打下基础。
Measuring Device and Method of Expansion Force and Displacement Component in Lithium Battery Charging and Discharging
【技术实现步骤摘要】
锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置与方法
本专利技术涉及一种膨胀力及其相应膨胀位移的测量装置与方法，尤其涉及一种硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量装置与方法。技术背景近年来，随着油价的波动，自然资源的减少、气候变化以及越来越严格的排放标准，汽车行业逐渐转型研究开发环保、高效的汽车，因此电动汽车、混合动力电动汽车和插电式混合动力电动汽车被人们赋予了极大的希望。锂电池具有高功率密度，高能量密度和低自放电率等优点使其成为了从小型便携式电子设备到大规模储能系统等各种应用的理想选择。然而，这些绿色汽车的广泛采用仍然受到诸如高成本，电池寿命，行驶范围较短和易于意外故障等因素的限制。由于锂电池组的高成本，其循环寿命与容量衰减现象是我们尤为关注的。锂电池无论是否处于使用状态在其寿命期间中均会发生容量衰减，这严重限制了其性能，此外，锂电池随时都在发生容量衰减，但随着使用和外部条件的不同而导致退化的程度不同。自从锂电池的寿命问题进入国内外学者的视线以来，对其的研究就从未停止过。但目前的大多数研究是在锂电池电化学与热力学的水平上展开的，如锂电池中发生的各种竞争老化机制，如SEI生长，电极材料损失和隔膜孔闭合。这些老化研究考虑了广泛的参数(例如充电状态，放电深度，充电/放电速率，电荷变化和温度)，以更好地了解不同操作/环境条件对老化的影响。但锂电池在实际的运行工况下，并不仅仅是单一的电化学过程，他是电化学、热力学与机械学的耦合。
技术实现思路
为了能理解锂电池的容量衰减现象背后的机理，提高锂电池的循环寿命，同时提高锂电池荷电状态(SOC)估算的精度，以拓展增强当前的电池管理系统，本专利技术提供了一种硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量装置与方法，能有效的测量锂电池充放电过程中的膨胀力变化及其相应膨胀位移变化，建立膨胀力、膨胀位移与锂电池SOC的关系，为建立锂电池的电、热、力学多物理耦合模型提供了基础数据，提高锂电池SOC估算的精度，拓展当前的电池管理系统。为达到上述目的，本专利技术一方面提供了一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，包括：电池充放电设备，用于对锂电池进行充放电；恒温箱，用于提供设定的测试温度；锂电池测试装置，设置在所述恒温箱内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；数据采集设备，通过导线分别与膨胀力分量测量装置、膨胀位移分量测量装置、计算机相连接，用于将采集的实时电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机；计算机，用于根据数据采集设备采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态，并根据不同温度下估算获得的锂电池荷电状态对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线。进一步地，所述的锂电池测试装置包括：平行设置的第一钢板和第二钢板；若干相配合的固定轴、固定螺母，固定连接在所述第一钢板和第二钢板之间；称重传感器、第三垫片、两块第二垫片、第一垫片，依次设置在所述第一钢板和第二钢板之间，所述第三垫片和相邻的第二垫片之间、两块第二垫片之间、第一垫片和相邻第二垫片之间均设置有放置于锂电池表面中心位置的温度传感器；导轨轴，与所述固定轴相平行的连接固定在所述第一钢板和第二钢板之间，所述第三垫片和两块第二垫片上设置有可沿所述导轨轴直线移动的直线轴承；电压传感器和电流传感器，分别用于实时采集锂电池充放电时的电压和电流信号。称重传感器，当用于测量锂电池膨胀力时安装在第二钢板和第三垫片之间；位移传感器，当用于测量锂电池膨胀力时固定在所述第二钢板6外侧且探头与所述第三垫片接触连接。进一步地，所述的称重传感器为电阻应变式称重传感器。进一步地，所述位移传感器为分辨率为微米级的容栅测微计。进一步地，所述温度传感器为T型热电偶。进一步地，所述电压传感器、电流传感器为所述电池充放电设备自带传感器。进一步地，所述数据采集设备包括NI-9237模块与LXI-34972A数据采集器。进一步地，所述第三垫片、两块第二垫片、第一垫片为三种规格的垫片，材料为塑料且表面均匀设有散热凸起。进一步地，所述的直线轴承为闭型球轴承。本专利技术另一方面还提供了一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量方法，基于如所述测量装置，其特征在于，包括步骤：将锂电池放入第三垫片、两块第二垫片、第一垫片之间定位，同时保持锂电池与第三垫片、两块第二垫片和第一垫片之间紧密接触，将温度传感器放置在各锂电池表面中心位置；将所述第三垫片、两块第二垫片和第一垫片通过直线轴承在导轨轴上自由移动，同时通过直线轴承与导轨轴约束了其竖直方向的运动；将所述称重传感器固定在第三垫片的外侧，并且使用第一钢板和第二钢板通过螺母将其固定，使其与第三垫片紧密接触且初始测量值为预设值；将锂电池测试装置放入恒温箱中，对锂电池进行充放电实验，在充放电过程中实时记录所述称重传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器的数据；充放电试验完成后，将称重传感器换成位移传感器，并通过第二钢板上的通孔配备锁紧夹套将其夹紧，所述位移传感器的探头与所述第三垫片9紧密接触且初始测量值为0；将更换好的锂电池测试装置放入恒温箱中，再次进行充放电实验，在充放电过程中实时记录所述位移传感器、温度传感器、电压传感器、电流传感器的数据；计算机根据电流、电压传感器采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态，并根据不同温度下估算获得的电池荷电状态对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线。相比现有技术，本专利技术的优点在于：1.实现了在同一套测量装置上的锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量，减少了由于不同装置测量得到的沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量数据不匹配的误差。2.使用直线轴承与导轨轴约束了垫片与锂电池的竖直方向的运动，使得测量中对称重传感器的预载荷可为任意值。3.使用直线位移轴承基本消除了自由膨胀位移实验中摩擦阻力的影响，使得测量结果更加精确。4.既可以对锂电池单体又可以对锂电池组进行沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量，方便研究多种形式的锂电池性能。5.本专利技术结构简单、安装方便、成本低。附图说明图1为本专利技术提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量的测量装置结构简图。图2为本专利技术提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量测试装置的结构示意图。图3为本专利技术提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀位移分量测试装置的结构示意图。图4为本专利技术提供的硬壳锂电池充放电过程中沿厚度方向膨胀力分量及相应膨胀位移分量测量装置原理方框图。其中：1-电池充放电设备；2-恒温箱；3-锂电池；4-锂电池测试装置；5-第一钢板；6-第二钢板；7-第一垫片；8-第二垫片；9-第三垫片；10-导轨轴；11-直线轴承；12-固定轴；13-固定螺母；14-称重传感器；15-位移传感器；16-温度传感器；17-电压传感器；18-电流传感器；19-数据采集设备；20-计算机。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，其特征在于，包括：电池充放电设备(1)，用于对锂电池进行充放电；恒温箱(2)，用于提供设定的测试温度；锂电池测试装置(4)，设置在所述恒温箱(2)内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；数据采集设备(19)，通过导线分别与锂电池测试装置(4)、计算机相连接，用于将采集的实时电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机(20)；计算机(20)，用于根据数据采集设备(19)采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态SOC，并根据不同温度下估算获得的SOC对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量‑膨胀力分量曲线。
【技术特征摘要】
1.一种锂电池充放电中膨胀力分量及位移分量的测量装置，其特征在于，包括：电池充放电设备(1)，用于对锂电池进行充放电；恒温箱(2)，用于提供设定的测试温度；锂电池测试装置(4)，设置在所述恒温箱(2)内，用于检测锂电池在不同的温度、电流、电压充放电时的膨胀力、位移信号；数据采集设备(19)，通过导线分别与锂电池测试装置(4)、计算机相连接，用于将采集的实时电流、电压、温度、膨胀力、位移信号输送至计算机(20)；计算机(20)，用于根据数据采集设备(19)采集的电流电压信号实时估算锂电池荷电状态SOC，并根据不同温度下估算获得的SOC对采集的位移、膨胀力信号进行同步化处理，获得不同温度下不同预载荷的硬壳锂电池沿厚度方向的膨胀位移分量-膨胀力分量曲线。2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的锂电池测试装置(4)包括：平行设置的第一钢板(5)和第二钢板(6)；若干相配合的固定轴(12)、固定螺母(13)，固定连接在所述第一钢板(5)和第二钢板(6)之间；称重传感器(14)、第三垫片(9)、两块第二垫片(8)、第一垫片(7)，依次设置在所述第一钢板(5)和第二钢板(6)之间，所述第三垫片(9)和相邻的第二垫片(8)之间、两块第二垫片(8)之间、第一垫片(7)和相邻第二垫片(8)之间均设置有放置于锂电池表面中心位置的温度传感器(16)；导轨轴(10)，与所述固定轴(12)相平行的连接固定在所述第一钢板(5)和第二钢板(6)之间，所述第三垫片(9)和两块第二垫片(8)上设置有可沿所述导轨轴(10)直线移动的直线轴承(11)；电压传感器(17)和电流传感器(18)，分别用于实时采集锂电池充放电时的电压和电流信号；称重传感器(14)，当用于测量锂电池膨胀力时安装在第二钢板(6)和第三垫片(9)之间；位移传感器(15)，当用于测量锂电池膨胀力时固定在所述第二钢板(6)外侧且探头与所述第三垫片(9)接触连接。3.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述的称重传感器(14)为电阻应变式称重传感器。4.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述位移传感器(15)为分辨率为微米级的容栅测微计。5.根据权利要求2所述的测量装置，其特征在于，所述温度传感器(16)为T型热电偶。6.根据权利要求2...
【专利技术属性】
技术研发人员：曲杰，李治均，王超，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44
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