鋰電池膨脹力及位移測試試驗臺的開發

曲 杰，李治均，王 超

(華南理工大學機械與汽車工程學院,廣州 510641)

近年來,隨著油價的波動,自然資源的減少、氣候變化以及越來越嚴格的排放標準,汽車行業逐漸轉型研究開發環保、高效的汽車,因此電動汽車、混合動力電動汽車和插電式混合動力電動汽車逐漸走進人們的視線[1]。鋰電池具有的高功率密度、高能量密度和低自放電率等優點使其成為了從小型便攜式電子設備到大規模儲能系統等各種應用的理想選擇[2]。

近年來,研究學者逐漸開始研究鋰電池內外部受力情況對鋰電池壽命的影響。Sergiy等[3]研究了雙軸拉伸下鋰電池隔膜的變形及失效形式,并建立了有限元模型來預測這一響應。此外,Yong等[4]、Martin等[5]、Barai等[6]與Mussa等[7]均研究了約束壓力對軟包電池厚度和容量衰減的影響,結果表明約束狀態對動力電池的性能影響很大,適當的外部壓力能提高電池的循環壽命。Oh等[8-9]建立了鋰電池力與膨脹位移的唯象模型,并提出了一種基于電壓與力融合的電池荷電狀態(state of charge,SOC)估計方法,為SOC估計提供了新的思路。Dai等[10]提出了一種基于應力測量的鋰電池SOC估算方法,實驗表明這種方法精度較高。

綜上可知,鋰電池的力學特性對其性能影響很大。鋰電池受力變化的同時也發生著鋰電池體積的變化,已經有學者研究了體積變化對鋰電池性能的影響[11-13]。故為了更全面地研究鋰電池的性能,本文開發測試鋰電池膨脹力及位移的試驗臺,并通過有限元仿真與試驗對其進行驗證。

1 鋰電池膨脹力及位移測試試驗臺

試驗臺再現了鋰電池充放電過程中由于熱膨脹、鋰嵌鋰脫等因素產生的鋰電池體積及膨脹力的變化,旨在采集充放電過程的膨脹力、位移、溫度、電壓、電流等參數,為后續鋰電池力學性能研究與SOC估計提供參考和依據。

1.1 試驗臺原理

試驗臺由充放電系統、環境控制系統、測試系統、數據采集系統等組成。充放電系統的作用為對鋰電池進行充放電實驗,包括電池充放電設備；環境控制系統的作用為保證電池充放電過程中的環境穩定,包括恒溫箱；測試系統的作用為測試電池在充放電過程中膨脹位移與膨脹力,包括鋰電池及測試裝置；數據采集系統的作用為采集充放電過程中的實驗數據,包括膨脹位移、膨脹力、溫度、電流、電壓等,包括傳感器、采集卡和計算機。試驗臺原理簡圖如圖1所示。

圖1 試驗臺簡圖Fig.1 Schematic of test bench

首先將鋰電池放入電池測試裝置中,為了保證環境溫度的穩定以減少對試驗的影響,將測試裝置放入恒溫箱中,對鋰電池進行充放電實驗,在充放電過程中實時記錄所述稱重傳感器、溫度傳感器、電池充放電設備的數據；充放電試驗完成后,將稱重傳感器換成位移傳感器,并通過前背板上的通孔配備鎖緊夾套將其夾緊；將更換好的測試裝置放入恒溫箱中,再次進行充放電實驗,在充放電過程中實時記錄所述位移傳感器、溫度傳感器、電池充放電設備的數據。通過第一次試驗可以得到膨脹力-SOC曲線,通過第二次試驗可以得到膨脹位移-SOC曲線,將SOC作為中間變量即可得到膨脹力-膨脹位移曲線。

1.2 鋰電池測試裝置結構設計

開發的鋰電池測試裝置如圖2所示,由前背板7、后背板1、擋板6、前墊片5、后墊片3、導軌9及其滑塊8、碟形彈簧10、橫軸及其鎖緊螺母2、立柱11等組成,測試時將電池4放在前后墊片之間定位,前后墊片分別通過擋板6與后背板1的凹槽定位,擋板6與滑塊8固定,在導軌9上水平自由移動,導軌9通過后背板1與立柱11上的螺紋孔固定在其中間。前后背板通過橫軸及鎖緊螺母2連接,并通過蝶形彈簧10、橫軸及鎖緊螺母2聯合作用可以給電池施加不同的預載荷。

在電池充電過程中,在電池膨脹力推動下,推動前墊片5及擋板6運動。為了實現墊片5及擋板6運動順暢,測試裝置初始設計中,分別采用如圖3所示的兩種設計方案。

1為后背板；2為橫軸及螺母；3為后勢片；4為電池；5為前墊片；6為擋板；7為前背板；8為滑塊；9為導軌；10為碟形彈簧；11為立柱圖2 鋰電池測試裝置結構示意圖Fig.2 Structure diagram of lithium battery test device

圖3 兩種方案三維模型Fig.3 3D models of two schemes

兩種方案的主要區別為方案1中的擋板通過與直線軸承固定在導軌軸上自由移動,方案2中的擋板通過與滑塊固定在導軌上自由移動。從結構上來說,在方案1中,導軌軸直徑較小而承載能力不足,承受擋板6、電池4等重量會導致其發生豎直方向的變形,導致直線運動軸承在其上自由水平移動受阻,致使軸承與軸接觸處將產生應力集中。而方案2中導軌9能夠承受的重量較大,故擋板5在導軌上移動的效果應該優于方案1的效果。同時,在實際中,由于加工誤差等因素,方案1中4個導軌軸在安裝過程中的同軸度等參數也無法保證,故最終采用方案2。

為了使測試裝置重量較輕,擋板、前后背板均采用6061鋁板,前后背板與擋板的實際尺寸根據鋰電池尺寸進行設計,為了保證電池在充放電過程中的穩定及有效定位,在后背板與擋板上留有與墊片配合的凹槽。

墊片在實驗中主要起到將鋰電池充放電過程中的膨脹力與膨脹位移傳遞給傳感器的作用,同時也需要有散熱與絕緣的功效。為了實現上述功能,墊片比較了如圖4所示兩種設計方案。

圖4 兩種墊片設計方案Fig.4 Two designs of spacers

兩種設計方案的主要區別為墊片與電池的接觸是點接觸還是面接觸。方案1墊片與鋰電池的接觸是點接觸,充電過程中鋰電池發生膨脹時會由于點接觸的限制而出現內凹的現象,從而可能無法測出鋰電池的膨脹力。而方案2為面接觸,與方案1的點接觸相比,具有較大的接觸剛度,不會發生內凹的現象。但方案2的缺點為其散熱效果不如方案1,這可以通過施加強制散熱部件實現。綜上考慮,最終選擇方案2的結構。由于墊片較小且形狀復雜,因此采用3D打印制作,目前3D打印的絕緣材料主要有塑料(acrylonitrile butadiene styrene plastic,ABS)、尼龍、陶瓷等。文獻[10]墊片材料選擇ABS,但ABS材料剛度較低,而陶瓷材料易碎且成本高,故在此選用纖維增強尼龍材料作為墊片材料。

為了減少測量膨脹位移時的摩擦阻力的影響,采用導軌滑塊結構保證擋板在膨脹過程中沿水平運動。由于本裝置中采用階梯軸的方式固定前后背板,為了能在不同的預載荷下探究鋰電池的特性,采用了蝶形彈簧在軸的一端起到緩沖作用。同時,為了能使緩沖效果更好且將更多的力傳遞給稱重傳感器,碟形彈簧采用對合組合,根據固定軸的尺寸最終選用系列C的外徑10 mm、內徑5.2 mm的碟形彈簧。

1.3 數據采集系統軟硬件

試驗臺采集的主要數據為膨脹力、位移、溫度、電壓和電流等參數,由于電壓、電流由鋰電池充放電系統直接獲得,溫度由數采系統直接得到,故這里只詳述膨脹力與位移的數據采集過程。

鋰電池膨脹力測試試驗臺結構示意圖如圖5所示。具體過程為:使用兩個溫度傳感器,將其中一個溫度傳感器放置鋰電池表面中心位置測量電池表面溫度,另一個測量環境溫度；然后將稱重傳感器12放置在擋板6與前背板7之間,并且使用前背板和后背板通過鎖緊螺母2將其固定,同時將利用碟形彈簧10與鎖緊螺母2的配合將初始測量值設為預設值。

裝置采用的稱重傳感器為Omega LCM305-1KN,通過NI-9237模塊使用LabVIEW編程采集數據。具體程序流程圖如圖6所示。

12為稱重傳感器/位移傳感器圖5 鋰電池膨脹力/位移測試試驗臺結構示意圖Fig.5 Structural diagram of lithium battery expansion force/displacement test bench

圖6 稱重傳感器程序流程圖Fig.6 Flowchart of load cell program

鋰電池膨脹位移測試試驗臺結構示意圖與圖5類似。但與上述過程不同的是位移傳感器通過前背板7上的通孔配備鎖緊夾套將其夾緊。

由于鋰電池膨脹位移較小,本裝置采用分辨率為1 μm的容柵測微計,基于Modbus協議以及C++編程采集位移傳感器的數據。

2 鋰電池膨脹力及位移測試試驗臺的有限元仿真驗證

由于鋰電池充放電過程中膨脹位移較小,若試驗臺的剛度不足則可能會發生測得的膨脹力與位移不準甚至無法測出膨脹力及位移,故需要進行有限元仿真模擬以保證開發的試驗臺具有較高剛度。鋰電池的充放電過程是一復雜的化學-熱-機-電耦合過程,難以準確地模擬充放電過程中電池對外部施加的機械響應。由于試驗臺開發主要關心鋰電池充放電過程中的膨脹引起的試驗臺剛度、強度問題,故可將鋰電池充放電過程中與測試裝置間復雜的熱-機-電耦合過程簡化為鋰電池與測試裝置間熱力耦合過程,具體為將電池僅由溫度變化引起的膨脹與實際充放電過程中由熱-機-電耦合作用產生的膨脹等效。有限元分析中采用型號為554462的2 A·h鋰電池。

2.1 有限元模型及關鍵材料參數

首先使用三維軟件CATIA對測試裝置進行三維建模,包括前后背板、擋板、前后墊片、導軌及其滑塊、橫軸、立柱等,然后應用前處理軟件Hyper Mesh對模型進行幾何清理和網格劃分,由于結構較為復雜,故網格劃分采用六面體單元與修正的二次四面體單元混合的方法。

在充放電過程中由于電池溫度的變化與發生鋰嵌鋰脫現象等原因,鋰電池會發生膨脹現象,為了更方便地進行有限元分析,這里將所有導致鋰電池膨脹的因素簡化為僅由溫度變化導致。仿真采用的鋰電池熱膨脹系數來源于文獻[4]中的鋰電池,根據其獲得的充放電過程中的應力應變曲線可知,充放電過程中鋰電池沿厚度方向的最大應變為0.069。在模擬過程中假設充放電過程中電池與測試裝置相互作用等效于系統溫度上升100 ℃時電池與測試裝置相關互作用,故鋰電池沿厚度方向的熱膨脹系數可以假設為0.000 69；而基于Oh等[10]工作,鋰電池在充電過程中,僅在厚度方向發生膨脹,而在面內方向尺寸保持不變,故沿面內方向鋰電池的熱膨脹系數為0。同樣基于文獻[4]中鋰電池應力應變曲線可得沿厚度方向鋰離子電池彈性模量為40 MPa,而沿面內方向彈性模量為0。

此外,由于在實際充電過程中,測試裝置的溫度基本保持不變,因此為了使簡化為熱力耦合過程的測試裝置響應與實際充電過程中測試裝置響應一致,假設測試裝置各部件材料的熱膨脹系數均為0。

2.2 有限元仿真結果分析

將如圖3所示的兩種鋰電池測試裝置方案分別在相同的條件(使用墊片方案1材料為ABS塑料的墊片)下進行仿真分析,得到分析結果如圖7所示。

圖7 兩種方案有限元分析結果剖面圖Fig.7 Section of the finite element analysis results of the two schemes

由圖7可知:方案1的最大應力與形變為85.26 MPa和0.096 mm,均大于方案2的最大應力(46.34 MPa)、形變(0.092 mm),且方案1應力較大位置出現在直線運動軸承與導軌軸接觸處,這與之前從結構上分析得到的結果相同,由于導軌軸的變形使得直線運動軸承難以順暢地在導軌軸上自由位移。而方案2中雖然較大的應力位置也出現在導軌滑塊處,但其剛度較大,導軌處的應變量也較小,故方案2合理。

另外,通過圖7可知,裝置的形變較大,且較大值出現在墊片接觸位置,在真實試驗中由于電池膨脹量較小可能無法測出實際的膨脹位移,故分別將兩種墊片方案應用于方案2的鋰電池測試裝置中,進行有限元仿真得到墊片仿真結果如圖8所示。

圖8 兩種墊片方案的有限元仿真結果Fig.8 Finite element simulation results of two designs

由圖8可知:方案1的形變比方案2的形變大,且變形最大的地方為電池與墊片接觸的凸起部分,這與之前結構分析的結果相同,其會吸收了鋰電池的膨脹位移而使得傳感器無法測出膨脹位移。同時電池表面相應位置出現應力集中,可能造成電池漏液等隱患。方案2的變形分布均勻且較小,故最終選擇方案2的墊片。另外,由圖8可知,若使用ABS塑料作為墊片材料，即使使用方案2的結構其形變量也較大,故將墊片材料換成纖維增強尼龍材料進行仿真分析得到整個裝置的最大應力與形變分別為42.73 MPa與0.012 mm,實驗裝置整體受力降低及變形都有所降低,特別是最大變形降低至原來的1/3；當墊片當采用陶瓷材料時,最大變形量為0.009 mm,僅有稍許降低,而陶瓷成本為尼龍成本10倍以上且易碎,故最終選用纖維增強尼龍材料方案。

根據仿真結果優化后加工的鋰電池測試系統的實物圖如圖9所示。

圖9 測試系統實物Fig.9 Physical object of test system

3 充放電試驗及試驗結果分析

已有的研究表明,電池充放電過程中的膨脹量與電池的充放電倍率有關,同時由于不同倍率下膨脹量不同導致產生的膨脹力也不同。為了驗證試驗臺的可靠性,設計了如下鋰電池充放電試驗:將鋰電池以1 C電流恒流充電至4.2 V,然后恒壓充電至電流下降到0.02 C,充電停止；靜置30 min；然后分別以0.2、0.5、1、1.5、2 C恒流放電,實驗中采用寧波維科電池有限公司型號為554462的鋰電池。

3.1 位移信號

實驗測得鋰電池充放電過程中的膨脹位移曲線如圖10所示。

圖10 膨脹位移曲線Fig.10 Expansion displacement curve

分析試驗數據可得,圖10中的不同放電倍率下的膨脹位移曲線均有類似的規律變化,可知試驗臺的重復性較好,同時測量得到的膨脹位移數量級與文獻[4-10]結果相近,故本文所設計裝置測量出來的膨脹位移數據是可靠的。

3.2 力信號

由于試驗裝置整體結構較為復雜,且由之前的仿真結果可知,試驗臺在實驗過程中會發生變形,且由于墊片材料為聚合物材料,具有一定的阻尼,故在實際測量過程中可能導致稱重傳感器測量得到的力相比真實膨脹力偏小,故需對力信號進行分析。

真實膨脹力發生的作用面為鋰電池與前后墊片的接觸面,而稱重傳感器測量結果的作用面為擋板與傳感器接觸面,由于力的測量中間存在一個傳遞的過程,故其中會存在力的損失。根據有限元仿真結果可得鋰電池與前墊片和稱重傳感器與擋板接觸面上的壓力差值曲線如圖11所示。

圖11 膨脹力誤差曲線Fig.11 Expansion force error curve

使用多項式擬合可得式(11)進行力信號修正:

F1=164.973 6x2+32.871 6x-0.328 6

(1)

式(1)中:F1表示膨脹力誤差；x為鋰電池膨脹量。

同時,為了將力與位移數據一一對應,還需要考慮位移傳感器自身的回彈阻力,通過實驗測得其回彈力曲線如圖12所示。

圖12 回彈力曲線Fig.12 Rebound curve

對圖12進行線性回歸得彈力-位移公式如式(2)所示,其相關系數R2=0.991 5。

F2=0.080 6x+0.606 1

(2)

式(2)中:F2表示回彈力。

雖然膨脹力誤差與回彈阻力的數值在整個放電過程較小,但由于放電的過程也是膨脹力變小的過程,如圖13所示,放電即將結束階段的稱重傳感器的數值也較小,從而對其測量力的準確性影響較大,故需要將其考慮進去。最終,經過修正后的力信號為

F=F0+F1-F2=0

(3)

式(3)中：F0為傳感器示數；F為修正后的膨脹力大小。

圖13 1.5 C放電倍率稱重傳感器示數曲線Fig.13 Load sensor indication curve during a 1.5 C discharge

3.3 膨脹力與膨脹位移關系

最終通過圖10、圖13可得1.5 C放電倍率的膨脹力-膨脹位移曲線如圖14所示。

圖14 膨脹力-膨脹位移曲線Fig.14 Expansion force-expansion displacement curve

基于測試數據可以獲得鋰電池充放電過程中的膨脹力-膨脹位移曲線、膨脹力-SOC曲線及膨脹位移-SOC曲線,從而為進一步探究鋰電池充放電過程中復雜的熱-機-電耦合作用機理提供新的思路,為建立鋰電池的電、熱、力學多物理耦合模型提供了基礎數據,為建立包含電、熱、力信號的電池管理系統打下基礎。

4 結論

設計開發了鋰電池膨脹力及位移測試試驗臺,對其進行了有限元仿真與試驗驗證,具體的工作如下。

(1)設計開發了鋰電池測試裝置,包括前后背板、擋板、前后墊片、導軌及其滑塊、橫軸及其鎖緊螺母、碟形彈簧和立柱等,從結構上分析比較了不同測試裝置方案與墊片方案的優劣性,選取最優方案并通過有限元仿真進行了驗證。

(2)為了模擬充放電過程中鋰電池對測試裝置的響應,提出了一種等效鋰電池在充放電過程對外部的機械響應的方法,即將鋰電池實際充放電過程中由熱-機-電耦合作用產生的膨脹等效為僅由溫度變化引起的熱膨脹。

(3)針對試驗過程中力傳遞過程存在的損失,提出了膨脹力修正方法,并利用試驗臺進行了多放電倍率下電池充放電試驗,基于測試數據獲得了膨脹位移-SOC曲線與膨脹力-SOC曲線,為建立包含溫度-電流-電壓-力信號的電池管理系統提供了基礎數據。