[发明专利]锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量测试系统及方法

权利要求书

1.一种锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量测试系统，其特征在于：包括低温单元、电池充放电检测单元、针刺接口单元，所述低温单元固定在电池针刺试验机腔体底部中心位置，温度类型有-10℃、-20℃、-30℃、-40℃四种可选，实现电池单体可调控动态温度场的构建，低温单元内实时温度数据传输至上位机；所述电池充放电检测单元对锂离子电池单体充电、放电、荷电状态预估以及电池单体温度的检测，充放电电流有500mA、700mA、1000mA、1200mA四种类型可选，电池温度检测点有正极、电池单体中心和负极三点可选，实时预估电池荷电状态，并将电池单体电压、电流和温度数据传输至上位机；所述针刺接口单元嵌入低温单元内部，与电池针刺试验机的刺针配合，完成电池针刺实验；

所述低温单元包括制冷腔、制冷模块、腔内温度检测模块；所述制冷腔为抽拉式六面体，六面体内侧贴附航空级隔热膜，底面固定在电池针刺试验机腔体底部中心位置，顶面嵌入四层半导体制冷片，顶面中心的孔作为针刺引导通路；所述制冷模块由半导体制冷器件、冷却模块和供电电源组成，半导体制冷器件为制冷片，共四个，并联后与供电电源连接，冷却模块由散热器、铜管、泵箱组成，散热器置于半导体制冷片热端，固定在制冷腔的顶面外侧，铜管涂密封液与散热器连接，串联起四个散热器，总入口与总出口分别与泵箱出口和入口相连，泵箱内放入-20℃低温防冻液；所述腔内温度检测模块包含一个温度传感器，温度传感器嵌入制冷腔内部，采集制冷腔内温度，温度传感器输出端与温度变送器相连，温度变送器通过数据采集卡与上位机连接，传送实时检测的温度值；

所述的电池充放电检测单元包括充放电模块、电池温度采样模块和数据采集卡；所述充放电检测模块具有0、1、2、3四路通道，对电池进行充电、放电、预估荷电状态和电池温度的检测，其中第0路通道正负极分别与制冷腔内电池充放电夹具正负极并联，该通道的电池电压、电流采样信号分别与数据采集卡模拟通道AI0、模拟通道AI1相连，充放电检测模块的第1、2、3路通道电池电压、电流采样信号分别与数据采集卡模拟通道AI2、模拟通道AI3、模拟通道AI4、模拟通道AI5、模拟通道AI6、模拟通道AI7相连；所述电池温度采样模块包含三个温度传感器，分别采集电池采样点1、2、3三个点的温度，即电池正极、电池单体表面、电池负极三点温度，电池采样点1的正接线端与温度变送器1的4引脚相连，电池采样点1的两条负接线端分别与温度变送器的5、6引脚相连，温度变送器的9、10引脚间串联一个250Ω电阻，再分别与数据采集卡模拟通道AI9、AGND相连；电池采样点2、3与电池采样点1的连接方式相同。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量测试系统，其特征在于：所述的针刺接口单元包括电池单体固定支架和单轴单向针刺加载通道，电池单体固定支架固定于制冷腔底面中心处，其上面通过螺母固定卧式电池单体充放电夹具；所述单轴单向针刺加载通道设置在低温腔顶面中心位置，孔径Ф5.5mm，电池针刺试验机的刺针由上至下对电池单体施加垂直于轴线的针刺载荷。

3.一种锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量测试方法，其特征在于：通过在电池针刺试验机腔体内加装由半导体制冷片与低温防冻液组合制冷的低温、充放电系统，可使电池测试环境降至-40℃，即达到电动汽车车用动力蓄电池安全工作极限温度；根据测试需求设置不同环境温度、充放电电流，形成复合场测试条件的多模态调控，激发电池及其内部组件低温失效特性；利用纳米压痕技术对电池隔膜施加多周期、循环递增载荷，在隔膜表面形成不超过其8%厚度的压入深度，通过压入响应和微区弹性行为，获取隔膜表面弹性模量，评估隔膜在电池低温失效后微区域、微尺度上的力学性能；包括以下步骤：

一、低温预处理，将锂离子电池单体装入制冷腔内电池充放电夹具中，关闭制冷腔和电池针刺试验机腔体；开启温度变送器和上位机；再开启泵箱，循环防冻液；再开启HCP20-60电源，设定电压值，半导体制冷片开始制冷，低温单元工作，待制冷腔内温度达到设定温度后再静止 30分钟，结束低温预处理；

二、锂离子电池单体预处理，选择通道0电池放电模式，设置放电电流，对电池进行放电，待放电电流为0后，静止0.5小时，再选择充电模式，设置充电电流，待系统显示FULL后，充电结束，静止0.5小时，再重复放电、充电过程，直至放电后电池容量衰减到出厂容量的60%停止充电，再次选择放电模式，待放电电压小于0.5v，结束锂离子电池单体预处理，锂离子电池具备低温失效特性；

三、隔膜预处理，打开电池针刺试验机腔体内制冷腔，取出电池，拆解出隔膜，展平放置常温干燥，48小时后，剪裁出15×15mm正方形试样，涂层面朝上，高分子聚合物面朝下，粘贴在载玻片上，隔膜预处理结束；

四、选择纳米压痕载荷加载方式，设置载荷为5周期、循环递增加载-卸载模式，第一周峰值0.62mN，加载速度0.06 Mn/s，卸载到峰值90%后进入第二周；第二周峰值1.25mN，加载速度0.12 Mn/s，卸载到峰值90%后进入第三周；第三周峰值2.47mN，加载速度0.24 Mn/s，卸载到峰值90%后进入第四周；第四周峰值4.95mN，加载速度0.48Mn/s，卸载到峰值90%后进入第五周；第五周峰值10.00mN，加载速度0.96 Mn/s，卸载到峰值90%后停止加载；

五、隔膜弹性模量性能测试，在试样中心区域设置点阵式纳米压痕测试点，相邻压痕测试点间距为0.5mm；测得压痕区域载荷-深度响应曲线，获取隔膜多孔复合材料表面弹性模量，即实现锂离子电池低温失效后的隔膜弹性模量的测试。