一种穿钉实验设备的制作方法

[0001]
本实用新型涉及一种穿钉实验设备，具体地，涉及一种用于对电池进行穿钉实验的设备，尤其是用于车辆的大型高压电池。


背景技术：

[0002]
根据gb《电动汽车用动力蓄电池安全要求》(electric vehicles traction battery safety requirements)，用于电动车辆的电池在电池发出警报信号之后5分钟之内不会发生着火或爆炸。为测试用于电动车辆的电池、尤其是高压电池(hvb)是否能够满足该安全要求，需要对高压电池进行穿钉实验。
[0003]
在穿钉实验中，需要获得高压电池不同部位的实验数据，因此实验开始前首先在高压电池上选取本次实验的穿钉实验点，然后使钢钉从该实验点刺穿电池组，钢钉会击穿电池内模组及电芯的隔膜，引起内短路。由此引发电池的电能转化为热能，并聚集在电池内部，短路造成短时间内能量的集中爆发和释放，导致温度在短时间内急剧上升，继而引发连锁反应，从而导致热失控，有可能产生冒烟、漏液，甚至起火爆炸。实验过程会通过事先安置在高压电池中的传感器(例如压力传感器、温度传感器等)和摄像机采集记录实验数据。试验结束之后，对电池进行灭火等安全处理，然后使钢钉反向运动离开电池。最后，利用实验过程中采集的图像和数据形成与所选取的实验点对应的实验报告。
[0004]
动力电池在实际应用场景中，存在由外界物体撞击电池包使之产生形变并导致电池发生内短路的可能，而穿钉测试能够较好较快的触发电池的内短路并模拟实际场景中的极端情况。
[0005]
为进行穿钉实验，需要固定高压电池，以便钢钉准确穿入。由于高能量的高压电池尺寸较大，例如为1.7m*1.5m，目前采用的设备是一种普通的单层桌子，桌面上设置有孔。将高压电池固定在桌面上，然后将高压电池直接放置在桌面下方的地面上，通过实验人员肉眼观察，通过移动穿钉机使钢钉从桌面下方通过孔对准选取的穿钉点，然后使钢钉穿入电池中进行实验。
[0006]
这种实验设备存在很多缺点。首先，现有设备不能灵活并精确地选择热失控触发位置(即电池上的指定的实验点)，往往需要手动对准，尤其是在针对高续航纯电动车型的高压电池的实验时按现有的方法和设备进行的实验既不准确又不安全。而且由于高压电池直接放置在桌面上，实验场地地面的平整度以及相对于桌面的平行度将影响钢钉是否能垂直穿入电池中。如果钢钉无法垂直穿入高压电池，穿入的钢钉将偏离事先选择的实验点，从而不利地影响实验结果，如果实验设备发生卡死等故障，人为对已经触发的高压电池进行调整的风险是非常高的。第二，现有的方法和设备没有针对触发热失控的钢钉的精确的速度与深度控制。第三，现有的方法和设备没有良好的高温保护措施。第四，现有的方法和设备只能用于特定的实验目标，不适用于多种电池设计种类的实验。


技术实现要素：

[0007]
本实用新型的目的在于解决以上技术问题，提供一种穿钉实验设备，其能够方便并精确地移动钉，并能够精确地对电池地指定点进行穿钉。
[0008]
本实用新型的另一目的在于提供一种穿钉实验设备，其能够控制穿钉的速度和深度。
[0009]
本实用新型的还一目的在于提供一种穿钉实验设备，其具有良好的高温保护措施。
[0010]
本实用新型的又一目的在于提供一种穿钉实验设备，其适用于对多种规格的电池进行实验。
[0011]
本实用新型提供一种穿钉实验设备，用于对电池进行穿钉实验，尤其是用于车辆的大型高压电池。所述穿钉实验设备包括：试验台，其具有由支柱支撑的互相平行的上台面和下台面以及至少一组电池固定机构，所述电池在实验时通过所述电池固定机构固定在所述上台面上；穿钉装置，其安装在所述下台面上，所述穿钉装置具有钉，和能够使所述钉垂直于所述上台面运动的动力部件，所述钉的至少一部分由导电材料制成，并与穿钉装置的其它部分绝缘；和定位装置，其包括：设置在试验台的下台面上的至少一个第一导轨；可在第一导轨上运动的第一运动件；第一制动件，用于制动第一运动件在第一导轨上的运动；设置在第一运动件上的至少一个第二导轨，其中所述第二导轨垂直于所述第一导轨；可在所述第二导轨上运动的第二运动件，所述穿钉装置固定在所述第二运动件上；第二制动件，用于制动所述第二运动件在第二导轨上的运动。
[0012]
由于本实用新型的试验台具有互相平行的双台面结构，待测试的电池和用于穿钉的穿钉装置分别设置在两个台面上，因此能够使得钉垂直穿入到电池中，而与试验台放置于其上的地面的平面度、倾斜度无关。由于设置如上所述的定位装置，因此方便并精确地移动钉，并能够精确地对电池地指定点进行穿钉。
[0013]
优选的，所述上台面包括可拆卸的台板，优选的，所述台板具有通孔形成的点阵。台板可根据使用情况进行更换，而不必更换实验设备的其它部件，因此节省实验成本。
[0014]
优选的，所述试验台具有用于不同型号的电池的多组电池固定机构或通用的电池固定机构，因此本实用新型的设备适用于对多种规格的电池进行实验。
[0015]
优选的，所述试验台具有电池安装定向指示件，便于电池在吊装时正确地定向。
[0016]
优选的，所述试验台具有可制动的脚轮，便于试验台移动和定位。
[0017]
优选的，所述试验台具有连接装置，用于与运输设备连接，以搬运和布置本实用新型的实验设备。
[0018]
优选的，所述动力部件为电动推杆。
[0019]
优选的，所述钉固定在由例如特氟龙的绝缘材料制成的柱上，该柱进而固定在动力部件上。
[0020]
优选的，所述钉的下部设置有防护板，该防护板上布置有防火材料层，例如石棉。在进行穿钉实验时，该石棉层能够有效阻塞从穿孔中喷出的火焰。该石棉层可根据使用情况更换。
[0021]
优选的，所述穿钉装置能够控制所述钉的前进速度和前进行程，以便于以受控的方式穿钉。
[0022]
优选的，所述定位装置还设置有与所述第一导轨平行的第一丝杠，所述第一运动件具有第一螺母，该第一螺母与所述第一丝杠啮合，因此所述第一丝杠的旋转引起所述第一运动件的运动，所述第一丝杠可以手动旋转或通过外部动力旋转。
[0023]
优选的，所述定位装置还设置有与所述第二导轨平行的第二丝杠，所述第二运动件具有固定在其底部的第二螺母，该第二螺母与所述第二丝杠啮合，因此所述第二丝杠的旋转引起所述第二运动件的运动，所述第二丝杠可以手动旋转或通过外部动力旋转。
[0024]
优选的，在所述第二运动件的至少一侧还可设置有可伸缩的保护罩，所述保护罩的一端固定在所述第一运动件的一端上，另一端固定在所述第二运动件的一端上，因此当第二运动件沿着所述第二导轨在第一运动件上运动时，保护罩相应地缩短或伸长。该保护罩能够防止火星等落到运动件和导轨上。
[0025]
优选的，所述定位装置还具有对准指示器，例如激光发射器，用于指示钉是否与电池上的指定点对准。
[0026]
优选的，激光发射器设置在横向离开钉一定距离处，例如固定在从所述穿钉装置横向地伸出的支撑件上，所述激光发射器相对于水平方向倾斜一定的角度，使得当所述钉与安放在所述上台面上的电池的指定点对准时，所述激光发射器发射的激光束与所述上台面的交点指示所述指定点。该对准指示器使得实验人员能够方便简单地对准穿钉装置与电池实验点。
[0027]
优选的，在穿钉开始前，整个穿钉实验设备被防火布包裹，进一步防火。
[0028]
本实用新型的穿钉装置具有以下优点：其能够方便并精确地移动钉，并能够精确地对电池的指定点进行穿钉，而且能够控制穿钉的速度和深度，具有良好的高温保护措施，并适用于对多种规格的电池进行实验。另外，本实用新型的穿钉实验设备可重复使用，仅在必要时更换易损部件，因此节省成本。
附图说明
[0029]
附图示出本实用新型的优选实施例，其中：
[0030]
图1示出了根据本实用新型的穿钉实验设备的立体图；
[0031]
图2示出了根据本实用新型的穿钉实验设备的主视图；
[0032]
图3示出了图2中的部分a的放大图；
[0033]
图4是单独的穿钉装置的立体图；
[0034]
图5示出了定位装置和安装在其上的穿钉装置；并且
[0035]
图6是与图5相同的视图，移除一部分导轨保护罩，示出y方向的丝杠。
具体实施方式
[0036]
参考图1和2，示出根据本实用新型的穿钉实验设备1，其适用于对各种电池进行穿钉实验，尤其是电动车辆中使用的大型电池，例如hvb。本实用新型的穿钉实验设备主要包括：试验台2，穿钉装置3，和定位装置4。
[0037]
本实用新型的试验台2整体具有良好的防火性能和机械强度，如图1和2所示，其包括由支柱支撑的、互相平行的上台面5和下台面6的双层桌面，所述穿钉装置3固定在下台面6上，使得钉7(见图3)垂直于下台面6。在实验进行时，将电池安置并固定在上台面5上，因此
电池的底面平行于下台面6，钉7因此能够垂直穿入电池中，而不象现有技术那样受到试验台2放置于其上的地面的影响，因此本实用新型的试验台放置于其上的地面是否平整或是否水平都不影响钉7垂直穿入电池中。
[0038]
继续参考图1和2，本实用新型的试验台2的上台面5包括台板9，其可拆卸地安装在上台面5的缺口8中，例如通过螺钉将台板9安装在缺口中。台板9具有一定的强度和耐火性，可由金属制成，例如钢。台板9具有一系列通孔10，可以如图1所示呈矩阵方式排列，所述通孔10用于与在电池上选定的某点位对齐，并用于在开始实验时由钉7穿过。在实验进行时，电池将安放在该台板9上。如上文所述，电池穿钉实验会使得电池内部短路，并可能引发电池着火甚至爆炸，因此在同一台板9用于多次实验时，台板9可能会发生变形甚至裂开，影响台板9的平面度，从而使得电池不能平行地放置在台板9上，影响实验效果。这时候只需要更换台板9，而穿钉设备的其它部分可以继续使用，因此节省实验成本。
[0039]
仍然参考图1和2，上台面5还包括电池固定机构12、13，例如设置在从上台面5伸出的突起11上。在图1示出的实施例中，包括两组固定机构12和13，分别用于固定不同型号的电池。所述固定机构12、13例如为螺钉(如图1所示，每组固定机构包括四个螺钉)，所述突起11上设置有与固定机构12、13对齐的孔，待测试的电池的外壳上也设置有带孔的突起，当电池安放在台板9上时，电池外壳的孔与突起11的孔对齐，固定机构12、13穿过对齐的孔，从而将电池固定在试验台2的上台面5上。本领域技术人员可想到其它固定机构，用于将电池固定在上台面5上，而且固定机构的数量也可以根据需要设置成多于两组，也可以想到将固定机构设置为用于多种电池规格的通用的固定机构，这些方案都包括在本实用新型的范围内。固定机构将电池固定在上台面5上，并且能够承受穿钉引起的载荷，使电池在进行穿钉实验过程中不可以被热失控所产生的形变、内应力等移动。实验结束后，可释放固定机构，电池可以被吊具等设备移走。
[0040]
图1还示出凹陷部14，用于在安放电池的时候提示电池的安放方向，以便于电池在上台面5上的正确定向。
[0041]
本实用新型的试验台2还可包括脚轮15，例如钢轮，其能够承载安放在其上的电池的重量。所述脚轮15带有制动机构，以便固定穿钉设备1的位置。
[0042]
本实用新型的试验台2还可包括连接装置，例如吊环，试验台可用吊具吊起以便移动。整个试验台2的尺寸使其能够被整体装入通用或定制的物流运输箱，以便于运输。
[0043]
参见图2、图3和4其中示出穿钉装置3，穿钉方向为z方向，图3是图2中的部分a的放大图，图4示出单独的穿钉装置3的立体图。穿钉装置的动力部件可以为气动的、电动的或液压致动的部件，其具有可相对于外管可伸缩地线性运动的内管。例如，本实用新型采用由电机17提供动力的推杆16作为穿钉装置的动力部件。支架18设置在推杆16外部，用于支撑推杆16。推杆16安装在底座20上，使得所述钉7垂直于所述底座20。
[0044]
钉7的上部由导电金属制成，例如钢，从而在穿入电池内部时在电池内部引起短路。钉7的尾部由绝缘材料制成，例如陶瓷，从而在钉引起电池内部短路时保护穿钉装置3的其它部件。钉7固定在由绝缘材料(例如特氟龙)制成的柱19上，该柱19进而固定在推杆16的可伸缩的内管上。
[0045]
如图3所示，在针7的根部在柱19上方设置有防护板21，该防护板21上可布置有防火材料层(未示出)，例如石棉，用于在钉7穿入电池内部引起短路时，堵住穿钉孔在钉7周围
的任何可能的空隙，防止火焰从电池喷出。石棉层可根据使用情况进行更换，保证其防火效果。
[0046]
根据本实用新型的穿钉装置3能够控制钉7的前进速度和前进行程，便于对穿钉过程进行精确控制。
[0047]
如图2、3和4所示，推杆16的外壳设置有从推杆横向地水平伸出的支撑件22，其上固定有激光发射器23，该激光发射器23在钉7通过定位装置4在x-y平面内运动时，指示钉7是否与电池上的选定点对准，其中电池安放在台板9上，这将在下文详细说明。
[0048]
参见图1、图5和图6，其中示出定位装置4，其中图5示出可伸缩的导轨保护罩25，图6中的导轨保护罩25被移除，示出y方向的丝杠26。
[0049]
定位装置4包括：设置在试验台2的下台面6上的至少一个x方向导轨28；可在x方向导轨28上滑动的第一滑动件30；第一制动件24，用于制动第一滑动件30在x方向导轨28上的滑动；设置在第一滑动件30上的至少一个y方向导轨29；可在所述y方向导轨29上滑动的第二滑动件32；第二制动件(未示出)，用于制动所述第二滑动件32在y方向导轨29上的滑动；和对准指示器，例如上面所述的激光发射器23。
[0050]
所述第一滑动件30具有固定在其底部的第一导轨接合部件31，所述第一部件31与所述x方向导轨28接合，并能够在所述x方向导轨28上滑动。类似的，所述第二滑动件32具有固定在其底部的第二导轨接合部件33，所述第二导轨接合部件33与所述y方向导轨29接合，并能够在所述y方向导轨29上滑动。
[0051]
优选的，所述定位装置4还设置有与所述x方向导轨28平行的第一丝杠27，和与所述y方向导轨29平行的第二丝杠26。所述第一滑动件30具有固定在其底部的第一螺母(图中未示出)，该第一螺母与所述第一丝杠27啮合，因此第一丝杠27的旋转引起第一螺母在第一丝杠27上线性运动，从而带动第一滑动件30沿x方向的线性运动。类似的，所述第二滑动件32具有固定在其底部的第二螺母(图中未示出)，该第二螺母与所述第二丝杠26啮合，因此第二丝杠26的旋转引起第二螺母在第二丝杠26上线性运动，从而带动第二滑动件32沿y方向的线性运动。
[0052]
优选的，所述第一丝杠27的一端设置有第一轮(未示出)，用于使得所述第一丝杠27旋转。所述第二丝杠26的一端设置有第二轮34，用于使得所述第二丝杠26旋转。所述第一轮和第二轮34便于实验人员手动旋转丝杠。也可以设想，比如用电动装置代替所述第一轮和第二轮34，从而电动地使得所述第一丝杠27和第二丝杠26旋转。
[0053]
所述穿钉装置3通过其底座20安装在所述第二滑动件32上，使得所述钉7垂直于所述下台面6。因此，当所述第一滑动件30沿着x方向滑动时实现所述穿钉装置3沿着x方向的运动，当所述第二滑动件32沿着y方向滑动时实现所述穿钉装置3沿着y方向的运动。优选的，通过旋转所述第一轮和第二轮34，分别实现所述穿钉装置3沿着x方向和y方向的运动。
[0054]
如图5所示，所述定位装置4在所述第二滑动件32的两侧还可设置有可伸缩的保护罩25。所述保护罩25的一端固定在所述第一滑动件30的一端上，另一端固定在所述第二滑动件32的一端上，因此当第二滑动件32沿着所述第二导轨29在第一滑动件30上滑动时，两侧的保护罩25相应地缩短或伸长。所述保护罩25将所述第一滑动件30及其上的第二导轨29罩住，防止实验时任何火星或其它物质掉落到所述第一滑动件30上。
[0055]
以下参照图3详细说明作为对准指示器的激光发射器23。如上文所述，穿钉实验开
始前需要使钉7与电池上的选定点对准，当通过旋转第一轮和第二轮34使得所述穿钉装置3沿x方向和y方向运动时，通过激光发射器23指示钉7是否与电池的选定点对准。如果将激光发射器23设置在钉7正下方的位置，激光发射器23将与钉7干涉，因此根据本实用新型将激光发射器23如图3所示设置在横向离开钉7一定距离处，固定在支撑件22上，并使激光发射器23相对于水平方向倾斜角度α。
[0056]
该倾角α可以通过支撑件22沿竖直方向(z方向)距离上台面5的高度h，和激光发射器23沿横向(x方向)离开钉的距离d，由计算机系统通过以下公式确定：
[0057]
tanα＝h/d。
[0058]
该倾角α还可通过以下方法确定：启动电机17，使得钉7上升到其尖端到达上台面5的底面的高度；停止电机17；调整激光发射器23相对于水平面的角度α，使得发射的激光束与钉7的尖端重合；固定该角度α。
[0059]
当通过旋转第一轮和第二轮34使得穿钉装置3在下台面6上分别沿x和y方向移动时，观察到激光发射器23发出的激光束穿过选定通孔10的圆心时，实验者可判定钉7与电池的选定点对准，这时可通过锁定第一制动件24和第二制动件来固定穿钉装置3的位置，进行穿钉实验。
[0060]
如上所述，本实用新型的穿钉实验设备1包括多重安全防火措施：台板9作为第一防火措施，防止火焰喷射到台板下面的穿钉装置3；穿钉装置上的石棉层作为第二防火措施，防止火焰从电池的穿孔喷出；第三是定位装置4的导轨保护罩25，用于保护第一滑动件30及其上的第二导轨29。另外，实验准备就绪开始穿钉前，整个穿钉实验设备1可用防火布包裹，进一步提高设备的防火性能。
[0061]
使用本实用新型的穿钉实验设备1对电池进行穿钉实验的过程说明如下。
[0062]
首先，例如用吊具将穿钉实验设备1吊起，移动到用于进行穿钉实验的特定的实验室，然后例如用吊具吊起电池，将其安放在上台面5的台板9上，选择试验台2上的合适的电池固定机构12或13将电池固定在试验台2上。根据实验需要在电池上选定预定实验点，作为穿钉位置，该选择的实验点与台板9上的其中一个通孔10对齐，在上台面5的下表面上在该通孔10上做标记。由于上台面5平行于下台面6，并且钉7垂直于下台面6，因此钉7将不受试验台所安放的地面的水平度的影响，能够垂直于电池穿入其中。
[0063]
通过旋转第一轮和第二轮34使得穿钉装置3在下台面6上分别沿x和y方向移动，使得钉7接近该带有标记的通孔10，同时观察激光发射器23发出的激光束与所述通孔10的位置关系，持续在x和y方向移动穿钉装置3，直到激光束穿过所述通孔10的中心时，停止旋转第一轮和第二轮34，并锁定第一制动件24和第二制动件，从而固定所述穿钉装置3在下台面6(x-y平面)上的位置。因此，可以方便并精确地移动穿钉装置3，并精确、直观地使钉7与实验点对齐。
[0064]
可选的，用防火布包裹整个穿钉实验设备1，然后实验人员离开实验室，利用与所述穿钉装置2相连的电子设备，根据实验要求选择合适的穿钉速度和深度，远程起动电机17，进行穿钉实验。在钉7穿入电池中后，穿钉装置3上的防护板21及其上布置的石棉层能有效防止火焰从电池的穿孔喷出。并且台板9有效防止电池内短路产生的热量和可能的火焰对设置在台板9下面的穿钉装置3和定位装置4的影响。
[0065]
如本领域技术人员所知，在电池中设置有记录各种数据的传感器，例如压力传感
器和温度传感器，并且在实验室中设置录像设备，所述传感器和录像设备在实验过程中采集各种数据，用于针对测试的电池的选定实验点形成实验报告。试验结束后，首先对电池进行灭火处理，然后操作穿钉装置使得钉沿z方向反向移动，离开电池，释放所述第一和第二制动件，使得能够在x和y方向上移动穿钉装置3。最后释放电池固定机构12或13，用吊具将电池吊起离开。
[0066]
根据台板9和防护板21上的石棉层的破坏情况，决定是否对其进行更换。本实用新型的实验设备可重复使用，仅在必要时更换易损部件，因此节省成本。
[0067]
根据优选实施例的提供的描述，很明显，本领域的技术人员可以作出改变而不会因此超出由以下的权利要求所限定的本实用新型的范围。