鋰電池的膨脹特性

鋰電池在正常使用過(guò)程中，由于電化學(xué)反應(yīng)和熱脹冷縮或液化/汽化等因素，必然會(huì)發(fā)生膨脹和收縮現(xiàn)象；長(zhǎng)期累計(jì)后就會(huì)產(chǎn)生鼓包。

圖1. 手機(jī)鋰電池包膨脹鼓包

鋰電池膨脹是對(duì)電池性能和安全有重大影響的特性，包括快速充放電過(guò)程中的可逆膨脹、長(zhǎng)期使用之后的系統(tǒng)性不可逆膨脹。充放電過(guò)程中的膨脹超過(guò)一定限度就會(huì)大大影響電池性能，甚至帶來(lái)起火爆炸等風(fēng)險(xiǎn)。長(zhǎng)期使用導(dǎo)致的不可逆膨脹則可能影響電池壽命，或者帶來(lái)漏液等風(fēng)險(xiǎn)。

汽車動(dòng)力電池的膨脹影響尤其明顯，因?yàn)閯?dòng)力電池具有大電壓、大電流、高密度、與乘客近距離長(zhǎng)周期相處的特點(diǎn)，具有更大的因膨脹導(dǎo)致的漏液起火的風(fēng)險(xiǎn)。電池漏液、起火、爆炸等導(dǎo)致人身安全事故的報(bào)道也并不罕見。

圖2. 動(dòng)力電池包內(nèi)，電芯膨脹導(dǎo)致的擠壓破損、漏液

鋰電池的膨脹檢測(cè)

電池膨脹的分類及其影響，尚處于探索階段，各大電池廠與電動(dòng)汽車廠都投入大量精力做相關(guān)研究。針對(duì)電池膨脹的測(cè)試，賓凱騰科技推出五種測(cè)試方法、匹配五種測(cè)試設(shè)備。其中，賓凱騰科技重點(diǎn)推薦基于內(nèi)部氣壓/液壓測(cè)試原理的內(nèi)部壓力采集、基于外殼形變量測(cè)試原理的膨脹形變采集。

電池膨脹形變量測(cè)試方案

賓凱騰公司自主研發(fā)的電池膨脹形變量檢測(cè)與分析設(shè)備是根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論、基于形變量檢測(cè)和分析的方法所研發(fā)的測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備適用于電池包整包外殼、電芯鋁/鋼外殼的膨脹形變。其測(cè)試數(shù)據(jù)可基于波形曲線及其趨勢(shì)分析電池外殼老化趨勢(shì)，可標(biāo)定對(duì)比力與形變的相關(guān)關(guān)系及根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)特性尋找隱性損傷點(diǎn)，也可另行轉(zhuǎn)換后用于Ansys等力學(xué)分析軟件的模型分析。

圖3. 電池膨脹形變測(cè)試設(shè)備

該設(shè)備是采用美國(guó)NI-CompactRIO硬件平臺(tái)，基于LabVIEW自主開發(fā)電池膨脹測(cè)試軟件，首先實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變的測(cè)試，包括短期高速測(cè)試和長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行一年以上的測(cè)試；然后結(jié)合校準(zhǔn)、標(biāo)定、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)換算等一系列操作，實(shí)現(xiàn)了電池的膨脹形變、膨脹壓力等測(cè)試。以下是具體的系統(tǒng)構(gòu)成：

圖4. 池充放電產(chǎn)生的形變量的曲線波形

方案硬件構(gòu)成

該設(shè)備基于美國(guó)NI的CompactRIO平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。該平臺(tái)可以適應(yīng)高低溫、強(qiáng)振動(dòng)、大沖擊等惡劣實(shí)驗(yàn)環(huán)境；而且該平臺(tái)基于RTOS與FPGA實(shí)現(xiàn)，實(shí)時(shí)性高、穩(wěn)定性好，可以獨(dú)立長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。因此，賓凱騰科技推出的該膨脹形變測(cè)試設(shè)備，既能滿足短期（若干天）高速測(cè)試觀察充放電或振動(dòng)導(dǎo)致的電池膨脹特性，又能長(zhǎng)期使用（若干年）觀察電池長(zhǎng)期膨脹特性。

圖5.方案硬件

方案軟件特性

另外，賓凱騰公司基于NI LabVIEW自主開發(fā)的測(cè)試軟件，可以對(duì)測(cè)試進(jìn)行一鍵校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)查看設(shè)備采集狀態(tài)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、可導(dǎo)出設(shè)備存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)；提供了針對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的各種工具，包括重采樣、濾波、平滑白噪、溫度矯正、峰谷提取、文件分割等；可提供校準(zhǔn)、標(biāo)定等服務(wù)，并提供了將應(yīng)變值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)壓力值的轉(zhuǎn)換工具。

圖6.軟件測(cè)試

本文作者：深圳市賓凱騰科技有限公司   劉曉鋒