動(dòng)力電池循環(huán)過(guò)程膨脹力試驗(yàn)方法

1動(dòng)力電池循環(huán)過(guò)程膨脹力試驗(yàn)方法本文件規(guī)定了方形電芯充放電時(shí)產(chǎn)生的膨脹力的測(cè)試方法。本文件適用于組織開(kāi)展動(dòng)力電池自評(píng)價(jià)、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案及第三方機(jī)構(gòu)的測(cè)試評(píng)價(jià)活動(dòng)。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過(guò)文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對(duì)應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T2900.41電工術(shù)語(yǔ)原電池和蓄電池GB/T31484—2015電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法3術(shù)語(yǔ)、定義和縮略語(yǔ)3.1術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1.1電芯cell即電池單體，將化學(xué)能與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的基本單元裝置，通常包括電極，隔膜，電解質(zhì)，外殼和端子，并被設(shè)計(jì)成可充電。3.1.2膨脹力swellingforce電芯在充放電等過(guò)程中，由于內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的氣體產(chǎn)生或電池材料發(fā)生體積變化，從而對(duì)電芯外殼產(chǎn)生的力。一般情況下，主要測(cè)試垂直于電芯正負(fù)極片方向的力。3.1.3電芯大面cellbigface電芯大面指電芯最大面積的面，通常情況下，其與電芯內(nèi)部極片平行。3.2縮略語(yǔ)下列縮略語(yǔ)適用于本文件。DCIR直流內(nèi)阻（DirectCurrentInternalResistance）4電池分類(lèi)本測(cè)試中，根據(jù)電芯長(zhǎng)度將其分為短電芯和長(zhǎng)電芯，其中，短電芯長(zhǎng)度＜300mm，長(zhǎng)電芯長(zhǎng)度≥300mm。5要求5.1測(cè)試環(huán)境指在測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)試電芯所處的環(huán)境狀態(tài)。通常情況下，濕度為15%~90%，大氣壓力為286kPa~106kPa。室溫狀態(tài)時(shí)為25±2℃。5.1.1環(huán)境適應(yīng)測(cè)試電芯在轉(zhuǎn)移到不同環(huán)境后，需要將電芯靜置一定時(shí)間以使得其狀態(tài)與測(cè)試環(huán)境一致。a)電芯溫度低于測(cè)試環(huán)境時(shí)：需將電芯置于測(cè)試環(huán)境下，靜置2h。b)電芯溫度高于測(cè)試環(huán)境時(shí)：需將電芯置于測(cè)試環(huán)境下，靜置2h。5.2溫度測(cè)量一般使用熱電偶測(cè)量并持續(xù)采集所需溫度，可以使用紅外溫度計(jì)進(jìn)行輔助采集溫度值，需要保存文件。溫度傳感器分布位置：a)測(cè)試電池：兩大面中心、正極柱、負(fù)極柱、防爆閥口。其中電池大面中心的位置如果和膨脹力傳感器干涉重疊，需要調(diào)整到不受影響的位置。測(cè)溫點(diǎn)位置和數(shù)量可根據(jù)客戶(hù)要求更改。b)環(huán)境箱內(nèi)溫度檢測(cè)：待測(cè)樣品的四周，距離2cm~5cm位置，布置一熱電偶。注：溫度線走線需避開(kāi)防爆閥，避免因防爆閥破裂而圖1電池溫度傳感器采集位置5.3工裝夾具相較于電芯常規(guī)的性能測(cè)試夾具，膨脹力測(cè)試夾具增加了用于將電芯膨脹力傳導(dǎo)到壓力傳感器的膨脹導(dǎo)板，以及配套的壓力傳感器。電池夾具的材質(zhì)選擇通常是不銹鋼或者鋁合金，根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境確認(rèn)，板材厚度進(jìn)行相關(guān)的理論計(jì)算或者仿真模擬。膨脹力測(cè)試的夾具選用通常有兩種：固定約束力或者固定夾具間隙。從電池包或者模組實(shí)際設(shè)計(jì)角度考慮，常用固定間隙的方式。電池間隙的選擇需要考慮模組或者電池包的實(shí)際擺放情況，包括電芯之間的回形框、氣凝膠、防火板等。根據(jù)實(shí)際使用情況計(jì)算間隙數(shù)據(jù)。壓力傳感器的數(shù)量及部署位置可根據(jù)電芯尺寸等因素進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般而言，使用一只壓力傳感器部署于電芯大面正中心。詳見(jiàn)下圖2。a)極耳不同側(cè)短電芯膨脹力夾具示意圖b)極耳不同側(cè)長(zhǎng)電芯膨脹力夾具（兩只傳感器）示意圖3c)極耳同側(cè)電芯膨脹力夾具示意圖圖2工裝夾具結(jié)構(gòu)說(shuō)明5.4壓力傳感器電芯膨脹力測(cè)試，常見(jiàn)的幾種方法：壓力傳感器法、位移傳感器法、應(yīng)變片法，重量分析法，有限元分析法和薄膜傳感器法等，其中最適合研發(fā)長(zhǎng)期循環(huán)批量驗(yàn)證的是壓力傳感器法。測(cè)試過(guò)程中，需要使用壓力傳感器對(duì)膨脹力數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量采集。5.4.1傳感器選型一般而言，電芯膨脹力測(cè)試主要需要關(guān)注壓力傳感器的輸出信號(hào)、供電方式以及量程問(wèn)題。a）輸出信號(hào)：通常情況下，選用電壓輸出型的壓力傳感器；b）供電方式：通常情況下，選用的壓力傳感器供電電壓為5-10V，由于傳感器輸出信號(hào)值與供電電壓有關(guān)，為確保數(shù)據(jù)采集的精度，可盡量使用大電壓對(duì)其進(jìn)行供電；c）量程：通常情況下，推薦選用2T/5T的壓力傳感器，具體選型要根據(jù)電池的膨脹力范圍確定。需要遵循的原則為，膨脹力最大值不超過(guò)傳感器最大量程的4/5；d）數(shù)量：根據(jù)電芯長(zhǎng)度，當(dāng)電芯為短電芯時(shí)，使用1只傳感器；當(dāng)電芯為長(zhǎng)電芯時(shí)，使用2只及以上數(shù)量的傳感器，具體數(shù)量可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或者仿真結(jié)果進(jìn)行確定。5.4.2使用前準(zhǔn)備壓力傳感器正常工作需要對(duì)其進(jìn)行直流供電并實(shí)施采集其輸出電流，所需設(shè)備有兩類(lèi)：a）穩(wěn)壓電源+數(shù)據(jù)采集器：使用穩(wěn)壓電源對(duì)壓力傳感器進(jìn)行供電，所選取的電壓應(yīng)在傳感器使用范圍內(nèi)；使用數(shù)據(jù)采集器對(duì)壓力傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，采集范圍為0~50mV。接線方式見(jiàn)下表1：表1連接方式線束說(shuō)明連接端子供電正（+E）電源正極+供電負(fù)（-E）電源負(fù)極-輸出正（+S）數(shù)據(jù)采集器正極+輸出負(fù)（-S）數(shù)據(jù)采集器負(fù)極-b）壓力數(shù)據(jù)采集盒：使用時(shí)可直接通過(guò)航空插頭將壓力傳感器與壓力數(shù)據(jù)采集盒進(jìn)行連接。5.4.3數(shù)據(jù)處理5.4.3.1使用數(shù)據(jù)采集器采集到的壓力傳感器數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過(guò)下列公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以此得到力數(shù)據(jù)。4..............................(1)式中：——F：實(shí)際壓力值，kN；——U0：采集電壓值，mV；空載時(shí)壓力傳感器輸出電信號(hào)理論為0mV；——Fmax：傳感器最大量程，kN；——E：傳感器供電電壓，V；——Su：傳感器靈敏度，mV/V。注：公式適用于常見(jiàn)的壓力傳感器，根據(jù)采集到的電壓計(jì)算收到的膨脹5.4.3.2若電芯測(cè)試柜自帶壓力數(shù)據(jù)采集盒，則其數(shù)據(jù)可與充放電數(shù)據(jù)同表格輸出，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。5.4.4日常維護(hù)傳感器的彈性體在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反復(fù)變形后會(huì)出現(xiàn)疲勞，對(duì)外部壓力的響應(yīng)速度和靈敏度下降，造成輸出靈敏度變化、測(cè)量精度和重復(fù)精度下降，滯后明顯。若測(cè)試條件允許，每六個(gè)月應(yīng)讓傳感器在無(wú)載荷狀態(tài)，即空載狀態(tài)下靜置24小時(shí)，釋放內(nèi)部應(yīng)力；每年至少讓傳感器空載靜置24小時(shí)一次。通過(guò)釋放彈性體內(nèi)部應(yīng)力，提高長(zhǎng)期測(cè)試的精度和穩(wěn)定性。如果長(zhǎng)期循環(huán)超過(guò)一年，根據(jù)實(shí)際情況判斷電池是否拆卸重新組裝，可能會(huì)破壞電池的拘束狀態(tài)。傳感器每次在使用后，安裝到新的夾具進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試之前，建議做一次計(jì)量和校準(zhǔn)。5.4.5綜合誤差來(lái)源5.4.5.1傳感器安裝到夾具上后就會(huì)產(chǎn)生綜合誤差，主要來(lái)源于：a)固定螺絲擰緊的程度；b)夾具的平行度不夠高造成的角差；c)夾具與傳感器之間的摩擦力及自重；d)安裝彈簧造成的線性精度下降；e)壓力傳遞的均勻性、準(zhǔn)確性；f)外部環(huán)境條件的變化。5.4.5.2當(dāng)綜合誤差超過(guò)允許范圍(~0.3%)時(shí)，即需對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。5.4.6注意事項(xiàng)5.4.6.1傳感器的維護(hù)和校準(zhǔn)工作應(yīng)在使用前完成。5.4.6.2保證夾具頂板和膨脹力導(dǎo)板的平行度。5.4.6.3保證傳感器與夾具平行、均勻、緊密地接觸。5.4.6.4固定螺絲不能過(guò)長(zhǎng)（超過(guò)孔位深度）或過(guò)短（無(wú)法固定）。5.4.6.5固定螺絲應(yīng)按對(duì)角線順序擰緊。5.4.6.6在高溫（55℃~65℃)/低溫（-10℃~0℃)環(huán)境中使用傳感器時(shí)，應(yīng)先將傳感器置于該環(huán)境中1.5~2小時(shí)，充分受溫后再使用。5.4.6.7當(dāng)環(huán)境溫度＞65℃時(shí)，應(yīng)選用帶高溫電阻應(yīng)變片的傳感器。5.4.6.8安裝和使用過(guò)程中避免傳感器非受壓面受到外界應(yīng)力。5.4.6.9安裝過(guò)程中避免傳感器發(fā)生不可逆的變形。5.4.6.10安裝過(guò)程中避免傳感器電纜過(guò)度彎折或拉扯，導(dǎo)致電纜損壞。5.4.6.11測(cè)試過(guò)程中避免在過(guò)大的電壓/電流下使用傳感器。5.4.6.12強(qiáng)電磁干擾可能會(huì)影響到傳感器的輸出表現(xiàn)。5.4.6.13若非必要，傳感器可以只用4枚螺絲固定于上頂板。5.5待測(cè)樣品選取樣品表面無(wú)破損或變形，實(shí)驗(yàn)前需確保樣品外觀正常，無(wú)變形發(fā)鼓，表面無(wú)破損或污跡，殼體帶電電池需包覆膜絕緣，極性標(biāo)示清晰，已焊連接片。6試驗(yàn)方法6.1物料準(zhǔn)備測(cè)試前需準(zhǔn)備的物料/設(shè)備包括夾具、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等，其中設(shè)備的具體數(shù)量及規(guī)格，根據(jù)項(xiàng)目需求及實(shí)際情況等綜合確定。注：此處所述的測(cè)試物料僅針對(duì)于膨脹力數(shù)據(jù)測(cè)試，其余物料如電池檢測(cè)柜等，6.2電芯準(zhǔn)備按照5.5測(cè)試電芯選取，準(zhǔn)備待測(cè)試電芯。6.2.1樣品數(shù)量實(shí)際測(cè)試數(shù)量根據(jù)具體項(xiàng)目需求及實(shí)際情況進(jìn)行制定。6.2.2基本信息測(cè)量6.2.2.1電芯電壓測(cè)量使用萬(wàn)用表對(duì)電芯初始電壓進(jìn)行測(cè)量，并記錄。6.2.2.2電芯內(nèi)阻測(cè)量使用內(nèi)阻儀對(duì)電芯的初始內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量，并記錄。6.2.2.3電芯重量檢驗(yàn)使用電子天平對(duì)電芯的初始重量進(jìn)行測(cè)量，并記錄。6.3夾具安裝6.3.1極耳不同側(cè)電芯膨脹力夾具極耳不同側(cè)電芯膨脹力夾具見(jiàn)表2。表2極耳不同側(cè)電芯膨脹力夾具序號(hào)示意圖描述1準(zhǔn)備測(cè)試夾具2將電池倉(cāng)側(cè)板上的固定螺絲依次擰松取下，取下電池倉(cāng)側(cè)板3取下膨脹力導(dǎo)板64準(zhǔn)備壓力傳感器，型號(hào)數(shù)量根據(jù)5.4.1進(jìn)行確認(rèn)5將壓力傳感器安裝到傳感器倉(cāng)側(cè)板對(duì)應(yīng)的傳感器位置，并將傳感器與側(cè)板接觸的一面通過(guò)螺栓進(jìn)行固定6將膨脹力導(dǎo)板歸位，注意導(dǎo)桿應(yīng)對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)桿孔位7將準(zhǔn)備好的電芯放入夾具中，電芯兩側(cè)不應(yīng)超過(guò)夾具邊緣，若需要監(jiān)測(cè)電芯大面等的溫度，需要此時(shí)在電芯達(dá)大面處粘貼溫度探頭8將電池倉(cāng)側(cè)板歸位9以對(duì)角線的順序依次緊固側(cè)板上的固定螺栓，具體夾具布置根據(jù)項(xiàng)目調(diào)整控制夾具間的總間隙及夾緊力。螺釘扭矩根據(jù)測(cè)試要求的夾緊力預(yù)設(shè)，參考仿真模擬最大膨脹力-位移曲線，確定膨脹力夾具厚度，變形量不超過(guò)電池厚度0.5%膨脹力測(cè)試部分準(zhǔn)備完畢注：電池厚度會(huì)隨著SOC發(fā)生變化，推薦在較低6.3.2極耳同側(cè)電芯膨脹力夾具極耳同側(cè)電芯膨脹力夾具見(jiàn)表3。表3極耳同側(cè)電芯膨脹力夾具序號(hào)示意圖描述1準(zhǔn)備測(cè)試夾具2將電池倉(cāng)側(cè)板上的固定螺絲依次擰松，使得側(cè)板有約3mm的軸向移動(dòng)空間3準(zhǔn)備壓力傳感器，型號(hào)數(shù)量根據(jù)5.4.1進(jìn)行確認(rèn)4將壓力傳感器安裝到傳感器倉(cāng)側(cè)板與零件膨脹導(dǎo)板之間對(duì)應(yīng)的傳感器位置，并將傳感器與側(cè)板接觸的一面通過(guò)螺栓進(jìn)行固定。傳感器數(shù)量根據(jù)電芯長(zhǎng)度及仿真數(shù)據(jù)確定，為確保數(shù)據(jù)精度，傳感器數(shù)量應(yīng)最少且均布5將準(zhǔn)備好的電芯放入夾具中，若需要監(jiān)測(cè)電芯大面等的溫度，需要此時(shí)在電芯大面處粘貼溫度探頭6以對(duì)角線的順序依次緊固側(cè)板上的固定螺栓，具體夾具布置根據(jù)項(xiàng)目調(diào)整控制夾具間的總間隙及夾緊力。螺釘扭矩根據(jù)測(cè)試要求的夾緊力預(yù)設(shè)，參考仿真模擬最大膨脹力-位移曲線，確定膨脹力夾具厚度，變形量不超過(guò)電池厚度0.5%7膨脹力測(cè)試部分準(zhǔn)備完畢6.4開(kāi)始測(cè)試6.4.1線束連接將準(zhǔn)備好的待測(cè)試電芯轉(zhuǎn)移至測(cè)試通道，進(jìn)行相關(guān)的線束連接：a)在需要的位置粘貼溫度探頭（詳見(jiàn)3.4），并將各溫度線與采集器連接。b)將壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集器和穩(wěn)壓電源（或壓力采集盒）進(jìn)行連接，其中：1)使用數(shù)據(jù)采集器和穩(wěn)壓電源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，按照4.1.2.3進(jìn)行接線；2)使用壓力采集盒進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，將傳感器插頭與壓力采集盒進(jìn)行連接。c)將準(zhǔn)備好的電芯分別與測(cè)試通道的動(dòng)力線束、采集線束進(jìn)行連接。6.4.2環(huán)境適應(yīng)按照3.3所述，將待測(cè)試電芯在測(cè)試環(huán)境中靜置一定時(shí)間。86.4.3初始RPT測(cè)試6.4.3.1容量標(biāo)定，具體測(cè)試條件按照國(guó)標(biāo)推薦要求或者測(cè)試大綱特殊指定要求。6.4.3.2DCIR測(cè)試，具體測(cè)試條件根按照國(guó)標(biāo)推薦要求或者測(cè)試大綱特殊指定要求。6.4.4測(cè)試項(xiàng)目6.4.4.1待RPT測(cè)試完成后，將電池轉(zhuǎn)移至所需測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試環(huán)境下，靜置2h，隨后按照Cell測(cè)試大綱進(jìn)行相關(guān)項(xiàng)目的測(cè)試，包括但不限于動(dòng)力性、耐久性等測(cè)試。6.4.4.2在持續(xù)進(jìn)行電芯膨脹力采集的基礎(chǔ)上，每日固定時(shí)間記錄壓力傳感器的輸出值。6.4.4.3每周、半月或月（時(shí)間周期以委托人需求而定）對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分6.4.4.4出現(xiàn)下列情況之一時(shí)結(jié)束試驗(yàn)：a)樣品電池出現(xiàn)起火、破裂、爆炸現(xiàn)象；b)氣壓傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)判定，認(rèn)為連接處發(fā)生漏氣；c)SOH降至80%或項(xiàng)目規(guī)定的測(cè)試異常評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；d)已完成全部所需的測(cè)試。6.4.4.5測(cè)試結(jié)束后，若為高溫環(huán)境的測(cè)試，需等待樣品溫度降至至少40℃以下，取出；記錄電池電壓/內(nèi)阻，對(duì)測(cè)試后的電池進(jìn)行拍照，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。6.5數(shù)據(jù)處理6.5.1DCIR測(cè)試數(shù)據(jù)處理根據(jù)實(shí)際的測(cè)試方法，計(jì)算對(duì)應(yīng)的DCIR數(shù)值。6.5.2膨脹力測(cè)試數(shù)據(jù)處理膨脹力數(shù)據(jù)處理方式詳見(jiàn)5.4.3.，當(dāng)使用多只傳感器時(shí)，需要將所有傳感器測(cè)試量值相加。6.5.3繪制膨脹力-時(shí)間曲線膨脹力-時(shí)間曲線見(jiàn)圖3，可以標(biāo)識(shí)出膨脹力隨時(shí)間