数字图像相关（DIC）技术在锂电池壳体鼓包动态变形试验中的应用

摘要

高能量密度方形锂电池在充放电、内压升高工况下，壳体膨胀鼓包、局部应变集中极易引发电芯破损、热失控安全隐患，壳体金属材料变形行为精细化监测是电池安全研发的核心环节。传统应变片接触式单点检测存在引线干涉、无法捕捉全域离面鼓包变形、循环载荷数据断裂等缺陷，难以满足电池长期安全评估需求。

采用新拓三维XTDIC-12M高精度双目DIC测量系统，针对方形动力锂电池开展5次加压-卸压循环模拟试验，通过壳体表面随机散斑成像，完整采集循环工况下电池三维全场位移、Y 向应变分布数据。测试结果表明电池壳体Z向鼓包位移量最大，壳体边缘存在持续性应变集中；循环特征曲线清晰呈现材料弹性滞后、应变累积效应；三维重构模型可直观展示不对称鼓包形变特征。DIC非接触全域三维测量能够精准定位电池壳体薄弱区域，量化循环膨胀变形幅值，为动力电池壳体结构优化、膨胀失效预警、储能电池安全性能评估提供可视化高精度测试手段。

一、研究背景：锂电池膨胀变形传统检测技术存在局限

随着新能源汽车、储能电站行业快速发展，高能量密度方形锂电池大规模量产应用。电池充放电循环、内部产气升压会造成金属壳体持续膨胀鼓包，壳体边缘、焊接位置产生局部应力集中，长期循环后易出现壳体开裂、电芯泄漏，严重时诱发热失控事故。因此，精准监测壳体全域变形、量化循环膨胀规律是电池材料与结构优化的必要环节。

传统应变片单点检测手段存在局限性：测点覆盖不足，极易遗漏边缘应力集中风险点；缺少三维离面鼓包数据，无法量化电池向外凸起的Z向鼓包位移；循环工况数据不连续：难以完整记录多次加压-卸压循环过程中的应变累积、弹性回弹滞后规律。

双目三维DIC技术具备非接触、全域三维同步采集特性，可完整复现电池多次充放电循环下的膨胀变形演化过程，填补动力电池精细化形变检测的技术空白。

二、锂电池加压循环DIC变形完整测试方案

核心测量设备：新拓三维XTDIC-12M双目三维DIC测量系统，适配200mm标准电池测试视场；配套气压加压装置，可输出周期性内压，模拟电池充放电产生的膨胀载荷。

· 设备标定：使用标准标定板完成双目相机校准，建立统一三维空间坐标系；

· 初始基准采集：无内压静置状态拍摄基准图像，作为变形计算零点；

· 循环加压试验：连续执行5次完整加压-卸压循环，模拟电池反复充放电的交变载荷；

· 图像同步采集：加压全周期双目相机连续拍摄壳体表面图像，同步记录气压加载数据；

· AOI感兴趣区域划定：软件框选电芯对应壳体有效测量区域，剔除夹具干扰，集中解析核心形变数据。

三、锂电池壳体全场变形可视化测试结果分析

3.1、全域位移云图与循环位移曲线

软件输出壳体三维位移分布云图，变形规律清晰：

Z 向（鼓包凸起方向）位移幅值最大，电池壳体中心区域向外凸起变形最显著，向壳体四周边缘位移逐步衰减；

X、Y 向平面位移呈梯度对称分布，电池左右两端存在小幅挤压形变；

不同电池样品鼓包位移峰值存在明显差异，可直观量化不同壳体材料的膨胀耐受性能。

提取壳体中心特征测点，生成5次循环位移-时间曲线，完整呈现单次加压鼓包、卸压回弹全过程，直观观测多次循环后残余变形累积现象。

X向位移云图及循环曲线

Y向位移云图及循环曲线

Z向位移云图及循环曲线

3.2、壳体Y向全场应变云图与循环应变曲线

全域Y向应变云图显示：电池壳体左右两端固定边缘持续出现高应变集中区域，是壳体开裂、鼓包失效的高危位置；随着加压循环次数增加，应变峰值不断累积上升。

测点循环应变曲线完整呈现金属壳体材料弹性滞后特性：单次加压应变持续上升，卸压后无法完全回弹，多次循环后残余应变持续增大，可用于评估壳体长期循环下的疲劳膨胀失效风险。

1号电池试样-Y应变分析

2号电池试样-Y应变分析

3.3、电池壳体三维鼓包重构模型

XTDIC三维应变测量系统支持电池壳体三维形变模型重构，立体直观展示壳体不对称鼓包形态，全域量化三维坐标变形量，精准识别局部凸起、凹陷等非均匀变形缺陷，为电池壳体结构、材料优化提供三维可视化依据。

锂电池三维鼓包重构模型

四、技术应用价值与新能源行业拓展方向

本锂电池加压膨胀DIC测试案例，凸显三维数字图像相关技术在新能源金属壳体材料检测中的独特应用价值：

1、非接触无损测量：无夹具、引线干涉，完全还原电池自由膨胀的真实形变状态，无测量附加误差；

2、全域三维同步解析：同步采集平面、离面鼓包位移数据，完整量化壳体三维变形场；

3、循环工况动态追踪：完整记录多次充放电循环下的应变累积、弹性滞后规律，预判电池长期膨胀失效风险；

4、精准定位失效风险点：应变云图直观识别壳体边缘、焊接处应力集中区域，指导壳体材料选型与结构优化。

另外，可将DIC技术与红外热成像设备耦合，同步采集温度场与应变场，研究高温工况下电池膨胀与热失控耦合机理；同时拓展至软包锂电池、电池包模组全域形变监测，成为动力电池安全研发、壳体材料性能表征的标准化测试工具。