動力電池循環(huán)過程膨脹力試驗方法

1動力電池循環(huán)過程膨脹力試驗方法本文件規(guī)定了方形電芯充放電時產(chǎn)生的膨脹力的測試方法。本文件適用于組織開展動力電池自評價、驗證設計方案及第三方機構(gòu)的測試評價活動。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(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，僅該日期對應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)語原電池和蓄電池GB/T31484—2015電動汽車用動力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗方法3術(shù)語、定義和縮略語3.1術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1.1電芯cell即電池單體，將化學能與電能進行相互轉(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，并被設計成可充電。3.1.2膨脹力swellingforce電芯在充放電等過程中，由于內(nèi)部化學反應導致的氣體產(chǎn)生或電池材料發(fā)生體積變化，從而對電芯外殼產(chǎn)生的力。一般情況下，主要測試垂直于電芯正負極片方向的力。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縮略語下列縮略語適用于本文件。DCIR直流內(nèi)阻（DirectCurrentInternalResistance）4電池分類本測試中，根據(jù)電芯長度將其分為短電芯和長電芯，其中，短電芯長度＜300mm，長電芯長度≥300mm。5要求5.1測試環(huán)境指在測試過程中，被測試電芯所處的環(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)時為25±2℃。5.1.1環(huán)境適應測試電芯在轉(zhuǎn)移到不同環(huán)境后，需要將電芯靜置一定時間以使得其狀態(tài)與測試環(huán)境一致。a)電芯溫度低于測試環(huán)境時：需將電芯置于測試環(huán)境下，靜置2h。b)電芯溫度高于測試環(huán)境時：需將電芯置于測試環(huán)境下，靜置2h。5.2溫度測量一般使用熱電偶測量并持續(xù)采集所需溫度，可以使用紅外溫度計進行輔助采集溫度值，需要保存文件。溫度傳感器分布位置：a)測試電池：兩大面中心、正極柱、負極柱、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。測溫點位置和數(shù)量可根據(jù)客戶要求更改。b)環(huán)境箱內(nèi)溫度檢測：待測樣品的四周，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)的性能測試夾具，膨脹力測試夾具增加了用于將電芯膨脹力傳導到壓力傳感器的膨脹導板，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)實際使用環(huán)境確認，板材厚度進行相關(guān)的理論計算或者仿真模擬。膨脹力測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際設計角度考慮，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)實際使用情況計算間隙數(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)說明5.4壓力傳感器電芯膨脹力測試，常見的幾種方法：壓力傳感器法、位移傳感器法、應變片法，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)長期循環(huán)批量驗證的是壓力傳感器法。測試過程中，需要使用壓力傳感器對膨脹力數(shù)據(jù)進行測量采集。5.4.1傳感器選型一般而言，電芯膨脹力測試主要需要關(guān)注壓力傳感器的輸出信號、供電方式以及量程問題。a）輸出信號：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其進行供電；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傳感器最大量程的4/5；d）數(shù)量：根據(jù)電芯長度，當電芯為短電芯時，使用1只傳感器；當電芯為長電芯時，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)驗數(shù)據(jù)或者仿真結(jié)果進行確定。5.4.2使用前準備壓力傳感器正常工作需要對其進行直流供電并實施采集其輸出電流，所需設備有兩類：a）穩(wěn)壓電源+數(shù)據(jù)采集器：使用穩(wěn)壓電源對壓力傳感器進行供電，所選取的電壓應在傳感器使用范圍內(nèi)；使用數(shù)據(jù)采集器對壓力傳感器輸出的電壓數(shù)據(jù)進行收集，采集范圍為0~50mV。接線方式見下表1：表1連接方式線束說明連接端子供電正（+E）電源正極+供電負（-E）電源負極-輸出正（+S）數(shù)據(jù)采集器正極+輸出負（-S）數(shù)據(jù)采集器負極-b）壓力數(shù)據(jù)采集盒：使用時可直接通過航空插頭將壓力傳感器與壓力數(shù)據(jù)采集盒進行連接。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)過下列公式(1)進行轉(zhuǎn)換，以此得到力數(shù)據(jù)。4..............................(1)式中：——F：實際壓力值，kN；——U0：采集電壓值，mV；空載時壓力傳感器輸出電信號理論為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：公式適用于常見的壓力傳感器，根據(jù)采集到的電壓計算收到的膨脹5.4.3.2若電芯測試柜自帶壓力數(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，無需進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。5.4.4日常維護傳感器的彈性體在經(jīng)過長時間的反復變形后會出現(xiàn)疲勞，對外部壓力的響應速度和靈敏度下降，造成輸出靈敏度變化、測量精度和重復精度下降，滯后明顯。若測試條件允許，每六個月應讓傳感器在無載荷狀態(tài)，即空載狀態(tài)下靜置24小時，釋放內(nèi)部應力；每年至少讓傳感器空載靜置24小時一次。通過釋放彈性體內(nèi)部應力，提高長期測試的精度和穩(wěn)定性。如果長期循環(huán)超過一年，根據(jù)實際情況判斷電池是否拆卸重新組裝，可能會破壞電池的拘束狀態(tài)。傳感器每次在使用后，安裝到新的夾具進行長期測試之前，建議做一次計量和校準。5.4.5綜合誤差來源5.4.5.1傳感器安裝到夾具上后就會產(chǎn)生綜合誤差，主要來源于：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、準確性；f)外部環(huán)境條件的變化。5.4.5.2當綜合誤差超過允許范圍(~0.3%)時，即需對傳感器進行校準。5.4.6注意事項5.4.6.1傳感器的維護和校準工作應在使用前完成。5.4.6.2保證夾具頂板和膨脹力導板的平行度。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固定螺絲不能過長（超過孔位深度）或過短（無法固定）。5.4.6.5固定螺絲應按對角線順序擰緊。5.4.6.6在高溫（55℃~65℃)/低溫（-10℃~0℃)環(huán)境中使用傳感器時，應先將傳感器置于該環(huán)境中1.5~2小時，充分受溫后再使用。5.4.6.7當環(huán)境溫度＞65℃時，應選用帶高溫電阻應變片的傳感器。5.4.6.8安裝和使用過程中避免傳感器非受壓面受到外界應力。5.4.6.9安裝過程中避免傳感器發(fā)生不可逆的變形。5.4.6.10安裝過程中避免傳感器電纜過度彎折或拉扯，導致電纜損壞。5.4.6.11測試過程中避免在過大的電壓/電流下使用傳感器。5.4.6.12強電磁干擾可能會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待測樣品選取樣品表面無破損或變形，實驗前需確保樣品外觀正常，無變形發(fā)鼓，表面無破損或污跡，殼體帶電電池需包覆膜絕緣，極性標示清晰，已焊連接片。6試驗方法6.1物料準備測試前需準備的物料/設備包括夾具、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等，其中設備的具體數(shù)量及規(guī)格，根據(jù)項目需求及實際情況等綜合確定。注：此處所述的測試物料僅針對于膨脹力數(shù)據(jù)測試，其余物料如電池檢測柜等，6.2電芯準備按照5.5測試電芯選取，準備待測試電芯。6.2.1樣品數(shù)量實際測試數(shù)量根據(jù)具體項目需求及實際情況進行制定。6.2.2基本信息測量6.2.2.1電芯電壓測量使用萬用表對電芯初始電壓進行測量，并記錄。6.2.2.2電芯內(nèi)阻測量使用內(nèi)阻儀對電芯的初始內(nèi)阻進行測量，并記錄。6.2.2.3電芯重量檢驗使用電子天平對電芯的初始重量進行測量，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)電芯膨脹力夾具見表2。表2極耳不同側(cè)電芯膨脹力夾具序號示意圖描述1準備測試夾具2將電池倉側(cè)板上的固定螺絲依次擰松取下，取下電池倉側(cè)板3取下膨脹力導板64準備壓力傳感器，型號數(shù)量根據(jù)5.4.1進行確認5將壓力傳感器安裝到傳感器倉側(cè)板對應的傳感器位置，并將傳感器與側(cè)板接觸的一面通過螺栓進行固定6將膨脹力導板歸位，注意導桿應對準導桿孔位7將準備好的電芯放入夾具中，電芯兩側(cè)不應超過夾具邊緣，若需要監(jiān)測電芯大面等的溫度，需要此時在電芯達大面處粘貼溫度探頭8將電池倉側(cè)板歸位9以對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)測試要求的夾緊力預設，參考仿真模擬最大膨脹力-位移曲線，確定膨脹力夾具厚度，變形量不超過電池厚度0.5%膨脹力測試部分準備完畢注：電池厚度會隨著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)電芯膨脹力夾具見表3。表3極耳同側(cè)電芯膨脹力夾具序號示意圖描述1準備測試夾具2將電池倉側(cè)板上的固定螺絲依次擰松，使得側(cè)板有約3mm的軸向移動空間3準備壓力傳感器，型號數(shù)量根據(jù)5.4.1進行確認4將壓力傳感器安裝到傳感器倉側(cè)板與零件膨脹導板之間對應的傳感器位置，并將傳感器與側(cè)板接觸的一面通過螺栓進行固定。傳感器數(shù)量根據(jù)電芯長度及仿真數(shù)據(jù)確定，為確保數(shù)據(jù)精度，傳感器數(shù)量應最少且均布5將準備好的電芯放入夾具中，若需要監(jiān)測電芯大面等的溫度，需要此時在電芯大面處粘貼溫度探頭6以對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)測試要求的夾緊力預設，參考仿真模擬最大膨脹力-位移曲線，確定膨脹力夾具厚度，變形量不超過電池厚度0.5%7膨脹力測試部分準備完畢6.4開始測試6.4.1線束連接將準備好的待測試電芯轉(zhuǎn)移至測試通道，進行相關(guān)的線束連接：a)在需要的位置粘貼溫度探頭（詳見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）進行連接，其中：1)使用數(shù)據(jù)采集器和穩(wěn)壓電源進行數(shù)據(jù)采集時，按照4.1.2.3進行接線；2)使用壓力采集盒進行數(shù)據(jù)采集時，將傳感器插頭與壓力采集盒進行連接。c)將準備好的電芯分別與測試通道的動力線束、采集線束進行連接。6.4.2環(huán)境適應按照3.3所述，將待測試電芯在測試環(huán)境中靜置一定時間。86.4.3初始RPT測試6.4.3.1容量標定，具體測試條件按照國標推薦要求或者測試大綱特殊指定要求。6.4.3.2DCIR測試，具體測試條件根按照國標推薦要求或者測試大綱特殊指定要求。6.4.4測試項目6.4.4.1待RPT測試完成后，將電池轉(zhuǎn)移至所需測試項目的測試環(huán)境下，靜置2h，隨后按照Cell測試大綱進行相關(guān)項目的測試，包括但不限于動力性、耐久性等測試。6.4.4.2在持續(xù)進行電芯膨脹力采集的基礎上，每日固定時間記錄壓力傳感器的輸出值。6.4.4.3每周、半月或月（時間周期以委托人需求而定）對傳感器數(shù)據(jù)進行導出，并對數(shù)據(jù)進行處理分6.4.4.4出現(xiàn)下列情況之一時結(jié)束試驗：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，認為連接處發(fā)生漏氣；c)SOH降至80%或項目規(guī)定的測試異常評判標準；d)已完成全部所需的測試。6.4.4.5測試結(jié)束后，若為高溫環(huán)境的測試，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，對測試后的電池進行拍照，保存實驗數(shù)據(jù)。6.5數(shù)據(jù)處理6.5.1DCIR測試數(shù)據(jù)處理根據(jù)實際的測試方法，計算對應的DCIR數(shù)值。6.5.2膨脹力測試數(shù)據(jù)處理膨脹力數(shù)據(jù)處理方式詳見5.4.3.，當使用多只傳感器時，需要將所有傳感器測試量值相加。6.5.3繪制膨脹力-時間曲線膨脹力-時間曲線見圖3，可以標識出膨脹力隨時間