动力电池循环过程膨胀力试验方法

1动力电池循环过程膨胀力试验方法本文件规定了方形电芯充放电时产生的膨胀力的测试方法。本文件适用于组织开展动力电池自评价、验证设计方案及第三方机构的测试评价活动。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T2900.41电工术语原电池和蓄电池GB/T31484—2015电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法3术语、定义和缩略语3.1术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1.1电芯cell即电池单体，将化学能与电能进行相互转换的基本单元装置，通常包括电极，隔膜，电解质，外壳和端子，并被设计成可充电。3.1.2膨胀力swellingforce电芯在充放电等过程中，由于内部化学反应导致的气体产生或电池材料发生体积变化，从而对电芯外壳产生的力。一般情况下，主要测试垂直于电芯正负极片方向的力。3.1.3电芯大面cellbigface电芯大面指电芯最大面积的面，通常情况下，其与电芯内部极片平行。3.2缩略语下列缩略语适用于本文件。DCIR直流内阻（DirectCurrentInternalResistance）4电池分类本测试中，根据电芯长度将其分为短电芯和长电芯，其中，短电芯长度＜300mm，长电芯长度≥300mm。5要求5.1测试环境指在测试过程中，被测试电芯所处的环境状态。通常情况下，湿度为15%~90%，大气压力为286kPa~106kPa。室温状态时为25±2℃。5.1.1环境适应测试电芯在转移到不同环境后，需要将电芯静置一定时间以使得其状态与测试环境一致。a)电芯温度低于测试环境时：需将电芯置于测试环境下，静置2h。b)电芯温度高于测试环境时：需将电芯置于测试环境下，静置2h。5.2温度测量一般使用热电偶测量并持续采集所需温度，可以使用红外温度计进行辅助采集温度值，需要保存文件。温度传感器分布位置：a)测试电池：两大面中心、正极柱、负极柱、防爆阀口。其中电池大面中心的位置如果和膨胀力传感器干涉重叠，需要调整到不受影响的位置。测温点位置和数量可根据客户要求更改。b)环境箱内温度检测：待测样品的四周，距离2cm~5cm位置，布置一热电偶。注：温度线走线需避开防爆阀，避免因防爆阀破裂而图1电池温度传感器采集位置5.3工装夹具相较于电芯常规的性能测试夹具，膨胀力测试夹具增加了用于将电芯膨胀力传导到压力传感器的膨胀导板，以及配套的压力传感器。电池夹具的材质选择通常是不锈钢或者铝合金，根据实际使用环境确认，板材厚度进行相关的理论计算或者仿真模拟。膨胀力测试的夹具选用通常有两种：固定约束力或者固定夹具间隙。从电池包或者模组实际设计角度考虑，常用固定间隙的方式。电池间隙的选择需要考虑模组或者电池包的实际摆放情况，包括电芯之间的回形框、气凝胶、防火板等。根据实际使用情况计算间隙数据。压力传感器的数量及部署位置可根据电芯尺寸等因素进行调节，一般而言，使用一只压力传感器部署于电芯大面正中心。详见下图2。a)极耳不同侧短电芯膨胀力夹具示意图b)极耳不同侧长电芯膨胀力夹具（两只传感器）示意图3c)极耳同侧电芯膨胀力夹具示意图图2工装夹具结构说明5.4压力传感器电芯膨胀力测试，常见的几种方法：压力传感器法、位移传感器法、应变片法，重量分析法，有限元分析法和薄膜传感器法等，其中最适合研发长期循环批量验证的是压力传感器法。测试过程中，需要使用压力传感器对膨胀力数据进行测量采集。5.4.1传感器选型一般而言，电芯膨胀力测试主要需要关注压力传感器的输出信号、供电方式以及量程问题。a）输出信号：通常情况下，选用电压输出型的压力传感器；b）供电方式：通常情况下，选用的压力传感器供电电压为5-10V，由于传感器输出信号值与供电电压有关，为确保数据采集的精度，可尽量使用大电压对其进行供电；c）量程：通常情况下，推荐选用2T/5T的压力传感器，具体选型要根据电池的膨胀力范围确定。需要遵循的原则为，膨胀力最大值不超过传感器最大量程的4/5；d）数量：根据电芯长度，当电芯为短电芯时，使用1只传感器；当电芯为长电芯时，使用2只及以上数量的传感器，具体数量可根据经验数据或者仿真结果进行确定。5.4.2使用前准备压力传感器正常工作需要对其进行直流供电并实施采集其输出电流，所需设备有两类：a）稳压电源+数据采集器：使用稳压电源对压力传感器进行供电，所选取的电压应在传感器使用范围内；使用数据采集器对压力传感器输出的电压数据进行收集，采集范围为0~50mV。接线方式见下表1：表1连接方式线束说明连接端子供电正（+E）电源正极+供电负（-E）电源负极-输出正（+S）数据采集器正极+输出负（-S）数据采集器负极-b）压力数据采集盒：使用时可直接通过航空插头将压力传感器与压力数据采集盒进行连接。5.4.3数据处理5.4.3.1使用数据采集器采集到的压力传感器数据，需要经过下列公式(1)进行转换，以此得到力数据。4..............................(1)式中：——F：实际压力值，kN；——U0：采集电压值，mV；空载时压力传感器输出电信号理论为0mV；——Fmax：传感器最大量程，kN；——E：传感器供电电压，V；——Su：传感器灵敏度，mV/V。注：公式适用于常见的压力传感器，根据采集到的电压计算收到的膨胀5.4.3.2若电芯测试柜自带压力数据采集盒，则其数据可与充放电数据同表格输出，无需进行数据转换。5.4.4日常维护传感器的弹性体在经过长时间的反复变形后会出现疲劳，对外部压力的响应速度和灵敏度下降，造成输出灵敏度变化、测量精度和重复精度下降，滞后明显。若测试条件允许，每六个月应让传感器在无载荷状态，即空载状态下静置24小时，释放内部应力；每年至少让传感器空载静置24小时一次。通过释放弹性体内部应力，提高长期测试的精度和稳定性。如果长期循环超过一年，根据实际情况判断电池是否拆卸重新组装，可能会破坏电池的拘束状态。传感器每次在使用后，安装到新的夹具进行长期测试之前，建议做一次计量和校准。5.4.5综合误差来源5.4.5.1传感器安装到夹具上后就会产生综合误差，主要来源于：a)固定螺丝拧紧的程度；b)夹具的平行度不够高造成的角差；c)夹具与传感器之间的摩擦力及自重；d)安装弹簧造成的线性精度下降；e)压力传递的均匀性、准确性；f)外部环境条件的变化。5.4.5.2当综合误差超过允许范围(~0.3%)时，即需对传感器进行校准。5.4.6注意事项5.4.6.1传感器的维护和校准工作应在使用前完成。5.4.6.2保证夹具顶板和膨胀力导板的平行度。5.4.6.3保证传感器与夹具平行、均匀、紧密地接触。5.4.6.4固定螺丝不能过长（超过孔位深度）或过短（无法固定）。5.4.6.5固定螺丝应按对角线顺序拧紧。5.4.6.6在高温（55℃~65℃)/低温（-10℃~0℃)环境中使用传感器时，应先将传感器置于该环境中1.5~2小时，充分受温后再使用。5.4.6.7当环境温度＞65℃时，应选用带高温电阻应变片的传感器。5.4.6.8安装和使用过程中避免传感器非受压面受到外界应力。5.4.6.9安装过程中避免传感器发生不可逆的变形。5.4.6.10安装过程中避免传感器电缆过度弯折或拉扯，导致电缆损坏。5.4.6.11测试过程中避免在过大的电压/电流下使用传感器。5.4.6.12强电磁干扰可能会影响到传感器的输出表现。5.4.6.13若非必要，传感器可以只用4枚螺丝固定于上顶板。5.5待测样品选取样品表面无破损或变形，实验前需确保样品外观正常，无变形发鼓，表面无破损或污迹，壳体带电电池需包覆膜绝缘，极性标示清晰，已焊连接片。6试验方法6.1物料准备测试前需准备的物料/设备包括夹具、传感器、数据采集仪等，其中设备的具体数量及规格，根据项目需求及实际情况等综合确定。注：此处所述的测试物料仅针对于膨胀力数据测试，其余物料如电池检测柜等，6.2电芯准备按照5.5测试电芯选取，准备待测试电芯。6.2.1样品数量实际测试数量根据具体项目需求及实际情况进行制定。6.2.2基本信息测量6.2.2.1电芯电压测量使用万用表对电芯初始电压进行测量，并记录。6.2.2.2电芯内阻测量使用内阻仪对电芯的初始内阻进行测量，并记录。6.2.2.3电芯重量检验使用电子天平对电芯的初始重量进行测量，并记录。6.3夹具安装6.3.1极耳不同侧电芯膨胀力夹具极耳不同侧电芯膨胀力夹具见表2。表2极耳不同侧电芯膨胀力夹具序号示意图描述1准备测试夹具2将电池仓侧板上的固定螺丝依次拧松取下，取下电池仓侧板3取下膨胀力导板64准备压力传感器，型号数量根据5.4.1进行确认5将压力传感器安装到传感器仓侧板对应的传感器位置，并将传感器与侧板接触的一面通过螺栓进行固定6将膨胀力导板归位，注意导杆应对准导杆孔位7将准备好的电芯放入夹具中，电芯两侧不应超过夹具边缘，若需要监测电芯大面等的温度，需要此时在电芯达大面处粘贴温度探头8将电池仓侧板归位9以对角线的顺序依次紧固侧板上的固定螺栓，具体夹具布置根据项目调整控制夹具间的总间隙及夹紧力。螺钉扭矩根据测试要求的夹紧力预设，参考仿真模拟最大膨胀力-位移曲线，确定膨胀力夹具厚度，变形量不超过电池厚度0.5%膨胀力测试部分准备完毕注：电池厚度会随着SOC发生变化，推荐在较低6.3.2极耳同侧电芯膨胀力夹具极耳同侧电芯膨胀力夹具见表3。表3极耳同侧电芯膨胀力夹具序号示意图描述1准备测试夹具2将电池仓侧板上的固定螺丝依次拧松，使得侧板有约3mm的轴向移动空间3准备压力传感器，型号数量根据5.4.1进行确认4将压力传感器安装到传感器仓侧板与零件膨胀导板之间对应的传感器位置，并将传感器与侧板接触的一面通过螺栓进行固定。传感器数量根据电芯长度及仿真数据确定，为确保数据精度，传感器数量应最少且均布5将准备好的电芯放入夹具中，若需要监测电芯大面等的温度，需要此时在电芯大面处粘贴温度探头6以对角线的顺序依次紧固侧板上的固定螺栓，具体夹具布置根据项目调整控制夹具间的总间隙及夹紧力。螺钉扭矩根据测试要求的夹紧力预设，参考仿真模拟最大膨胀力-位移曲线，确定膨胀力夹具厚度，变形量不超过电池厚度0.5%7膨胀力测试部分准备完毕6.4开始测试6.4.1线束连接将准备好的待测试电芯转移至测试通道，进行相关的线束连接：a)在需要的位置粘贴温度探头（详见3.4），并将各温度线与采集器连接。b)将压力传感器与数据采集器和稳压电源（或压力采集盒）进行连接，其中：1)使用数据采集器和稳压电源进行数据采集时，按照4.1.2.3进行接线；2)使用压力采集盒进行数据采集时，将传感器插头与压力采集盒进行连接。c)将准备好的电芯分别与测试通道的动力线束、采集线束进行连接。6.4.2环境适应按照3.3所述，将待测试电芯在测试环境中静置一定时间。86.4.3初始RPT测试6.4.3.1容量标定，具体测试条件按照国标推荐要求或者测试大纲特殊指定要求。6.4.3.2DCIR测试，具体测试条件根按照国标推荐要求或者测试大纲特殊指定要求。6.4.4测试项目6.4.4.1待RPT测试完成后，将电池转移至所需测试项目的测试环境下，静置2h，随后按照Cell测试大纲进行相关项目的测试，包括但不限于动力性、耐久性等测试。6.4.4.2在持续进行电芯膨胀力采集的基础上，每日固定时间记录压力传感器的输出值。6.4.4.3每周、半月或月（时间周期以委托人需求而定）对传感器数据进行导出，并对数据进行处理分6.4.4.4出现下列情况之一时结束试验：a)样品电池出现起火、破裂、爆炸现象；b)气压传感器数据经判定，认为连接处发生漏气；c)SOH降至80%或项目规定的测试异常评判标准；d)已完成全部所需的测试。6.4.4.5测试结束后，若为高温环境的测试，需等待样品温度降至至少40℃以下，取出；记录电池电压/内阻，对测试后的电池进行拍照，保存实验数据。6.5数据处理6.5.1DCIR测试数据处理根据实际的测试方法，计算对应的DCIR数值。6.5.2膨胀力测试数据处理膨胀力数据处理方式详见5.4.3.，当使用多只传感器时，需要将所有传感器测试量值相加。6.5.3绘制膨胀力-时间曲线膨胀力-时间曲线见图3，可以标识出膨胀力随时间