一种软包电池硬度测试装置及其方法与流程

本发明涉及电池测量技术领域，尤其是涉及一种软包电池硬度测试装置及其方法。

背景技术：

锂离子电池作为移动电话、便携式计算机、个人数据助理、手持终端机、动力等的电源，近年来得到迅速发展的同时对电池的能量密度也提出了更高的要求。而软包锂离子电池除具有金属外壳电池的优点和优势之外，在体积容量密度、重量能量密度有超过10%～20%的提升，而且具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点。但软包锂离子电池常因原材料材料、注液量和生产工艺等原因，电池表面软、易变形，对于长宽尺寸很大，厚度偏薄的锂离子电池，电池越软，对后续成组装配不利。特别是随着移动电子产品越来越轻薄化，要求的锂离子电池的厚度也越来越薄，对锂离子电池的外观平整度和硬度要求也越来越高。

传统的硬度检验方法有布氏硬度法、洛氏硬度法、表面洛氏硬度法、维氏硬度，显微维氏硬度法和小负荷维氏硬度法，传统的检验方法中压头为钢球、金刚石圆锥体、金刚石四方角椎体。传统硬度检验方法适用于金属材料硬度检测，不适软包锂离子电池。

申请公布日为2013年10月23日的中国发明专利公开了一种“硬度测试器”，其公告号CN 103364291A，测试器包括水平移位器、图像拍摄器、切换器、存贮器及台位移控制器等，测试器压头对被置于样品台上的样品施加预定的测试力，在所述的样品表面形成压痕，测量压痕的尺寸、表征所述样品的硬度。

申请公布日为2014年7月30日的中国发明专利公开了一种“硬度计”，其公告号CN 103954515 A，包括支撑管、硬度感应器、滑动设置在支撑管内的磁性测试体、设置在支撑管内的传动装置，传动装置驱动磁性测试体冲击工件表面，回弹线圈产生电流，根据冲击速度和回弹电流进一步计算工件硬度值。

申请公布日为2018年8月27日的中国实用新型专利公开了一种“一种软包装锂离子电池的硬度测试装置”，其公告号CN 209303228 U，包括底座、检验装置和测压装置，其特征是，底座用于支撑固定待测电池，所述检验装置包括激光发射装置和激光接收装置，所述激光发射装置和激光接收装置位于底板两侧测压装置用于对待测电池提供稳定的压力，激光检验装置发射激光穿过待测电池下方，待测电池弯曲至激光处即为硬度不符合要求。

申请公布日为2018年10月24日的中国发明专利公开了一种“一种软包装锂离子电池的硬度测试装置”，其公告号CN209311234U，包括底板、固定装置、压块限位装置、压块和厚度测试仪，通过压块来对电池提供稳定压力，通过厚度测试仪来判断电池硬度是否符合要求。

传统的硬度检验方法不适用于软包锂电池，而针对软包锂电池的相关专利、文献却无法实现软包锂电池的定量式硬度检验。

技术实现要素：

针对现有技术中无法对软包锂电池进行定量硬度检测的问题，本发明提供了一种软包电池硬度测试装置及其方法，利用压合测试机构对待测试电池进行压合测试，通过预设压力的压合头对软包电池表面进行局部挤压，并分析电池表面塑性形变的状态对软包电池的硬度进行定量式表征。

本发明的第二个发明目的是利用软包电池硬度测试装置测试软包电池的均匀度，由于软包电池为多层包裹式结构，包括正极片、隔膜层、负极片和铝塑膜等不同材质层，这些片层在生产和叠加过程中会出现均匀度不良的问题，及软包电池密度不均匀的现象，均匀度会影响电池散热性能、充放电性能等参数，决定电池品质，但未见对软包电池均匀度进行诊断的相关专利，本发明可解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的软包电池硬度测试装置，包括底座，所述底座上设置有机架，所述机架上设置有移动平台和压合测试机构，所述压合测试机构包括有控制单元，所述压合测试机构包括有对应底座设置的压合头，所述压合头上设置有力传感器，所述力传感器的信号输出端连接于控制单元的信号输入端。所述软包电池硬度测试装置的控制单元采集力传感器的信号并通过驱动电机对压合头的压力进行控制，确保硬度测试过程中的压力值得到变量控制，依靠额定压力值对待测试软包电池进行局部硬度测试，通过分析电池表面的形变程度，实现对软包电池的定量式硬度检测。

作为优选，所述机架顶端设置有机台，所述机台上贯穿设置有测试杆，所述压合头设置于测试杆底端，所述机台上设置有驱动电机，所述驱动电机与测试杆顶端之间设置有传动件，本发明中传动件采用联轴器。

进一步的，所述测试杆螺纹连接于机台，所述移动平台活动套接于机架，所述移动平台连接测试杆，所述测试杆与移动平台间设置有支承件。

进一步的，所述机架包括若干设置于机台和底座之间的导杆，所述移动平台滑动套接于导杆。

所述机架与机台通过导杆支撑连接，所述测试杆设置于机架中轴线位置，且与机台螺纹连接，所述底座对应测试杆设置。所述移动平台四角套接于导杆，而测试杆则与移动平台中部连接，通过支撑件保持在移动平台连接处的转动不受影响。驱动电机启动时，测试杆旋入机台，推动移动平台沿导杆向下运动，带动压合头靠近安置于底座顶部的待测试电池；测试完毕后控制驱动电机反转，使得测试杆旋离底座。

作为优选，所述压合测试机构还包括振动电机，所述振动电机设置于测试杆底端，所述压合头安设于振动电机上。

进一步的，所述压合测试机构还包括触控面板，所述控制单元设置于触控面板内，所述触控面板通过控制单元控制驱动电机和振动电机。

进一步的，所述底座上设置有厚度传感器，所述厚度传感器环绕设置于底座上的待检测电池。

当压合头贴合待测试电池上表面准备硬度测试时，通过触控面板控制振动电机驱动压合头进行高频振动，持续的高频振动使得软包电池以测试点为振动中心产生抖动，软包电池边缘开始进行上下振荡，此时环设于软包电池外周的厚度传感器可对软包电池进行边缘振幅测试；厚度传感器接通控制单元，能够比对并记录软包电池外缘各点的振幅差值，以此测试软包电池的均匀程度，超过额定振幅差值的产品控制单元报警提醒操作人员，进行剔除。

作为优选，所述移动平台上还设置有位移传感器，所述位移传感器的信号输出端连接于控制单元的信号输入端。所述位移传感器用于测试并记录移动平台下探的距离，由于控制单元以控制压合头的下压力，故位移传感器能够在额定压力下测得压合头的位移，并通过位移表征软包电池的硬度。

作为优选，所述底座上设置有刻度线。所述刻度线用于准确控制待测试电池的安置点。由于本发明所公开的硬度测试装置用于对软包电池进行局部硬度测试，因此，利用刻度线辅助确定软包电池的安置点，确保每一次测试时，测试点均与压合头对正；同时，在进行振动式均匀度测试时，已能够确保压合头对准软包电池中心。

本发明还公开了利用上述软包电池硬度测试装置对软包电池进行硬度测试的方法，包括以下步骤：

S1：将待测试电池放置于底座，并将待测试电池的待测试部位对准压合头；

S2：启动压合测试机构，驱动电机驱动测试杆运动，设置于测试杆端部的移动平台沿机架滑动，所述测试杆端部的压合头向底座运动，所述压合头贴合待测试电池上表面的待测试点，准备进行硬度测试，硬度测试包括整体硬度测试模式和局部点硬度测试模式；

S3：首先为S2步骤中局部点硬度测试模式，设定压合头的压力，通过触控面板启动振动电机，控制压合头对待测试电池进行点接触式振动测试，并对电池的压合形变进行定量分析；

S4：选取待测试电池上的若干测试点，进行S3步骤的硬度测试，并对待测试电池上各测试点的形变量进行定量分析，完成局部点硬度测试；

S5：S2步骤中整体硬度测试开始，压合头抵接待测试电池，控制单元依照预设值控制移动平台下移速度，并设定压合头的最大压力值，当压合头达到最大压力时，移动平台停止并保持位置额定时间，接着向上移动撤离待测试电池，根据测试点的形变量表征待测试电池整体硬度。

所述软包电池硬度测试装置分为三种测试模式：1、待测试电池的整体硬度测试；2、待测试电池的测试点局部硬度测试；3、待测试电池的整体均匀度测试；第一种模式中，所述压合头在驱动电机的驱动下抵接待测试电池的测试点，通过控制单元控制，使得压合头对软包电池进行额定压力压合，压合后软包电池测试点凹陷，通过位移传感器测试移动平台的下探距离，可得到待测试电池的整体硬度；第二种模式中，所述压合头贴合待测试电池的测试点后，振动电机启动，压合头对测试点进行高频冲击，由于压合头对软包电池的测试点进行高速振击，依靠额定振动频率表征冲击力，能够对测试点进行局部硬度测试；第三种模式中，将压合头抵接待测试电池的中心点，启动振动电机开始高频冲击，设置于底座外周的厚度传感器对软包电池周缘进行振幅记录，通过比对周缘各点的振幅差值，判断待测试电池的均匀度。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）利用压合测试机构对待测试电池进行压合测试，通过预设压力的压合头对软包电池表面进行局部挤压，并分析电池表面塑性形变的状态对软包电池的硬度进行定量式表征；（2）通过触控面板控制振动电机驱动压合头进行高频振动，软包电池边缘开始进行上下振荡，此时环设于软包电池外周的厚度传感器可对软包电池进行边缘振幅测试并记录软包电池外缘各点的振幅差值，以此测试软包电池的均匀程度；（3）利用刻度线辅助确定软包电池的安置点，确保每一次测试时，测试点均与压合头对正；同时，在进行振动式均匀度测试时，已能够确保压合头对准软包电池中心；（4）压合头贴合待测试电池的测试点后，振动电机启动，压合头对测试点进行高频冲击，由于压合头对软包电池的测试点进行高速振击，依靠额定振动频率表征冲击力，能够对测试点进行局部硬度测试；（5）采用结构紧凑的硬度测试装置可节省设备占地面积，降低成本。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图中： 1、底座，2、机架，21、机台，22、测试杆，23、驱动电机，24、导杆，25、支承件，3、移动平台，4、压合头，41、力传感器，5、振动电机，6、触控面板，7、厚度传感器，8、待测试电池。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的实施例中，本发明的软包电池硬度测试装置，包括底座1，所述底座1上设置有机架2，所述机架2上设置有移动平台3和压合测试机构，所述压合测试机构包括有控制单元，所述压合测试机构包括有对应底座1设置的压合头4，所述压合头4上设置有力传感器41，所述力传感器41的信号输出端连接于控制单元的信号输入端。所述软包电池硬度测试装置的控制单元采集力传感器41的信号并通过驱动电机23对压合头4的压力进行控制，确保硬度测试过程中的压力值得到变量控制，依靠额定压力值对待测试软包电池进行局部硬度测试，通过分析电池表面的形变程度，实现对软包电池的定量式硬度检测。本实施例中的控制单元为单片机，力传感器41为荷重元，荷重元压力量程为0~100N，精度0.3%。本实施例中压合头4为采用聚四氟乙烯制得的圆柱体。

所述机架2顶端设置有机台21，所述机台21上贯穿设置有测试杆22，所述压合头4设置于测试杆22底端，所述机台21上设置有驱动电机23，所述驱动电机23与测试杆22顶端之间设置有传动件，本实施例中传动件采用联轴器。进一步的，所述测试杆22螺纹连接于机台21，所述移动平台3活动套接于机架2，所述移动平台3连接测试杆22，所述测试杆22与移动平台3间设置有支承件25。进一步的，所述机架2包括若干设置于机台21和底座1之间的导杆24，所述移动平台3滑动套接于导杆24。

所述机架2与机台21通过导杆24支撑连接，所述测试杆22设置于机架2中轴线位置，且与机台21螺纹连接，所述底座1对应测试杆22设置。所述移动平台3四角套接于导杆24，而测试杆22则与移动平台3中部连接，通过支撑件保持在移动平台连接处的转动不受影响，本实施例中，支撑件25采用滚子轴承。驱动电机23启动时，测试杆22旋入机台21，推动移动平台3沿导杆24向下运动，带动压合头4靠近安置于底座1顶部的待测试电池8；测试完毕后控制驱动电机23反转，使得测试杆22旋离底座1。本实施例中驱动电机23为伺服电机，测试杆22为丝杠，控制单元通过控制伺服电机转速控制测压合头4的下压速度，同时通过力传感器41所反馈信号确定压合头4与被待测试电池8表面接触测试点及接触压力，采集伺服电机编码器输出信号确定伺服电机旋转圈数，并根据丝杠参数计算压合头4与待检测电池接触后的压入深度，并可记录压合头4的力-位移曲线和力-时间变化曲线。

所述压合测试机构还包括振动电机5，所述振动电机5设置于测试杆22底端，所述压合头4安设于振动电机5上。进一步的，所述压合测试机构还包括触控面板6，所述控制单元设置于触控面板6内，所述触控面板6通过控制单元控制驱动电机23和振动电机5。进一步的，所述底座1上设置有厚度传感器7，所述厚度传感器环绕设置于底座1上的待检测电池。

当压合头4贴合待测试电池8上表面准备硬度测试时，通过触控面板6控制振动电机5驱动压合头4进行高频振动，持续的高频振动使得软包电池以测试点为振动中心产生抖动，软包电池边缘开始进行上下振荡，此时环设于软包电池外周的厚度传感器7可对软包电池进行边缘振幅测试；厚度传感器7接通控制单元，能够比对并记录软包电池外缘各点的振幅差值，以此测试软包电池的均匀程度，超过额定振幅差值的产品控制单元报警提醒操作人员，进行剔除。

所述移动平台3上还设置有位移传感器，所述位移传感器的信号输出端连接于控制单元的信号输入端。所述位移传感器用于测试并记录移动平台3下探的距离，由于控制单元以控制压合头4的下压力，故位移传感器能够在额定压力下测得压合头4的位移，并通过位移表征软包电池的硬度。本实施例中位移传感器精度为0.01mm，分辨率为0.001mm。

所述底座1上设置有刻度线。所述刻度线为毫米级量程，用于准确控制待测试电池8的安置点。由于本发明所公开的硬度测试装置用于对软包电池进行局部硬度测试，因此，利用刻度线辅助确定软包电池的安置点，确保每一次测试时，测试点均与压合头4对正；同时，在进行振动式均匀度测试时，已能够确保压合头4对准软包电池中心。本实施例中底座1上表面平面度为000级，确保在硬度测试以及均匀度测试时，尽可能消除影响测试准确性的各类影响条件。

本发明还公开了利用上述软包电池硬度测试装置对软包电池进行硬度测试的方法，包括以下步骤：

S1：将待测试电池8放置于底座1，并将待测试电池8的待测试部位对准压合头4；

S2：启动压合测试机构，驱动电机23驱动测试杆22运动，设置于测试杆22端部的移动平台3沿机架2滑动，所述测试杆22端部的压合头4向底座1运动，所述压合头4贴合待测试电池8上表面的待测试点，准备进行硬度测试，硬度测试包括整体硬度测试模式和局部点硬度测试模式；

S3：首先为S2步骤中局部点硬度测试模式，设定压合头4的压力，通过触控面板6启动振动电机5，控制压合头4对待测试电池8进行点接触式振动测试，并对电池的压合形变进行定量分析；

S4：选取待测试电池8上的若干测试点，进行S3步骤的硬度测试，并对待测试电池8上各测试点的形变量进行定量分析，完成局部点硬度测试；

S5：S2步骤中整体硬度测试开始，压合头4抵接待测试电池8，控制单元依照预设值控制移动平台3下移速度，并设定压合头4的最大压力值，当压合头4达到最大压力时，移动平台3停止并保持位置额定时间，接着向上移动撤离待测试电池8，根据测试点的形变量表征待测试电池8整体硬度。

所述软包电池硬度测试装置分为三种测试模式：1、待测试电池8的整体硬度测试；2、待测试电池8的测试点局部硬度测试；3、待测试电池8的整体均匀度测试；

第一种模式中，所述压合头4在驱动电机23的驱动下抵接待测试电池8的测试点，通过控制单元控制，使得压合头4对软包电池进行额定压力压合，压合后软包电池测试点凹陷，通过位移传感器测试移动平台3的下探距离，可得到待测试电池8的整体硬度；本模式中，压合头4下压速度设置为5mm/s，压合头4最大压力设置为10N，当压力达到设定最大值时停止压入，保持压入状态时间10S后撤离软包电池，操作人员测量测试点形变量，以此确定软包电池的硬度。值得注意的是，所述底座上还设置有压力传感器，虽然压合头最大压力设置为10N，但一旦出现压力过载时，软包电池无外壳保护容易出现过压损坏的情况，因此底座上设置的压力传感器能够对待检测电池进行过载保护，避免电池出现损坏。

实施例2

第二种模式中，所述压合头4贴合待测试电池8的测试点后，振动电机5启动，压合头4对测试点进行高频冲击，由于压合头4对软包电池的测试点进行高速振击，依靠额定振动频率表征冲击力，能够对测试点进行局部硬度测试；本模式中，振动电机5采用微型振动马达，振动频率为50Hz，振动时长20S，本模式可有效测试软包电池局部点硬度，尤其是针对电池边角处的硬度测试，传动的压合测试由于电池边角处周围电池面积不均匀，导致测试结果准确性较差，且测试效果不理想，而高频振动式测试法能够避免压合式硬度测试的缺点，准确测试软包电池的局部点硬度。本实施例中，采用五点式测试法，分别对软包电池四角以及中心位置进行局部硬度测试。

实施例3

第三种模式中，将压合头4抵接待测试电池8的中心点，启动振动电机5开始高频冲击，设置于底座1外周的厚度传感器7对软包电池周缘进行振幅记录，通过比对周缘各点的振幅差值，判断待测试电池8的均匀度。本模式中，振动频率为50Hz，振动时长大于30S。本实施例中，厚度传感器7为市购激光传感器，将激光束作为接触测量时的机械探针，振动过程中设置于底座1外围的厚度传感器7能够准确记录软包电池边缘的振幅，由于软包电池为尼龙层。粘合层、铝箔层等多种物质层包裹形成，因此容易产生均匀度（密封）不均的现象，软包电池密度越高的部分边沿处收到振动中心的影响越小，振幅越低；相应的，密封越低的部分边沿振幅越高，厚度传感器将测得的信号输入控制单元，控制单元计算电池边沿各点的振幅差值，若软包电池边沿探测点最大振幅与最小振幅的振幅差值超出控制单元中预设值，控制单元输出报警信号并由触控面板6反馈于操作人员，提醒产品均匀度为不良状态。值得注意的是，所述厚度传感器7与底座1为分离式结构设置，能够有效避免厚度传感器7受到振动电机5的共振影响，进一步提升振幅差值测量的准确性。

除上述实施例外，在本发明的权利要求书及说明书所公开的范围内，本发明的技术特征可以进行重新选择及组合，从而构成新的实施例，这些都是本领域技术人员无需进行创造性劳动即可实现的，因此这些本发明没有详细描述的实施例也应视为本发明的具体实施例而在本发明的保护范围之内。