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锂电池的膨胀特性

锂电池在正常使用过程中，由于电化学反应和热胀冷缩或液化/汽化等因素，必然会发生膨胀和收缩现象；长期累计后就会产生鼓包。

图1. 手机锂电池包膨胀鼓包

锂电池膨胀是对电池性能和安全有重大影响的特性，包括快速充放电过程中的可逆膨胀、长期使用之后的系统性不可逆膨胀。充放电过程中的膨胀超过一定限度就会大大影响电池性能，甚至带来起火爆炸等风险。长期使用导致的不可逆膨胀则可能影响电池寿命，或者带来漏液等风险。

汽车动力电池的膨胀影响尤其明显，因为动力电池具有大电压、大电流、高密度、与乘客近距离长周期相处的特点，具有更大的因膨胀导致的漏液起火的风险。电池漏液、起火、爆炸等导致人身安全事故的报道也并不罕见。

图2. 动力电池包内，电芯膨胀导致的挤压破损、漏液

锂电池的膨胀检测

电池膨胀的分类及其影响，尚处于探索阶段，各大电池厂与电动汽车厂都投入大量精力做相关研究。针对电池膨胀的测试，宾凯腾科技推出五种测试方法、匹配五种测试设备。其中，宾凯腾科技重点推荐基于内部气压/液压测试原理的内部压力采集、基于外壳形变量测试原理的膨胀形变采集。

电池膨胀形变量测试方案

宾凯腾公司自主研发的电池膨胀形变量检测与分析设备是根据结构力学的理论、基于形变量检测和分析的方法所研发的测试设备，该设备适用于电池包整包外壳、电芯铝/钢外壳的膨胀形变。其测试数据可基于波形曲线及其趋势分析电池外壳老化趋势，可标定对比力与形变的相关关系及根据结构力学特性寻找隐性损伤点，也可另行转换后用于Ansys等力学分析软件的模型分析。

图3. 电池膨胀形变测试设备

该设备是采用美国NI-CompactRIO硬件平台，基于LabVIEW自主开发电池膨胀测试软件，首先实现温度与应变的测试，包括短期高速测试和长期稳定运行一年以上的测试；然后结合校准、标定、数据处理、数据换算等一系列操作，实现了电池的膨胀形变、膨胀压力等测试。以下是具体的系统构成：

图4. 池充放电产生的形变量的曲线波形

方案硬件构成

该设备基于美国NI的CompactRIO平台实现。该平台可以适应高低温、强振动、大冲击等恶劣实验环境；而且该平台基于RTOS与FPGA实现，实时性高、稳定性好，可以独立长期可靠运行。因此，宾凯腾科技推出的该膨胀形变测试设备，既能满足短期（若干天）高速测试观察充放电或振动导致的电池膨胀特性，又能长期使用（若干年）观察电池长期膨胀特性。

图5.方案硬件

方案软件特性

另外，宾凯腾公司基于NI LabVIEW自主开发的测试软件，可以对测试进行一键校准、实时查看设备采集状态及实时数据、可导出设备存储的历史数据；提供了针对历史数据进行处理的各种工具，包括重采样、滤波、平滑白噪、温度矫正、峰谷提取、文件分割等；可提供校准、标定等服务，并提供了将应变值转换为对应压力值的转换工具。

图6.软件测试

本文作者：深圳市宾凯腾科技有限公司   刘晓锋

关键词： 锂电池 鼓包 膨胀检测 CompactRIO