CN107344270B - 用于对电池单元的端子与电极元件之间的焊口进行评估的方法和设备 - Google Patents

用于对电池单元的端子与电极元件之间的焊口进行评估的方法和设备 Download PDF

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Abstract

一种用于对焊缝进行评估的方法和测试夹具，焊缝将电池单元的电极箔元件与端子结合起来，该方法和测试夹具包括：将焊缝分割为多个区域，焊缝将电极箔元件与端子结合起来。对于每个区域，在该区域中的端子与电极箔元件之间施加电流，并且确定该区域中的端子与电极箔元件两端的电阻。对于每个区域，基于在该区域中的端子与电极箔元件之间的电阻来评估焊缝的完整性。

Description

用于对电池单元的端子与电极元件之间的焊口进行评估的方 法和设备
技术领域
电池组通常包括多个可充电电池单元，该多个可充电电池单元串联或者并联连接以便储存电力以及向配电系统供应电力。每个电池单元包括多个电极箔，该多个电池箔具有交替放置的正电荷部分和负电荷部分。电极箔由分离材料分离并且被封装在填充有电解质溶液的密封外部袋子内。分离材料(例如，聚乙烯和/或聚丙烯薄膜)帮助防止短路条件，同时允许在电极箔之间自由地传递电荷。
正端子和负端子可以被焊接至相应正电极箔和负电极箔。由于焊机变化以及其它因素，所以焊接过程的形成内部焊接的处理能力可能易于发生变化。
发明内容
描述了一种用于对焊缝进行评估的方法和测试夹具，该焊缝将电池单元的电极箔元件与端子结合起来。这包括：将焊缝分割为多个区域，该焊缝将电极箔元件与端子结合起来。对于每个区域，在该区域中的端子与电极箔元件之间施加电流，并且确定该区域中的端子与电极箔元件两端的电阻。对于每个区域，基于该区域中的端子与电极箔元件之间的电阻来评估焊缝的完整性。
当结合附图来看下文对用于执行如所附权利要求书所定义的本教导的一些最佳模式以及其它实施例的详细描述时，本教导的上述特征和优点、以及其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
现在将参照附图通过示例的方式对一个或多个实施例进行描述，在附图中：
图1示意性地图示了根据本发明的单个电池单元的选择元件的正视图；
图2示意性地示出了根据本发明的测试夹具的选择元件的部分等距视图，该测试夹具用于对与电池单元的正端子和负端子相关联的焊缝进行评估；以及
图3示意性地示出了根据本发明的电气测试电路的实施例，该电气测试电路电气地连接至多个电流探针以及相应电压探针，该多个电流探针和相应电压探针可以设置在测试夹具中以便对与电池单元的正端子和负端子相关联的焊缝进行评估。
具体实施方式
现在参照附图，附图仅仅被提供用于图示某些示例性实施例的目的并且不是为了限制这些示例性实施例的目的，图1示意性地图示了单个电池单元10的选择元件的正视平面图。在多个附图中，相似附图标记表示相似或者相应部件。本领域的普通技术人员将意识到，诸如“水平的”、“垂直的”、“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等术语是用于针对附图进行描述，并且不表示对如由所附权利要求书定义的本发明的范围构成限制。
在一个实施例中，电池单元10包括多个交替的正电极箔12和负电极箔52，该多个交替的正电极箔12和负电极箔52被制造为板形式并且布置在垂直堆栈中，该垂直堆栈被容纳在填充有电解质流体的密封袋子(未示出)内。为了便于图示，示出了单个正电极箔12和单个负电极箔52。在一个实施例中，正电极箔12可以由铜制造，并且负电极箔52可以由铝制造。正电极箔12包括突片部分13，如所示出的，该突片部分13向上突出并且被焊接至正端子14，从而形成第一焊缝20。第一焊缝20可以是搭焊口的形式，该搭焊口将突片部分13和正端子14机械地和电气地结合起来。同样，负电极箔52包括突片部分53，如所示出的，该突片部分53向上突出并且被焊接至负端子54，从而形成第二焊缝60。第二焊缝60也可以是搭焊口的形式，该搭焊口将突片部分53和负端子54机械地和电气地结合起来。与电池单元10有关的其它细节对于本领域的普通技术人员而言是已知的。在一个实施例中，单个电池单元10被配置为可充电的锂离子电池单元，但本文所描述的概念也可以适用于按照本文所描述的方式进行制造的其它电池单元配置。合适的电池技术可以包括：例如，铅酸电池、镍金属氧化物(NiMH)电池、锂离子(Li-离子)电池、Li-离子聚合物电池、锂空气电池、镍镉(NiCad)电池、包括吸附式玻璃纤维棉(AGM)的阀控式铅酸(VRLA)电池、镍锌(NiZn)电池、熔盐电池(ZEBRA电池)、镍锰钴(NMC)电池、磷酸铁锂(LFP)电池、锂锰氧化物(LMO)电池以及其它合适的电池技术和/或其组合。
第一焊缝20和第二焊缝60被描绘为水平的，并且优选地完全延伸通过相应突片部分13和53的宽度。第一焊缝20和第二焊缝60被描述为搭焊口的形式，但本文所描述的概念不限制于此。第一焊缝20和第二焊缝60可以形成为任何合适的焊口配置，并且可以通过任何合适的焊接技术来形成，作为非限制性示例，包括：超声波焊接、激光焊接、离子束焊接、电阻焊接、摩擦焊接等。第一焊缝20和第二焊缝60可以标称地被划分为多个区域以用于评估的目的，其中，该区域是表示相应焊缝的识别部分的标称构造。作为非限制性示例，第一焊缝20可以被分离为三个区域，包括：左侧区域26、中心区域24、以及右侧区域22。同样，第二焊缝60可以被分离为三个区域，包括：左侧区域66、中心区域64、以及右侧区域62。区域的数量可以是任何合适的数量，并且区域的名称可以是任何合适的名字。
电池单元10被描述为多个交替的正电极箔12和负电极箔52，该多个交替的正电极箔12和负电极箔52被制造为板形式并且布置在垂直堆栈中。可替代地，电池单元10可以被配置为圆柱形装置，该圆柱形装置具有从其端部中的一个延伸出去的端子。可替代地，电池单元10可以被配置为砖形装置，该砖形装置具有从其端部中的一个延伸出去的端子。本文描述的概念适应于电池单元10的任何几何配置。
电池组件可以由多个独立的组成电池单元构成。电池组件或者组成电池可以配置为提供足以使与车辆相关联的多个系统(例如，包括车辆传动系统)操作的电力量。独立的电池单元可以电气地连接以形成电池单元组。在某些实施例中，多个电池单元组可以被并入在电池模块中。多个电池模块可以类似地被包含在电池组件的一个或多个电池单元中。在某些实施例中，包含在电池组件中的独立的电池单元可以包括棱柱状袋子电池单元。独立的电池单元可以被布置在堆栈配置中，并且可以包括形成电池单元端子的突片，该突片可以合适地进行电气连接以便向负载提供电功率以及/或者为电池单元充电和/或放电。在一些实施例中，多个独立的电池单元可以经由相关联的突片电气地并联连接以便形成电池单元组。多个电池单元组可以经由一条或多条常见总线(诸如，L形通道)电气地串联连接，以便形成包含在电池组中的电池模块。
图2示意性地示出了测试夹具200的实施例，测试夹具200用于对工件上的焊缝进行评估，其中，工件是参照图1描述的电池单元10的实施例，并且焊缝包括第一焊缝20和第二焊缝60，第一焊缝20设置用于将突片部分13和正端子14结合起来，第二焊缝60设置用于将突片部分53和负端子54结合起来。测试夹具200包括：基部75、第一末端执行器30和第二末端执行器70、以及控制器100。术语“末端执行器”是可以被控制以响应于控制命令完成预定义任务的任何装置，并且可以被机械地致动、机电地致动、气动地致动，或者可以采用另一种致动系统。如所示出的，电池单元10布置在水平方位上，其中，正端子14位于向左侧上并且负端子54位于向右侧上。
第一末端执行器30和第二末端执行器70优选地是相同的装置，其配置为对第一焊缝20或者第二焊缝60进行评估。现在将对第一末端执行器30进行详细描述。本领域的普通技术人员应理解，与第一末端执行器30相关联的描述也适应于第二末端执行器70。
第一末端执行器30配置为单独地对焊缝20的左侧区域26、中心区域24、以及右侧区域22进行评估。第一末端执行器30包括多个电流探针以及相应电压探针，如本文所描述的，该多个电流探针和相应电压探针可以电气地连接至电气测试电路80以便评估焊缝20的完整性。电流探针和电压探针优选地由与相应端子的材料相似的材料来制造，以便不会由于不同金属的联接而引起信号失真。第一末端执行器30可以有利地被放置为与第一焊缝20上的突片部分13和正端子14物理接触，靠近第一焊缝20的左侧区域26、中心区域24或者右侧区域22中的一个。如所示出的，成对电流探针31和32设置为跨越第一焊缝20，靠近右侧区域22，并且相应成对电压探针41和42设置为跨越第一焊缝20，与该成对电流探针31和32相邻。电流探针31和电压探针41设置为与正端子14接触，并且电流探针32和电压探针42设置为与突片部分13接触。成对电流探针33和34设置为跨越第一焊缝20，靠近中心区域24，并且相应成对电压探针43和44设置为跨越第一焊缝20，与该成对电流探针33和34相邻，方式与针对右侧区域22所描述的方式相似。成对电流探针35和36设置为跨越第一焊缝20，靠近左侧区域26，并且相应成对电压探针45和46设置为跨越第一焊缝20，与该成对电流探针35和36相邻，方式与针对右侧区域22所描述的方式相似。第二末端执行器70类似于第一末端执行器30进行配置，以单独地对焊缝60的左侧区域66、中心区域64以及右侧区域62进行评估。
图3示意性地示出了电气测试电路80的实施例，该电气测试电路80电气地连接至多个电流探针和相应电压探针。如所示出的，电流探针包括成对电流探针31和32，并且电压探针包括成对电压探针41和42，该成对电流探针31和32、以及该成对电压探针41和42与第一焊缝20的右侧区域22相关联。尽管未示出，但电气测试电路80优选地包括多路复用电源以及数据采集系统，该多路复用电源和数据采集系统也电气地连接至与第一焊缝20的中心区域24相关联的成对电流探针33和34以及成对电压探针43和44，并且进一步电气地连接至与第一焊缝20的左侧区域26相关联的成对电流探针35和36以及成对电压探针45和46。
电气测试电路80包括恒流电源82和数据采集系统84。恒流电源82电气地连接至成对电流探针31和32，并且优选地配置为：当成对电流探针31和32在右侧区域22中分别与第一焊缝20上的正端子14和突片部分13物理接触时，在该成对电流探针31和32上以恒定电流水平(例如，10A)供应电功率。数据采集系统84包括模拟/数字转换器以及相关电路以监测成对电压探针41和42上的电功率以便确定与其相关联的阻抗。成对电压探针41和42、模拟/数字转换器以及相关电路被选择为具有能够测量电气参数的能力，该电气参数可以导致微欧姆数量级的阻抗水平。
再次参照图2，控制器100优选地包括指令集、控制例程、以及来自传感器和致动器的信息，以便对参照图1所描述的电池单元10的实施例进行评估，包括对焊缝20和60中的一个或者两个进行评估，焊缝20和60将电极箔元件12和52与相应正端子14和负端子54结合起来。这优选地包括：将焊缝20和60分割为多个区域，如先前所描述的。左侧区域26、中心区域24、以及右侧区域22在第一末端执行器30中进行实施，并且左侧区域66、中心区域64、以及右侧区域62在第二末端执行器60中进行实施。当电池单元10被放置在测试夹具200以进行评估时，将正端子14和负端子54定向为允许分别与第一末端执行器30和第二末端执行器70相互作用。正端子14和负端子54被放置在基部75的顶部，并且控制器100命令测试夹具200将第一末端执行器30和第二末端执行器70定位为针对基部75压缩相应正端子14和负端子54，从而使成对电流探针以及成对电压探针跨越相应焊缝20和60。具体地参照第一末端执行器30，一旦第一末端执行器30被定位，控制器100就命令恒流电源82以恒定电流水平(例如，10A)在成对电流探针31和32、33和34、以及35和36上供应电功率。控制器100同时对相应成对电压探针41和42、43和44、以及45和46上的电压电势进行监测。控制器100执行控制例程以便针对左侧区域26、中心区域24、以及右侧区域22中的每一个计算电阻值。控制器100基于该电阻针对左侧区域26、中心区域24以及右侧区域22中的每一个对焊缝20的完整性进行评估。当相应区域中的电阻大于阈值电阻时，控制器100可以检测左侧区域26、中心区域24、以及右侧区域22中的一个中的故障。在一个实施例中，阈值电阻与焊缝20的区域的最小阈值抗张强度相关，即，左侧区域26、中心区域24以及右侧区域22中的每一个的最小阈值抗张强度。阈值电阻的大小以及其与最小阈值抗张强度的相关性是面向具体应用的，并且可以作为过程和产品研发的一部分来进行研发。控制器100可以按相似方式来命令第二末端执行器70的操作。
在一个实施例中，控制器100可以包括指令集以监测包括电化学阻抗谱(EIS)的形式的电阻，这可以包括：施加呈小幅AC电流的形式的激励信号，该小幅AC电流被施加在成对电流探针31和32、33和34、以及35和36上；以及测量流过相应成对电压探针41和42、43和44、以及45和46的电流。采用EIS或者其它类似方法来监测阻抗优选地包括：施加已知大小的电流并且监测电压，以及基于电流、电压、以及阻抗之间的关系(即，V＝I*R)来确定阻抗的大小。在一个实施例中，所施加的电流可以呈正弦波电流的形式，并且输出信号因此可以是相位偏移的正弦波电压。可以结合所施加的电流对输出信号的相位偏移的幅度和量进行评估以便确定阻抗的大小。与采用EIS或者其它类似方法来监测电池单元10的阻抗有关的其它细节对于本领域的普通技术人员而言是已知的。
本文所描述的概念为研发非破坏性焊接测试以及相关夹具提供了机会，该相关夹具允许在电池组装过程期间针对内部焊接突片一致性对100％的电池单元进行评估。这进一步促进了在不同区域上的焊接接头的一致特征。在一个实施例中，该概念可以促进使电阻与机械拉拔强度相关。
术语“控制器”、“控制模块”、“模块”、“控制”、“控制单元”、“处理器”以及类似术语指如下任何一个或者多个组合：专用集成电路(ASIC)、电子电路、中央处理单元，例如，微处理器以及相关联的非暂时性存储器部件，呈存储器和储存装置的形式(只读存储器、可编程只读存储器、随机存取存储器、硬盘驱动器等)。非暂时性存储器部件能够储存呈如下形式的机器可读指令：一个或多个软件或者固件程序或者例程、组合逻辑电路、输入/输出电路和装置、信号调节和缓冲电路、以及可以由一个或多个处理器访问以便提供所描述的功能的其它部件。输入/输出电路和装置包括：模拟/数字转换器以及对来自传感器的输入进行监测的相关装置，其中，以预设采样频率或者响应于触发事件对该输入进行监测。软件、固件、程序、指令、控制例程、代码、算法、以及类似术语表示任何控制器可执行的指令集(包括刻度和查阅表)。每个控制器都执行控制例程以提供期望功能，包括：对来自感测装置和其它网络控制器的输入进行监测，以及执行控制和诊断指令以控制致动器的操作。可以定期地或者响应于触发事件的发生来执行例程。控制器之间的通信、以及控制器、致动器和/或传感器之间的通信可以是通过使用直接有线点对点链路、网络通信总线链路、无线链路、或者任何其它合适的通信链路来完成，并且由线路11表示。通信包括以任何合适的形式来交换数据信号，包括：例如，经由导电介质进行交换的电信号、经由空气进行交换的电磁信号、经由光波导进行交换的光学信号等。数据信号可以包括离散信号、模拟信号、或者数字化模拟信号，这些信号表示来自传感器的输入、致动器命令、以及控制器之间的通信。术语“信号”指传达信息的任何在物理上可辨别的指示符，并且可以是能够传播通过介质的任何合适的波形(例如，电波、光波、磁波、机械波、或者电磁波)，诸如，DC、AC、正弦波、三角波、方波、振动等。
详细描述和附图对本教导起着支持和描述的作用，但本教导的范围仅由权利要求书定义。尽管已经对用于执行本教导的一些最佳模式和其它实施例进行了详细描述，但存在用于实践所附权利要求书中定义的本教导的多个替代设计和实施例。

Claims (9)

1.一种用于对焊缝进行评估的方法，所述焊缝将电池单元的一个电极箔元件与一个端子结合起来，所述方法包括：
将连续的焊缝分割为多个标称区域，所述焊缝将所述电极箔元件与所述端子结合起来；
对于每个所述区域：
在所述区域中的所述端子与所述电极箔元件之间同时施加电流，以及
确定在所述区域中的所述端子与所述电极箔元件上的电阻；以及
对于每个所述区域，基于在所述区域中的所述端子与所述电极箔元件之间的所述电阻来评估所述焊缝的完整性，当所述相应区域的所述电阻大于阈值电阻时，检测在所述区域中的所述焊缝中的故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述阈值电阻与所述焊缝的所述相应区域的最小阈值抗张强度相关。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，施加电流包括：在所述区域中的所述端子与所述电极箔元件之间施加恒定电流。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊缝将所述电极箔元件的突片部分与所述端子结合起来。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊缝包括超声波形成的焊缝。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊缝包括激光形成的焊缝。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊缝包括离子束焊缝。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述焊缝包括电阻形成的焊缝。
9.一种用于对焊缝进行评估的测试夹具，所述焊缝将电池单元的一个电极箔元件的突片部分与一个端子结合起来，所述测试夹具包括：
末端执行器，所述末端执行器包括电气测试电路，所述电气测试电路包括：电气地连接至多个成对电流探针的电流源、以及电气地连接至多个成对电压探针的数据采集系统，其中，所述多个成对电压探针和所述多个成对电流探针设置为：当所述末端执行器与所述电池单元的所述端子压缩地接合时，在连续焊缝的多个标称区域中跨越所述焊缝；
控制器，所述控制器与所述末端执行器的所述电气测试电路和所述数据采集系统通信，
所述控制器包括指令集，所述指令集可被执行以便：
在每个所述区域中的所述端子与所述电极箔元件之间同时施加电流，以及
确定在每个所述区域中的所述端子与所述电极箔元件两端的电阻，以及
对于每个所述区域，基于在所述区域中的所述端子与所述电极箔元件之间的所述电阻来评估所述焊缝的完整性，当所述相应区域的所述电阻大于阈值电阻时，检测在所述区域中的所述焊缝中的故障。
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