鋰電池的膨脹特性

鋰電池在正常使用過程中，由于電化學反應和熱脹冷縮或液化/汽化等因素，必然會發生膨脹和收縮現象；長期累計后就會產生鼓包。

圖1. 手機鋰電池包膨脹鼓包

鋰電池膨脹是對電池性能和安全有重大影響的特性，包括快速充放電過程中的可逆膨脹、長期使用之后的系統性不可逆膨脹。充放電過程中的膨脹超過一定限度就會大大影響電池性能，甚至帶來起火爆炸等風險。長期使用導致的不可逆膨脹則可能影響電池壽命，或者帶來漏液等風險。

汽車動力電池的膨脹影響尤其明顯，因為動力電池具有大電壓、大電流、高密度、與乘客近距離長周期相處的特點，具有更大的因膨脹導致的漏液起火的風險。電池漏液、起火、爆炸等導致人身安全事故的報道也并不罕見。

圖2. 動力電池包內，電芯膨脹導致的擠壓破損、漏液

鋰電池的膨脹檢測

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

電池膨脹形變量測試方案

賓凱騰公司自主研發的電池膨脹形變量檢測與分析設備是根據結構力學的理論、基于形變量檢測和分析的方法所研發的測試設備，該設備適用于電池包整包外殼、電芯鋁/鋼外殼的膨脹形變。其測試數據可基于波形曲線及其趨勢分析電池外殼老化趨勢，可標定對比力與形變的相關關系及根據結構力學特性尋找隱性損傷點，也可另行轉換后用于Ansys等力學分析軟件的模型分析。

圖3. 電池膨脹形變測試設備

該設備是采用美國NI-CompactRIO硬件平臺，基于LabVIEW自主開發電池膨脹測試軟件，首先實現溫度與應變的測試，包括短期高速測試和長期穩定運行一年以上的測試；然后結合校準、標定、數據處理、數據換算等一系列操作，實現了電池的膨脹形變、膨脹壓力等測試。以下是具體的系統構成：

圖4. 池充放電產生的形變量的曲線波形

方案硬件構成

該設備基于美國NI的CompactRIO平臺實現。該平臺可以適應高低溫、強振動、大沖擊等惡劣實驗環境；而且該平臺基于RTOS與FPGA實現，實時性高、穩定性好，可以獨立長期可靠運行。因此，賓凱騰科技推出的該膨脹形變測試設備，既能滿足短期（若干天）高速測試觀察充放電或振動導致的電池膨脹特性，又能長期使用（若干年）觀察電池長期膨脹特性。

圖5.方案硬件

方案軟件特性

另外，賓凱騰公司基于NI LabVIEW自主開發的測試軟件，可以對測試進行一鍵校準、實時查看設備采集狀態及實時數據、可導出設備存儲的歷史數據；提供了針對歷史數據進行處理的各種工具，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、標定等服務，并提供了將應變值轉換為對應壓力值的轉換工具。

圖6.軟件測試

本文作者：深圳市賓凱騰科技有限公司   劉曉鋒