实际工况下电池隔膜力-热-电耦合原位测试系统

1.本发明涉及精密仪器领域，电池材料的原位测试领域，尤指一种模拟实际工况并集成多光谱-声谱监测的电池隔膜静-动态耦合加载的原位测试系统。该系统通过光学显微镜、红外热成像仪和声发射无损检测元件集成使用，利用三级帕尔贴片创造低温环境，通过电解质溶液和正、负极材料模拟电化学环境，可对实际工况下隔膜双轴静-动态耦合加载的失效过程进行多光谱-声谱原位监测，为了解、揭示隔膜的失效机理和提升电池服役可靠性、稳定性提供测试仪器。


背景技术：

2.21世纪以来，经济飞速发展的背后能源紧缺和环境污染的问题给传统汽车产业带来极大冲击，其对不可再生能源的高度依赖与对环境的破坏限制了未来长期应用。作为重点发展领域之一，新能源汽车革新了其动力源，采用电池作为汽车驱动的新动力，这对电池技术提出了更高要求。其中，具有能量密度高、循环寿命长、充电效率高等显著优点的锂离子电池是目前电动汽车中的主流电池。而着火爆炸事故频发又限制了其大规模应用和迅速普及，尽管经过长期的实验与探索，车载动力电池系统的设计较为完备，大多安装在坚固的壳体中用作保护，且通过了大量的工业测试，然而难以预料的交通碰撞事故和复杂的服役工作环境使得锂离子电池出现由于滥用而失效的情况。挤压、碰撞、针刺等机械滥用，在低温环境下的热滥用以及过充、过放的电滥用都会导致电池内部出现短路，发生复杂的化学反应，放出大量的热和气体，引发热失控，进而引发起火甚至爆炸的危险后果。低温环境下锂离子电池中锂的加速脱嵌沉积会诱发枝晶生长发展，刺穿隔膜导致短路。隔膜作为锂离子电池中的一个重要组成部分，其在寒冷环境、静-动态载荷等多物理场耦合作用下的失效机理对于锂离子电池的安全性与稳定性具有重大影响。为了探究隔膜的性能，较为常见的是利用电子显微镜、xrd等仪器进行静态的监测与分析，然而这种非原位测试只能获取隔膜在测试前后的显微结构与性能，并不能对隔膜失效全部过程的微观结构变化进行动态观测。因此，设计一种能模拟实际工况并集成“光学-红外-声发射”多光谱-声谱原位监测仪器的隔膜静-动态耦合加载装置，对于获取隔膜性能与显微结构演化行为之间的实时相关性，开展电池隔膜的失效机理研究具有重要意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于设计一种实际工况下电池隔膜力-热-电耦合原位测试系统，以解决上述现有技术存在的问题，针对于锂离子电池隔膜在实际工况下的双轴静-动态耦合加载过程进行“光学-红外-声发射”多光谱-声谱原位监测，可对隔膜的微观结构变化、全域温度梯度和局部损伤失效进行观察。
4.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
5.一种实际工况下电池隔膜力-热-电耦合原位测试系统，包括温控箱1、环境模块2、力学加载模块3和多光谱-声谱监测模块4，所述温控箱1内设置有环境模块2、力学加载模块
3和多光谱-声谱监测模块4，十字形隔膜试样3.2安装在所述力学加载模块3内进行双轴静-动态耦合加载，所述环境模块2模拟隔膜实际工况的电化学环境和低温环境，所述多光谱-声谱监测模块包括光学成像模块 4、红外热成像模块5和声发射模块6，通过横杆1.3集成于所述温控箱1内。
6.所述温控箱1包括温度传感器1.1、导轨1.2、横杆1.3、显示器1.4和温控箱体1.5，显示器1.4布置在温控箱体1.5外侧面，导轨1.2对称布置在温控箱体 1.5内部两侧面，横杆1.3通过两端卡槽与导轨1.2滑动连接实现高度调节，所述多光谱-声谱监测模块通过横杆1.3集成安装在温控箱1内环境模块2正上方。
7.所述环境模块2包括电解质环境箱2.1和低温环境箱2.2，所述电解质环境箱2.1包括电解质箱体2.1.1和端盖2.1.2，箱体顶部设有石英窗口，用于所述多光谱-声谱监测模块中各表征仪器的聚焦；端盖2.1.2底面用于模拟电池正极，从上至下依次为导电板和正极材料层，电解质箱体2.1.1底部用于模拟电池负极，从下至上依次为导电板和负极材料层，箱体内部充满电解质溶液，用于实现隔膜实际工况的电化学环境模拟。所述低温环境箱2.2包括低温箱体2.2.1、三级帕尔贴片2.2.2和散热片2.2.3，散热片2.2.3与三级帕尔贴片2.2.2通过强力胶粘结，阵列布置于低温箱体2.2.1四周及底面。
8.所述力学加载模块3包括力传感器3.1、十字形隔膜试样3.2、动态加载单元3.3、十字形试样夹持单元3.4、静态加载单元3.5、支撑垫块3.6、夹具垫块 3.7和基座3.8。所述十字形试样夹持单元3.4的上夹具体和下夹具体与隔膜接触表面设置有滚花结构以增大摩擦力保证稳定夹持，通过紧固螺钉夹紧上、下夹具体并固定在夹具垫块3.7上；所述动态加载单元3.3由四个正交布置的磁致伸缩驱动器组成，柔性铰链3.3.2通过对称设置的内螺纹孔结构分别与夹具垫块 3.7/力传感器3.1、支撑垫块3.6紧固连接，由磁性线圈驱动的磁致伸缩棒3.3.1 内嵌于柔性铰链3.3.2中；所述静态加载单元3.5由两组正交布置的左右旋滚珠丝杠螺母副组成，包括左右旋滚珠丝杠3.5.1、滚珠螺母3.5.4、固定座3.5.2、电机3.5.3和支撑座3.5.5，固定座3.5.2和支撑座3.5.5通过螺纹连接方式与所述基座3.8刚性连接，电机3.5.3安装于固定座3.5.2端驱动左右旋滚珠丝杠螺母副，滚珠螺母3.5.4通过螺母座与支撑垫块3.6过渡刚性连接。
9.所述光学成像模块4包括第一支架4.1、光学显微镜4.2和工业相机4.3，光学显微镜4.2尾端与工业相机4.3螺纹连接，通过第一夹持机构4.1.5夹紧固定，通过第一位移块4.1.1与横杆1.3滑动连接，第一转向机构4.1.3调节角度变化。
10.所述红外热成像模块5包括第二支架5.1、固定框5.2和红外热成像仪5.3，红外热成像仪5.3通过螺纹连接内嵌于固定框5.2内，通过第二位移块5.1.1与横杆1.3滑动连接，第二转向机构5.1.3调节角度变化。
11.所述声发射模块6包括第三支架6.1、精密位移台6.2和声发射传感器6.3。声发射传感器6.3通过强力胶粘结在精密位移台6.2台面，精密位移台6.2通过螺纹连接方式与第三支架6.1刚性连接，通过第三位移块6.1.2与横杆1.3滑动连接。
12.所述多光谱-声谱监测模块基于光学显微成像技术、红外热成像技术、声发射无损检测技术进行“光学-红外-声发射”多光谱-声谱原位监测，用于观察十字形隔膜试样3.2在静-动态耦合加载作用下的失效微区显微结构、全域温度梯度和局部损伤失效，可以覆盖加载过程中的视觉盲区，实现全方位监测。
13.所述力学加载模块3实现对十字形隔膜试样3.2的静-动态耦合加载，所述静态加载单元3.5中左右旋滚珠丝杠螺母副在电机3.5.3的驱动下，将左/右旋向的转动转化为滚珠螺母3.5.4同步相反的大行程轴向运动，通过滚珠螺母3.5.4 带动与支撑垫块3.6刚性连接的柔性铰链3.3.2产生双向无限拉伸的静态载荷，适用于对超塑性隔膜材料进行加载；所述动态加载单元3.3中的柔性铰链3.3.2 采用菱形结构，将磁致伸缩棒3.3.1的长度变化量转化为其正交方向的位移量，磁致伸缩棒3.3.1始终处于承受压缩应力的状态，在激励磁场的作用下产生周期性变形，实现疲劳加载；所述静态加载单元3.5通过左右旋滚珠丝杠螺母副实现同步反向直线运动，所述动态加载单元3.3通过磁致伸缩驱动器两两对称的正交布置实现疲劳加载的同步性，有利于十字形隔膜试样3.2的中央区域始终处于成像视野的中心。
14.所述十字形隔膜试样3.2在中央区域设置一道缺口，提供非均匀的应力场，作为加载过程中裂纹萌生或断裂发生的区域，便于在原位测试开始前确定所述多光谱-声谱监测模块的观测区域。
15.所述环境模块2中低温箱体2.2.1四周周向布局和底面阵列布局的三级帕尔贴片2.2.2创造均匀低温环境实现全局制冷，所述电解质箱体2.1.1采用高导热材料实现迅速降温，内部充满电解质溶液，与正/负极材料层共同模拟隔膜实际工况的电化学环境。所述温控箱体1.5的密闭性结构保持低温条件的稳定性，创造恒低温环境。
16.本发明的有益效果在于：通过环境模块构造出隔膜实际服役工况的低温环境和电化学环境，利用柔性铰链与滚珠丝杠传动副相结合的方式，可开展隔膜的动态疲劳测试和无限拉伸静态加载，通过光学显微镜、红外热成像仪和声发射传感器的集成，实现了“光学-红外-声发射”多光谱-声谱原位监测，可覆盖视觉盲区实现全方位观察，为了解、揭示隔膜的失效机理和提升电池的服役可靠性、稳定性提供测试仪器。
附图说明
17.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
18.图1为本发明的整体外观轴测图；
19.图2为本发明的整体外观主视图；
20.图3为本发明的温控箱轴测图；
21.图4位本发明的环境模块俯视图；
22.图5为本发明的力学加载模块轴测图；
23.图6为本发明的十字形隔膜试样俯视图；
24.图7为本发明的十字形试样夹持单元示意图；
25.图8为本发明的磁致伸缩驱动器示意图；
26.图9为本发明的基座示意图；
27.图10为本发明的光学成像模块示意图；
28.图11为本发明的红外热成像模块示意图；
29.图12为本发明的声发射模块示意图。
30.图中：1、温控箱；1.1、温度传感器；1.2、导轨；1.3、横杆；1.4、显示器； 1.5、温控箱
体；2、环境模块；2.1、电解质环境箱；2.1.1、电解质箱体；2.1.2、端盖；2.2、低温环境箱；2.2.1、低温箱体；2.2.2、三级帕尔贴片；2.2.3、散热片；3、力学加载模块；3.1、力传感器；3.2、十字形隔膜试样；3.3、动态加载单元；3.3.1、磁致伸缩棒；3.3.2、柔性铰链；3.4、十字形试样夹持单元；3.5、静态加载单元；3.5.1、左右旋滚珠丝杠；3.5.2、固定座；3.5.3、电机；3.5.4、滚珠螺母；3.5.5、支撑座；3.6、支撑垫块；3.7、夹具垫块；3.8、基座；4、光学成像模块；4.1、第一支架；4.1.1、第一位移块；4.1.2、第一手轮ⅰ；4.1.3、第一转向机构；4.1.4、第一手轮ⅱ；4.1.5、第一夹持机构；4.2、光学显微镜； 4.3、工业相机；5、红外热成像模块；5.1、第二支架；5.1.1、第二位移块；5.1.2、第二手轮ⅰ；5.1.3、第二转向机构；5.1.4、第二手轮ⅱ；5.2、固定框；5.3、红外热成像仪；6、声发射模块；6.1、第三支架；6.1.1、第三手轮；6.1.2、第三位移块；6.2、精密位移台；6.3、声发射传感器。
具体实施方式
31.下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
32.参照图1至图12所示：本发明提供了一种实际工况下电池隔膜力-热-电耦合原位测试系统，系统的整体尺寸为1320mm
×
1340mm
×
940mm，包括温控箱、环境模块、力学加载模块和多光谱-声谱监测模块。温控箱内设置有环境模块、力学加载模块和多光谱-声谱监测模块，十字形隔膜试样安装在力学加载模块内进行双轴静-动态耦合加载，环境模块模拟隔膜实际工况的电化学环境和低温环境，多光谱-声谱监测模块包括光学成像模块、红外热成像模块和声发射模块。
33.本实施例中，温控箱包括温度传感器、导轨、横杆、显示器和温控箱体，温控箱体利用其密闭性结构维持恒低温状态，其内侧设有温度传感器，用于实时监测低温条件变化，显示器布置在温控箱体外侧面，将光学显微镜、红外热成像仪和声发射传感器的监测结果通过上位机软件集成于显示器上；导轨对称布置在温控箱体内部两侧面，横杆通过两端卡槽与导轨滑动连接实现高度调节；多光谱-声谱监测模块通过横杆集成安装在温控箱内环境模块正上方。
34.本实施例中，环境模块包括电解质环境箱和低温环境箱，电解质环境箱包括电解质箱体和端盖，箱体顶部设有石英窗口，用于多光谱-声谱监测模块中各表征仪器的聚焦；端盖底面用于模拟电池正极，从上至下依次为导电板和正极材料层，电解质箱体底部用于模拟电池负极，从下至上依次为导电板和负极材料层，箱体内部充满电解质溶液，用于实现隔膜实际工况的电化学环境模拟。低温环境箱包括低温箱体、三级帕尔贴片和散热片，散热片与三级帕尔贴片通过强力胶粘结，在低温箱体四周周向布局和底面阵列布局创造低温环境实现全局制冷，电解质箱体采用高导热材料加快导热实现迅速降温。
35.本实施例中，力学加载模块包括力传感器、十字形隔膜试样、动态加载单元、十字形试样夹持单元、静态加载单元、支撑垫块、夹具垫块和基座。十字形隔膜试样在中央区域设置一道缺口，提供非均匀的应力场，作为加载过程中裂纹萌生或断裂发生的区域，便于在原位测试开始前确定多光谱-声谱监测模块的观测区域。十字形试样夹持单元的上夹具体和下夹具体与隔膜接触表面设置有滚花结构以增大摩擦力保证稳定夹持，通过紧固螺钉夹紧上、下夹具体并固定在夹具垫块上。动态加载单元由四个正交布置的磁致伸缩驱动器组成，柔性铰链通过对称设置的内螺纹孔结构分别与夹具垫块/力传感器、支撑垫块紧固连
接，由磁性线圈驱动的磁致伸缩棒内嵌于柔性铰链中，利用菱形结构的特点将磁致伸缩棒的长度变化量转化为其正交方向的位移量，磁致伸缩棒始终处于承受压缩应力的状态，在激励磁场的作用下产生周期性变形，实现疲劳加载。静态加载单元由两组正交布置的左右旋滚珠丝杠螺母副组成，包括左右旋滚珠丝杠、滚珠螺母、固定座、电机和支撑座，固定座和支撑座通过螺纹连接方式与基座刚性连接，用于限制丝杠的轴向运动，电机安装于固定座端驱动左右旋滚珠丝杠螺母副，将左/右旋向的转动转化为一对滚珠螺母相反的大行程轴向运动，滚珠螺母通过螺母座与支撑垫块过渡刚性连接，带动与支撑垫块紧固连接的柔性铰链产生无限拉伸的静态载荷，适用于对超塑性隔膜材料进行加载。动态加载单元通过磁致伸缩驱动器器两两对称的正交布置实现疲劳加载的同步性，静态加载单元通过左右旋滚珠丝杠螺母副实现同步反向直线运动，有利于十字形隔膜试样的中央区域始终处于成像视野的中心，通过两种加载单元的结合实现对十字形隔膜试样的静-动态耦合加载，可开展疲劳测试、大行程拉伸试验及其耦合的测试方式。
36.本实施例中，光学成像模块包括第一支架、光学显微镜和工业相机，第一支架由第一位移块、第一手轮ⅰ、第一转向机构、第一手轮ⅱ和第一夹持机构组成。光学显微镜尾端与工业相机螺纹连接，采用高景深连续变倍光学显微镜镜头，通过第一夹持机构径向的紧固螺钉夹紧固定，通过第一手轮ⅱ调节第一转向机构进行角度变化和位置锁定，第一位移块与横杆滑动连接并通过第一手轮ⅰ锁定。多自由度的运动以及光学显微镜自身的变焦能力可以实现对十字形隔膜试样中央区域的准确聚焦及精准成像，进行隔膜失效微区显微结构的实时观测。
37.本实施例中，红外热成像模块包括第二支架、固定框和红外热成像仪，第二支架由第二位移块、第二手轮ⅰ、第二转向机构和第二手轮ⅱ组成。红外热成像仪通过螺纹连接内嵌于固定框内，第二手轮ⅱ实现其与第二转向机构的角度调节和位置锁定，第二位移块与横杆滑动连接并通过第二手轮ⅰ锁定。多自由度的运动可以实现红外热成像仪测试区域的全域温度梯度监测以及畸点温度的准确识别。
38.本实施例中，声发射模块包括第三支架、精密位移台和声发射传感器，第三支架由第三手轮和第三位移块组成。声发射传感器通过强力胶粘结在精密位移台台面实现高度方向的高精度微调，精密位移台通过螺纹连接方式与第三位移块刚性连接，第三位移块与横杆滑动连接并通过第三手轮锁定。本实例中，声发射传感器采用光纤传感器，实现非接触式测量，实时监测隔膜材料内部的缺陷与损伤，并经过分析处理后将隔膜内部缺陷损伤图像与显微结构、全域温度集成于显示器上。
39.本实施例中，多光谱-声谱监测模块基于光学显微成像技术、红外热成像技术、声发射无损检测技术进行“光学-红外-声发射”多光谱-声谱原位监测，可以覆盖加载过程中的视觉盲区，实现电池隔膜在实际工况下受到静-动态加载作用时“微区显微结构-全域温度梯度-局部损伤失效”的“同步-同位”实时原位监测。
40.本实施例的实际工况下电池隔膜力-热-电耦合原位测试系统可以创造低温、电化学环境，并可对十字形隔膜试样施加双轴静-动态耦合加载，通过光学成像模块、红外热成像模块和声发射模块集成进行实际工况下的“光学-红外-声发射”多光谱-声谱原位监测，可实现隔膜的微区显微结构、全域温度梯度和局部失效缺陷的实时观测。本实施例为揭示力-热-电多物理场耦合下隔膜的失效机制及其微观结构演化行为提供仪器支撑。
41.以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。