一种电动自行车用锂离子电池安全检测装置及方法与流程

本发明属于电池检测领域，尤其涉及一种电动自行车用锂离子电池安全检测装置及方法。

背景技术：

锂离子电池被认为是性能最为优越的可充电电池，有“终极电池”之称。 虽然产业化只有十多年的时间，市场对于锂离子电池的巨大需求，以及人力、物力、财力的大规模投入，引导该行业逐渐走强，使锂离子电池在电动自行车的应用成为可能。

电动自行车用锂离子电池，为近年来新发展和商品化的一种电池体系，其替代铅酸蓄电池作为电动自行车动力已成为必然趋势。锂离子动力电池具有工作电压高、体积小、重量轻，比能量高、循环寿命长、快速充电等优良特性。这些特点可解决电动自行车设计中的瓶颈问题，极大提高综合性能。目前，锂离子动力电池成本还比较高，占到整车成本的1/3到1/2，远大于铅酸电池在整车成本中的比重。但随着技术的进步和成熟，在电动自行车上采用锂电池，是未来电动自行车发展的趋势。

电动自行车用锂离子电池，在具备众多优点的同时，由于比能量高，材料稳定性相对差，安全问题也日益突出。电动自行车用锂离子电池的重量约为4公斤，比手机电池大100多倍，储存的能量也相应增加上百倍，能量的增加也意味着危险性的大幅提高。同时，锂离子电池组的单体电池间存在差异，充电时，部分电池被过充，部分电池未充满电，放电时部分电池未放完电，部分则被过放，恶性循环，电池容易发生危险。同时，因为电动自行车用锂离子电池使用环境的特殊性，更多的发生挤压，针刺、浸水等情况，对其性能有特殊要求。在自行车用锂离子电池研发和使用中，曾多次出现爆炸和燃烧事件，电池自燃的事件也多次发生。

随着自行车用锂离子电池的快速发展、普及，商品化已经成为必然的趋势。急需开展相关安全性能技术研究，为我国相关法律法规的制定实施提供必要的技术支持，以保障电池产品生产及使用安全。自行车用锂离子电池的安全性能检测关键技术的研究，将促进我国电池健康、有序地发展，同时也为应对国外技术性贸易壁垒提供强有力的科技支撑。尤其是在现阶段，掌握先机，采取主动，才能保证我国在自行车用锂离子电池的全面商品化的时期，在世界电池贸易中立于不败之地。

由于我国在电池产品安全方面研究起步较晚，电动自行车用锂电池是近年来研发和商品化的一个电池体系。虽然也制定了一些标准，但检测体系还很不完善，相关技术落后，仪器设备缺乏，很难为我国相关法律法规的实施提供有力的技术支持。目前，检测主要依据：IEC 62133《含碱性或非酸性电解液的二次单体电池和电池的安全要求》，QBT_2947.3-2008《电动自行车用蓄电池及充电器_第1部分：锂离子蓄电池及充电器》，但以上几个标准和法规主要针对便携式锂电池或主要侧重于电池的性能要求，不能满足电动自行车用锂离子动力电池的安全检测要求。

目前，大规模使用的商用锂离子电池的特点是内部为多层重复的层级结构，在使用过程中电池衰减的原因有很多，包括材料恶化，电解液浓度变化，隔膜损坏等，但常见的是电极、隔膜等层级结构的厚度、形体发生变化、产生为裂纹和缺陷，同时伴随着固体表面电解质膜(SEI)等界面层的生成和消解，因此，针对电池性能衰减的分析应重点关注电池内部电极、隔膜、SEI等多层级结构厚度和形态变化。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种电动自行车用锂离子电池的安全检测装置及方法，一次性实现电池的多项安全性能参数的检测、评估，不仅弥补了电动自行车用锂离子电池安全性能检测的技术空白，并且有效提高检测效率。

本发明的第一技术方案提供了一种电动自行车用锂离子电池的安全检测装置，该装置包括如下部件：

变形、及内部检测系统：防爆箱体3、底座2、充电装置16、放电装置17、超声波探头4、加热装置15、第二温度传感器8、摄像机5、进气孔6、出气孔7；

所述底座2由耐高温合金制造，设置在防爆箱体3底部，并设有滑轨13，滑轨13上设置两块可拆卸的夹板11，该夹板11安装在被测电池1两侧，且可在底座2上滑动和固定；

所述夹板11均设置第一温度传感器23和变形检测片18，第一温度传感器23通过线路与控制系统的温度数据处理模块连接，并通过显示器显示温度，变形检测片靠近电池一侧上设有多个检测触点22和第一温度传感器23，另一侧设有正极引出线19、负极引出线20和第一温度传感器线路21，所述检测触点22通过正、负极引出线19、20连接控制系统的变形数据处理模块，并通过显示器显示变形情况；

所述超声波探头4设置在防爆箱体3顶层的中部，并通过线缆构件（图1中未画出）和移动终端24连接，所述线缆构件包括电连接的超声波发射接收模块、测量电路、供电电路和控制电路，所述线缆构件通过3.5mm音频头与移动终端连接；所述超声波探头方向可调，其对准电池的电池内部电极。

所述防爆箱体3还设置箱体门12，门上设置把手14；

所述防爆箱体门相对的一侧侧壁上设置有充电插座9和放电插座10，分别与所述充电装置16和放电装置17连接；该侧壁上还均匀设置多个第二温度传感器8；

所述防爆箱体3底部、底座2下部设置有加热装置15；

所述防爆箱体3顶层的中部还设置摄像机5，摄像机5将图像数据输送到图像数据处理模块，并在显示器上显示，从而实现实时监测防爆箱体内部电池情况；

所述进气口6和出气口7分别设置在防爆箱体3顶层的两侧。

所述加热装置为电加热装置。

本发明第二技术方案提供了一种电动自行车用锂离子电池的安全检测方法，该方法使用上述装置；具体包括如下操作：

（一）析锂检测

将电池放置在底座上，在电池两侧轨道上安装夹板，调整两块夹板位置使夹板夹紧电池；

将电池的充、放电线路分别连接充电插座9和放电插座10；开启超声波探头4，调整所述超声波探头方向可调，其对准电池的电池内部电极；

在不同温度下，采用不同充放电倍率对锂离子电池进行充放电处理，包括：

A)0℃下进行0.3C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

B)10℃下进行0.7C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

C)20℃下进行1.2C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

D)30℃下进行1.8C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

根据超声波信号的变化来分析和探索电池内部不同层级结构变化，包括厚度、形体发生变化、产生为裂纹和缺陷；

析锂检测结束后，关闭超声波探头，拔下电池的充放电线路；

（二）变形检测

继续升高温度，利用夹板11设置的变形检测片18检测电池的变形情况，所述夹板11还设置第一温度传感器23，第一温度传感器23通过线路与控制系统的温度数据处理模块连接，并通过显示器显示温度，变形检测片靠近电池一侧上设有多个检测触点22和第一温度传感器23，另一侧设有正极引出线19、负极引出线20和第一温度传感器线路21，所述检测触点22通过正、负极引出线19、20连接控制系统的变形数据处理模块，并通过显示器显示变形情况；形成电池变形-温度曲线，以检测锂离子电池的安全使用温度；

（三）燃烧检测

变形检测结束后，从底座2上取出夹板11，利用加热装置15继续对锂离子电池进行加热，开启所述防爆箱体3顶层的中部还设置摄像机5，进气口6和出气口7，并在进气口通入空气；随着锂离子电池温度的不断上升，摄像机5将锂离子电池的图像数据输送到图像数据处理模块，并在显示器上显示，从而实现实时监测防爆箱体内部电池情况，设置在防爆箱体侧壁的第二温度传感器8将箱体内的实时温度传送到图像数据处理模块，结合显示器显示的图像检测确定锂离子电池的燃点，进而确定电池的防燃安全温度；

（四）检索报告

将上述数据输出，得到锂离子电池的检测报告。

上述步骤（一）中，所述步骤A)、B)、C)、D)没有顺序限定。

所述步骤（三）中，空气通过吹风机通入箱体内部。

本发明具有以下优点：

1、同时检测锂离子电池的多项安全指标，提高了检测效率，节约了检测经费；

2、检测装置结构简单、安全性能高；

3、采用超声波检测电池内部结构，可以在不破坏电池的情况下，准确判断电池内层结构的变化；

4、采用自制的夹板，提高了变形检测的准确性，同时创造性的设置滑轨，有效提高夹板的重复利用度，降低检测成本。

附图说明

图1是本发明电动自行车用锂离子电池的安全检测装置的示意图；

其中，被测电池1，底座2，防爆箱体3，超声波探头4，摄像机5，进气孔6，出气孔7，第二温度传感器8，充电插座9，放电插座10，夹板11，箱体门12，滑轨13，把手14，加热装置15，充电装置16，放电装置17，变形检测片18，正极引出线19，负极引出线20，第一温度传感器线路21，变形检测触点22，第一温度传感器23，移动终端24。

图2是本发明夹板示意图；

图3是本发明超声波探头处理流程示意图；

图4是本发明温度、变形、图像数据处理流程示意图。

具体实施方式

本发明第二技术方案提供了一种电动自行车用锂离子电池的安全检测方法，该方法使用上述装置；具体包括如下操作：

（一）析锂检测

将电池放置在底座上，在电池两侧轨道上安装夹板，调整两块夹板位置使夹板夹紧电池；

将电池的充、放电线路分别连接充电插座9和放电插座10；开启超声波探头4，调整所述超声波探头方向可调，其对准电池的电池内部电极；

在不同温度下，采用不同充放电倍率对锂离子电池进行充放电处理，包括：

A)0℃下进行0.3C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

B)10℃下进行0.7C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

C)20℃下进行1.2C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

D)30℃下进行1.8C充电，0.5C放电，循环3～20次，对电池进行析锂检测；

所述步骤A)、B)、C)、D)没有顺序限定；

根据超声波信号的变化来分析和探索电池内部不同层级结构变化，包括厚度、形体发生变化、产生为裂纹和缺陷；

析锂检测结束后，关闭超声波探头，拔下电池的充放电线路；

（二）变形检测

继续升高温度，利用夹板11设置的变形检测片22检测电池的变形情况，所述夹板11还设置第一温度传感器23，第一温度传感器23通过线路与控制系统的温度数据处理模块连接，并通过显示器显示温度，变形检测片靠近电池一侧上设有多个检测触点22和第一温度传感器23，另一侧设有正极引出线19、负极引出线20和第一温度传感器线路21，所述检测触点22通过正、负极引出线19、20连接控制系统的变形数据处理模块，并通过显示器显示变形情况；形成电池变形-温度曲线，以检测锂离子电池的安全使用温度；

（三）燃烧检测

变形检测结束后，从底座2上取出夹板11，利用加热装置15继续对锂离子电池进行加热，开启所述防爆箱体3顶层的中部还设置摄像机5，进气口6和出气口7，并在进气口通入空气；随着锂离子电池温度的不断上升，摄像机5将锂离子电池的图像数据输送到图像数据处理模块，并在显示器上显示，从而实现实时监测防爆箱体内部电池情况，设置在防爆箱体侧壁的第二温度传感器8将箱体内的实时温度传送到图像数据处理模块，结合显示器显示的图像检测确定锂离子电池的燃点，进而确定电池的防燃安全温度；

（四）检测报告

将上述数据输出，得到锂离子电池的检测报告。

实施例1

检测对象为某品牌电动自行车锂离子电池，按照步骤（一）检测析锂情况，在不同温度下，采用不同充放电倍率对锂离子电池进行充放电处理，包括：

A)0℃下进行0.3C充电，0.5C放电，循环10次，对电池进行析锂检测；

B)10℃下进行0.7C充电，0.5C放电，循环10次，对电池进行析锂检测；

C)20℃下进行1.2C充电，0.5C放电，循环10次，对电池进行析锂检测；

D)30℃下进行1.8C充电，0.5C放电，循环10次，对电池进行析锂检测；

根据检测结果可以预测，该电池安全充放电次数约为2100次；

按照步骤（二）进行变形检测，将检测数据形成电池变形-温度曲线，根据曲线结果可以确定，所述电池的安全使用温度54℃；

按照步骤（三）进行燃烧检测，经检测，该电池的燃点为135℃。

形成检测报告。