CN104280418A - 锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法，该方法包括：对锂电池内部视电阻率进行测试，获取锂离子动力电池内部视电阻率分布；根据锂电池内部视电阻率分布确定内部温度场，并跟踪高温异变区域；获取锂电池内部不同温度下隔膜伸缩量的变化，确定内部温度与隔膜伸缩量关系；确定隔膜伸缩量，并通过隔膜伸缩量评判动力锂电池内部性能状态；对隔膜损伤定位及形变程度预测。本发明从锂离子动力电池内部视电阻率变化推导出内部隔膜的损伤状态，实现了针对高温环境下锂离子电池内部隔膜结构的热损失定位及形变程度预测，突破了传统电池使用安全监测方式的技术瓶颈，对锂离子动力电池寿命预测、负载控制，新能源等领域研究具有指导作用。

Description

锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法

技术领域

本发明属于锂离子动力电池内部状态监测技术领域，尤其涉及一种锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法。

背景技术

随着经济繁荣和生活水平的提高，人们对汽车的需求越来越多，节能减排和绿色环保也开始受到人们的关注和重视。大量汽车排放的废气和噪声给环境造成了很大的污染，导致空气质量变差，汽车尾气排放标准不断升级，全球对环境保护的呼声日益高涨。同时，国际原油价格持续上涨引发了能源危机。在环境污染和能源危机愈演愈烈的时代背景下，可替代的新能源汽车脱颖而出，成为了汽车产业未来的发展方向，全球各大知名汽车企业都投入大量资源进行新能源汽车的技术研发和产业化发展。其中，电动汽车成为了世界公认的21世纪汽车工业改造和发展的主要方向。与此同时，人们对电动汽车的性能提出了更高要求，然而受电池技术的限制，短时间内难以取得突破性发展。因此，急需对电动车的动力电池进行重点研究突破，促进电动汽车行业的快速发展。

目前的电池技术问题阻碍了电动汽车的发展和应用，其中电池是引发电动汽车安全事故的一个最大诱因。锂离子动力电池在动力汽车领域具有很大的市场，锂离子动力电池一般由正负电极、电解液和隔膜组成，其中隔膜一般采用聚烯烃多孔膜，其作用是将电池正负极隔开，防止两极短路。一旦电池短路，电池内电解液温度、内部气压均将升高，若气压值超过电池盖帽耐压值，电池将漏液，如果安全阀失效，甚至会引起爆炸。由于隔膜为聚烯烃多孔膜，容易发生热氧老化，释放气体，一旦气体聚集则会造成电池内压过大或者遭遇静电等火花从而引起其他更大伤害如爆炸等。电动汽车用锂离子动力电池都是成组使用，电池单体爆炸将会造成连锁反应，直接危害人员生命和财产安全。因此，研究针对汽车锂离子动力电池内部隔膜安全的检测方法是亟待解决的问题。

国内(发明专利)号CN202582526U的“电池隔膜的检测装置”公开了一种电池隔膜的检测装置，用于检测电池隔膜表面是否平整。该装置包括吸风单元，设置于电池隔膜的一侧，对该电池隔膜表面产生吸附力；检测单元，对应于该吸风单元设置于该电池隔膜的一侧，用于检测该电池隔膜至该检测单元的垂直距离；判断单元，通过将检测单元所测的数据与基准值进行比较，判断该电池隔膜表面是否平整。该专利未涉及动力电池内部隔膜健康状态检测。

国内(发明专利)号CN202471632U的“电池隔膜闭孔温度和破膜温度的检测装置”公开了一种电池隔膜闭孔温度和破膜温度的检测装置，该装置包括两个内嵌加热棒的热台，所述的每个热台内表面依次贴合有镍箔层和聚四氟乙烯片，所述的聚四氟乙烯片的中部开有放置隔膜的窗口。隔膜浸渍电解液后，与外界装置相连后构成一个简单的回路，通过测定隔膜内阻随温度的变化来测定两个温度点。该专利只检测了两个温度，未涉及动力电池内部隔膜变化检测。

国内(发明专利)号CN101576607的“镍氢电池隔膜湿电阻检测方法和装置”公开了一种电池隔膜湿电阻检测方法和装置。模拟电池隔膜材料处于电池结构中在挤压受力状态下，并浸入电解液中进行电池隔膜湿电阻的检测方法。检测装置由下电极支承体、导流浅沟槽、多孔下电极板、多孔上电极板、导流浅沟槽、上电极支承体、施压砝码和汽缸构成夹持样品隔膜的检测平台。在下电极支承体上设有环型储液槽，由此处注入电解液，浸湿隔膜进行湿电阻测量。该专利未涉及动力电池内部隔膜健康状态检测。

国内(发明专利)号CN203396878U的“一种锂电池隔膜微短路检测仪”公开了一种锂电池隔膜微短路检测仪，电机的轴固定于设有竖向导轨的底座上，并与丝杠连接，丝母套设在所述丝杠上，悬臂与所述丝母连接，此悬臂的一端设有与所述导轨相滑配的滑块，所述悬臂的另一端设有刺针套，此刺针固定在所述刺针套内，此刺针的上端与设在刺针套中的加热器连接，此刺针的下端与设在底座上的凸台孔相对，所述加热器与电源连接，刺针套内设有温度传感器，此温度传感器与设在加热电路上的温控器连接。该专利未涉及动力电池内部隔膜健康状态检测。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法。

本发明的目的通过以下的技术方案来实现：

一种锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法，该方法包括：

对锂电池内部视电阻率进行测试，获取锂离子动力电池内部视电阻率分布；

根据锂电池内部视电阻率分布确定内部温度场，并跟踪高温异变区域；

获取锂电池内部不同温度下隔膜伸缩量的变化，确定内部温度与隔膜伸缩量关系；

确定隔膜伸缩量，并通过隔膜伸缩量评判动力锂电池内部性能状态；

对隔膜损伤定位及形变程度预测。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

该方法能够对锂离子动力电池局部温度异常引发的隔膜损伤进行在线监测，特别是针对动力电池组局部单体电池短路或者局部区域损伤而产生的异常高温有很好识别效果。集成在车载设备中，可以实时在线监控动力电池组运行过程中的电池的安全情况，主动识别高温危险信号并发出预警。同时，结合该方法突破传统检测方式的技术瓶颈，对评判动力锂电池内部性能状态具有优势，还可以为动力电池组寿命预测、负载控制等提供依据。

附图说明

图1是基于电阻层析成像技术的动力电池隔膜安全检测方法流程图；

图2是高温隔膜伸缩量变化示意图；

图3是ERT三维柔性传感器结构图；

图4是电极测量原理原理图；

图5是基于电阻层析成像(ERT)中的视电阻率测量系统平台示意图；

图6是基于电阻层析成像技术的动力电池隔膜安全检测方法应用图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，为锂离子动力电池内部隔膜安全在线检测方法流程图，该方法包括：

步骤101建立锂电池模型。

步骤102对锂电池内部视电阻率进行测试，获取锂离子动力电池内部视电阻率分布。

步骤103获取锂电池内部温度与内部视电阻率关系。

上述步骤101-103的实现过程中，将ERT传感器贴在动力电池表面，通过给电池表面电极阵列提供激励，采集相应电极上的不均匀电学信号，对其进行放大滤波及进一步处理获取被测介质内部电阻率的不均匀分布，最终转换为相应的温度场数据，可以获取动力电池组内部不同区域在不同内部温度时刻对应的视电阻率值，从而得到锂电池内部温度与内部视电阻率关系曲线。那么，在实际动力电池组充放电等工作过程中，就能对其内部温度进行实时动态监测，获取电池组不同区域温度分布情况。

步骤104通过锂电池隔膜热特性实验，获取锂电池内部不同温度下隔膜伸缩量的变化。

步骤105根据不同温度下隔膜伸缩量的变化，确定内部温度与隔膜伸缩量关系。

参见图2，锂电池内部视电阻率随温度非线性增大；其隔膜伸缩量随温度非线性递减。确定了隔膜四个变化临界条件：初次变形90℃，二次变形120℃，三次变形140℃，熔破断临界点180℃，此时隔膜产生裂纹。

步骤106确定隔膜收缩量，评估隔膜损伤。

通过测量电池内部局部温度场，可对电池局部温度异常引发的隔膜损伤进行在线监测。

步骤107对隔膜损伤定位及形变程度预测。

参见图3，ERT三维柔性传感器主要由高可靠性柔性线路板(FPC)和电极阵列组成。图中301为电池表面，302为电缆接插件。柔性传感器采用5×5电极阵列焊接于FPC303上实现，其中电极片304采用高电导率的紫铜材料。将预先优化设计的传感电极直接焊接在FPC上最大程度消除了两者间非必要的摩擦阻抗。仅1mm厚度的FPC线路板将电极片与信号线路集成简化，有效降低成本和使用空间，可灵活装配到动力电池组内部进行集成设计。

参见图4，ERT新型柔性传感器采用四电极测量原理，当在供电电极片A、B持续施加脉冲激励，电池内部形成稳定电场，测量电极片M、N两点电势差可反映探测区域的视电阻率情况，调整电极间距可有效改变探测深度。定义电极距AM与MN之比n为电极间距因子，保持测量电极M、N的位置不变，而供电电极A、B等间隔向两边移动，n依次取n＝1，2，3，…，N每移动一次供电电极A、B，测量一次电极M、N的电位差。改变测量电极间距MN，以相同方式移动供电电极A、B进行测量可以增加探测深度。

当n＝1时，A、M、N、B4个电极排列方式如图中，整体从左侧依次向右走位，获取第一层数据点；当n＝2时，同样从左向右走位，获取第二层数据。以此类推，n取值不同得到不同层数据。层数i表示探测深度，定义AB为勘探线长度，探测深度经验公式如下：

d＝(1/6～1/4)AB，   (1)

当被测介质浅层电阻率较大时，式(1)中的系数取较大值，反之取较小值。该方法测量获得的数据总数为： $s=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(m-i\×2-1).$

                (2)

其中，电极数量m，数据层数i(i＝1，2，3，…，N)，每一层的测量数据个数为m－i×2－1。

向A、B电极提供激励，建立电场后，测量M、N两点的电位差。根据点电源场电位公式(3)和(4)，M、N两点的电位为：

U_M＝(Iρ/2π)·(1/AM-1/BM)，   (3)

U_N＝(Iρ/2π)·(1/AN-1/BN)，   (4)

其中，I为供电电流强度；ρ为电池实际电阻率；UM和UN分别为M、N两点的电位；AM、BM、AN、BN分别为电极间距。

由以上式子可以得到M、N两点的电位差值：

ΔU_MN＝(Iρ/2π)·(1/AM-1/BM-1/AN+1/BN)，   (5)

定义K为动力电池电极装置系数，为

K＝2π/(1/AM-1/BM-1/AN+1/BN)，

ERT中，电池的电阻率计算公式为：

ρ＝K·(ΔU_MN/I).

               (6)

测量得到的电压值通过以上公式经Matlab推导出电阻率分布。

基于上述原理，三维测量中电极以面阵列形式分布，测量顺序：先逐行测量，后逐列测量。

参见图5，电池内部隔膜安全监测系统拟采用ERT传感模块、硬件检测模块与上位机的检测结构。根据动力电池组的结构特点，选取合适的多电极排列，研制基于ERT的多电极阵列柔性传感模块。硬件检测模块选择具有优越性能的双极性脉冲电流作为激励电流；使用DAC芯片将单片机输出的数字信号转换为模拟电压信号，再通过压控电流源将电压信号转换为电流源信号；而对于激励电极和测量点击的选通则通过逻辑开关来实现；测量得到的电压都是十分微小的信号，通过两级信号调理对他们进行放大，然后再由数据采集系统进行采集。将经过处理的数据通过CAN总线传输至上位机。上位机集成图像软件系统，可以对各子系统输入数据进行转换，即：电压-电阻率-温度-隔膜位移。最后通过图像反演算法，对各小型电池组的内部温度进行三维图像重建，并构造整体电池组内部温度的三维效果图。根据对温度反演图像的在线监控，实时显示温度最高点区域的隔膜损伤情况。

参见图6，在实际应用中，通过在车用动力电池组61表面布置电极传感模块62，并将硬件检测模块63进一步集成嵌入到具有自主知识产权的车载多媒体系统64中，可以实现对整个电池内部温度场直观、方便的监控，可有效发现隔膜局部区域温度异常点，并判别隔膜损伤程度，预防汽车65安全事故的发生。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (5)

1.锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法，其特征在于，所述方法包括：

对锂电池内部视电阻率进行测试，获取锂离子动力电池内部视电阻率分布；

根据锂电池内部视电阻率分布确定内部温度场，并跟踪高温异变区域；

获取锂电池内部不同温度下隔膜伸缩量的变化，确定内部温度与隔膜伸缩量关系；

确定隔膜伸缩量，并通过隔膜伸缩量评判动力锂电池内部性能状态；

对隔膜损伤定位及形变程度预测。

2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法，其特征在于，所述锂离子动力电池内部视电阻率分布是通过基于电阻层析成像中的视电阻率测量技术获取，且测量过程中采用基于高可靠性柔性线路板FPC和电极阵列结合设计的ERT三维柔性传感器。

3.根据权利要求2所述的锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法，其特征在于，所述基于柔性线路板FPC的柔性传感器以柔性电路板FPC为基底；电极阵列以面阵列形式分布，并采用紫铜圆片作为电极材料，且FPC集成传输线路及电极焊盘。

4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法，其特征在于，在电池一侧表面设置电极阵列并提供激励，采集相应电极上的不均匀电学信号，并对电学信号进行放大滤波处理获得被测介质内部视电阻率的不均匀分布，最终转换为相应的温度场数据，进一步对出现温度过高区域进行定位识别，发出预警信号。

5.根据权利要求1所述的锂离子动力电池内部隔膜安全监测方法，其特征在于，通过分段式测定电池内部隔膜实物热特性，获取电池内部隔膜随温度变化产生的伸缩量变化。