CN108872868A - 检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实时检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置、系统及方法，属于储能锂电池性能监测领域，集成装置包括换能片、带槽铝片、无槽铝片以及信号线，每两个软包电芯之间均设置有无槽铝片，换能片嵌装在有槽铝片中，有槽铝片贴合固定在整个软包电芯组的相对两侧面，信号线与换能片的两极相连，本发明还提供了一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成系统，其包括如上所述的集成装置，超声信号收发单元、电池测试仪、任意函数波形发生器和示波器。还提供了一种集成装置与待检测的软包电池组组装方法。本发明装置和方法可以对电池组SOC/SOH进行实时监测和数据的采集。

Description

检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置、系统及方法

技术领域

本发明属于储能锂电池性能监测领域，尤其是涉及一种可检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成装置、测试系统及其方法。

背景技术

目前，在对锂离子电池相关材料进行研究的同时，电池性能的检测手段与评价方法也越来越受到了人们的重视。锂离子电池的性能指标包括容量、功率、循环寿命和安全性等诸多参数，如何快速有效的对其中的重要指标进行测定并由此合理的评价电池性能，是电池成组设计的基础，也是实现高效的电池管理的基础。

对锂电池荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)的主要判断依据是当前的静态容量。锂电池内部是一个复杂的电化学体系，其性能由诸多因素共同影响和决定，研究电池内部的微观机理有利于人们从根本上了解电池性能衰减的原因，更准确的对电池进行评价。

但是，由于研究微观参数要对电池进行拆解，电池内部的封闭体系必然会遭到破坏，电池极片以及电解液在遇到空气后会产生物理或化学变化，影响测试的准确性，而且对于商品电池来说，利用微观参数来表征电池的性能也需要对电池进行不可逆拆解，这意味着对大批量的电池而言只能进行取样测试，并不能确保所有电池性能一致，然而在电池组中单一电池的性能不稳定很可能会被逐渐放大，造成整个电池组性能的快速衰减甚至发生爆炸等危险。因此，微观参数的评价手段并不适用于大批量商业电池检测。

在锂电池的全生命周期内，SOC/SOH估算的误差大小直接影响了锂电池组的使用性能以及使用寿命。传统的估算是通过采集蓄电池组的电压、电流以及温度，采用开路电压结合安时积分法的算法来实现，这种算法不仅精度不高(一般在10％左右)，而且存在比较大的累积误差。

目前，对电池SOC和SOH的估算，主要是通过采用多种方案和算法的综合方式来减少误差，这使得检测传感器系统复杂，软件算法也十分冗余。超声作为一种成熟的无损检测手段，有别于传统的电化学手段，能直接获得电池内部的物理变化。从锂电池的内部结构以及充放电的化学反应入手，使用超声波检测技术直接读取与锂电池SOC/SOH相关的物理量。初步研究发现，该物理量与锂电池的SOC/SOH有着非常良好的线性关系，该线性关系受温度影响很小，受锂电池组负载电流大小的影响也非常小，其测量精度最高可达1％。该测量方法还能检测锂电池的漏液，鼓包等故障现象，大大提高了锂电池储能系统的可靠性。在研究初期阶段，已完成对单个电芯全生命周期下的超声信号特征数据的采集和处理，但由于超声检测装置由多部件构成，无法直接嵌入电池组中进行不同充放电状态下的实时检测，并且目前暂无任何将超声实时检测装置集成到电池组上的实例。

因此，需要开发一种能够检测电池组的无损检测装置、系统或者方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实时检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置、系统及方法，其目的在于，在不破坏软包电池组原有结构功能且不增加原有体积的前提下，将超声检测装置集成到软包电池组中，对电池组SOC/SOH进行实时监测和数据的采集，以获得电池组的性能评判结果。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置，该集成装置包覆待检测的电芯组，待检测的电芯组包括多个尺寸一致且相互平行的软包电芯，电芯组的极耳伸出至外界以与外界设备相连，其包括换能片、带槽铝片、无槽铝片以及信号线，每两个软包电芯之间均设置有无槽铝片，无槽铝片平整光洁，每个软包电芯与无槽铝片之间均填入信号传导介质，换能片嵌装在有槽铝片中，有槽铝片贴合固定在整个软包电芯组的相对两侧面，换能片为频率在100kHz～20MHz的薄片状压电换能片，信号线与换能片的两极相连，并分别从换能片的两个侧面引出，进一步再从电芯组上与极耳相对的一侧引出至外界，带槽铝片尺寸大小与电芯一致，带槽铝片相对两内侧面开设有与换能片大小形状相匹配的圆形凹槽和供信号线引出的条形凹槽，所述圆形凹槽距电芯极耳端距离为整个带槽铝片长度的1/5，并且圆形凹槽位于带槽铝片宽度的中间位置，该位置的选择，是因为电池内部荷电状态和健康状态具有不均匀性，经过X射线和超声C扫描分析大量电池样品，该位置最能代表电池内部的平均荷电状态，且电池内部的产气故障也较先在该位置发生。带槽铝片具有抗磁信号干扰和促进散热的功能，无槽铝片尺寸大小与带槽铝片相一致，换能片的信号接收面通过导电胶粘结在带槽铝片上的圆形凹槽中，换能片的信号发射面紧贴在待测电芯组的侧壁，在带槽铝片和电芯组侧壁处也填充有信号传导介质，能用于将带槽铝片与软包电池组紧密粘结在一起。

进一步的，所述信号传导介质为具有良好的导热性、阻燃性、粘稠度和声抗随温度变化较小的导热硅胶、混合硅橡胶或者双面带有背胶的导热硅胶片。

进一步的，信号线一端与换能片焊接相连，另一端设置有与外部设备相连的标准化接口中。

进一步的，所述换能片两级处设置有两极接线口，两级接线口均设置在换能片的侧面处。

按照本发明的第二个方面，还提供一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成系统，其包括如上所述的集成装置，超声信号收发单元、电池测试仪、任意函数波形发生器和示波器，其中，超声信号收发单元同时与所述任意函数波形发生器和示波器相连，待检测的电池组的极耳与电池测试仪相连，任意函数波形发生器与一侧换能片相连，示波器与另一侧换能片相连。

按照本发明的第三个方面，还提供一种集成装置与待检测的软包电池组组装方法，其包括如下步骤：

首先，将换能片镶嵌在带槽铝片的预留圆形凹槽中，具体地，先将信号线焊接在换能片侧面的两极上，接着利用导电胶将换能片的信号接收面粘贴在带槽铝片的圆形凹槽中；

然后，将安装有换能片的带槽铝片、电芯组按照设定的顺序叠放，形成中间半成品，其中，电芯组中每两个电芯之间以无槽铝片隔开；

接着，在换能片的信号发射面涂覆超声传导介质，将嵌有换能片的带槽铝片紧压在中间半成品的两侧，保证带槽铝片与换能片的外侧面接触，同时信号线压入带槽铝片预留的条形槽中；

最后，在各电芯与无槽铝片之间注入信号传导介质并均匀用力压紧。

更详细的，本发明的集成装置包覆在待检测的电芯组，待检测的电芯组由n个(n≥2)尺寸一致且平面平行的软包电芯构成，每两个软包电芯之间均设置有无槽铝片，无槽铝片平整光洁，每个软包电芯与无槽铝片之间填入信号传导介质。换能片嵌装在有槽铝片中，有槽铝片贴合固定在软包电芯组的相对两侧面。其中，换能片为频率在100kHz～20MHz的薄片状压电换能片。信号线分别与换能片的两极相连，并从其侧面引出。带槽铝片尺寸大小与电芯一致，厚度略大于换能片的大小，带槽铝片相对两内侧面开设有与换能片大小形状相匹配的圆形凹槽和供信号线引出的条形凹槽，所述圆形凹槽设置带槽铝片上距电芯极耳1/5处的中间位置。无槽铝片尺寸大小与带槽铝片相一致。信号传导介质为具有良好的导热性、阻燃性、粘稠度和声抗随温度变化较小的导热硅胶，其可以将同时作为信号屏蔽层和散热片的带槽铝片与软包电池组紧密粘结在一起。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

上述集成装置利用带槽铝片保证了换能片位置对称分布在软包电池组的两侧壁，同时确保了其在后续使用过程中位置不发生相对改变，进而使得超声收发信号的稳定性与一致性；换能片在铝片上镶嵌的位置距离电芯极耳1/5处，检测时接收到的信号最明显；利用铝片装载换能片，一方面，作为屏蔽层提高了超声信号的信噪比，另一方面，作为导热片可促进软包电池组的散热，大大缩减了集成装置的体积，有利于产品小型化和轻量化设计；超声传导介质同时作为信号传播媒介和粘结剂，从根本上减少了对原材料种类的需求，有效降低了生产成本；本发明装置同电池原本的制作工艺相匹配，较大程度上优化了产品结构，可最大限度利用现有的电池工业制造线进行生产和组装，提高了产线的机械化、自动化水平，最终提到了检测软包电池组的效率。

附图说明

图1是本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成装置立体分解示意图；

图2是本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成装置分解爆炸示意图；

图3本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态功能的集成装置侧视图；

图4本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态功能的集成装置单元结构整体图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、9、12分别为第一带槽铝片、第二带槽铝片、第三带槽铝片

2、4、6、8、10分别为第一电芯、第二电芯、第三电芯、第四电芯、第五电芯

3、7、14分别为第一换能片、第二换能片、第三换能片

5、11、13分别为第一无槽铝片、第二无槽铝片、第三无槽铝片

17、19分别为电池的第一、第二正极耳

18、20分别为电池的第一、第二负极耳

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明公开了一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态功能的集成装置，该集成装置包括超声信号收发组件(超声信号收发组件包括换能片)、带槽铝片和无槽铝片。待测试电池组的极耳由开放端口处伸出，以供与外部设备相连，构成软包电池组的每个电芯之间以无槽铝片分隔开，构成软包电池组的每个电芯与无槽铝片之间填入粘结剂(粘结剂也可作为信号传导介质，信号传导介质为具有良好的导热性、阻燃性、粘稠度和声抗随温度变化较小的导热硅胶，其可以将同时作为信号屏蔽层和散热片的带槽铝片与软包电池组紧密粘结在一起)，软包电池组的两个侧面贴合安装有带槽铝片，所述带槽铝片的相对两内侧面均开设有安置换能片和信号线的圆形和条形凹槽，所述换能片的信号接收面通过导电胶粘贴在圆形凹槽中，信号发射面紧贴在所述待测电池组的侧面。上述检测软包电池组的集成装置不仅结构简单，便于工业化流水线生产，而且所述集成装置中的各组件拆卸方便快捷，有利于故障排查并进行零部件更换；其次，所述无槽铝片和带槽铝片也作为散热片使用，散热片既可作为换能片的承载体，又能起到屏蔽信号干扰的作用，大大缩减了集成装置的体积，有利于小型化和轻量化设计；再次，整个实时检测的过程中，对外界因素的抗干扰能力强，信号发射/接收稳定，数据检测精确可靠。

为了更详细的说明本发明集成装置、集成系统以及方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明。

图1是本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成装置立体分解示意图；图2是本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成装置分解爆炸示意图；图3本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态功能的集成装置侧视图；图4本发明实施例中一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态功能的集成装置单元结构整体图。

结合以上四幅不同角度和形式的附图可知，本实施例中整个集成装置包覆在由第一电芯2、第二电芯4、第三电芯6、第四电芯8、第五电芯10组成的软包电池组，其中设置有第一换能片3、第二换能片7、第三换能片14，第一换能片3、第二换能片7、第三换能片14分别设置在第一带槽铝片1、第二带槽铝片9、第三带槽铝片12的圆形凹槽内，第一无槽铝片5、第二无槽铝片11、第三无槽铝片13分别设置在软包电芯组的第一电芯2和第二电芯4之间、第三电芯6和第四电芯8之间、第四电芯8和第五电芯10之间，第二带槽铝片9设置在第二电芯4和第三电芯6之间。

其中的一个部分依次按照第一带槽铝片1-第一电芯2-第一无槽铝片5-第二电芯4-第二带槽铝片9的顺序堆叠排列，其中的另一个部分按照第二带槽铝片9-第三电芯6-第二无槽铝片11-第四电芯8-第三无槽铝片13-第五电芯10-第三带槽铝片12的顺序依次叠加而成。

具体的，第一换能片3、第二换能片7分别嵌于第一带槽铝片1、第二带槽铝片9中。其中，软包电芯的型号是聚合物锂电池YJ90133200(3.7V/25000mAh)；带槽/无槽铝片的尺寸均为25cm*20cm*0.12cm(长*宽*高)；圆形槽直径3cm，深度0.1cm；线形槽长度18.8cm，宽0.6cm；换能片直径2.8cm，厚度0.1cm。

换能片为频率在100kHz～20MHz的薄片状压电换能片，信号线与换能片的两极相连，并分别从换能片的两个侧面引出，进一步再从电芯组上与极耳相对的一侧引出至外界，带槽铝片上圆形凹槽距电芯极耳端距离为整个带槽铝片长度的1/5，并且圆形凹槽位于带槽铝片宽度的中间位置，带槽铝片具有抗磁信号干扰和促进散热的功能，无槽铝片尺寸大小与带槽铝片相一致，换能片的信号接收面通过导电胶粘结在带槽铝片上的圆形凹槽中，换能片的信号发射面紧贴在待测电芯组的侧壁，在带槽铝片和电芯组侧壁处也填充有信号传导介质，能用于将带槽铝片与软包电池组紧密粘结在一起。

在本发明的一个实施例中，所述集成装置为被密封包裹成长方体结构。待测电池组中软包电芯之间的信号传导介质为混合硅橡胶或双面带有背胶的导热硅胶片的任一种。换能片的两极接线口均设置在换能片的侧端。信号线一端与换能片焊接，另一端设置有与外部设备相连的标准化接口。可以将待封装软包电池组封装成整体，封装后能刚好将软包电池组、超声信号收发系统和带槽/无槽铝片等包裹在内。

在实际工程实践中，待测试电池组的极耳由开放的一侧端口处伸出，以供与外部设备相连，每个电芯与无槽铝片之间填入导热硅胶充当超声信号传导介质，带槽铝片的相对两内侧面设置有供换能片和信号线嵌入的圆形和线形凹槽，换能片的信号接收面通过导电胶粘结在铝片上的圆形槽中，信号发射面紧贴在待测电池组的侧壁。铝片(包括带槽铝片和无槽铝片)兼具散热和信号屏蔽功能，带槽铝片的圆形凹槽中心设置在距离电芯敞口端1/5位置，信号线的线槽与之相通，并从与电池组极耳相对的一端面中引出。一方面，超声信号穿过待测电池组时，可对由问题电芯造成的衰减信号进行强度累加，进一步提高了该装置对电池组安全性预警方面的敏感度；另一方面，该装置对电池组中不同模块进行检测，可为电池组的梯次利用提供快速筛检手段。

本发明还提供一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成系统，其包括如上所述的集成装置，超声信号收发单元、电池测试仪、任意函数波形发生器和示波器，其中，超声信号收发单元同时与所述任意函数波形发生器和示波器相连，待检测的电池组的极耳与电池测试仪相连，任意函数波形发生器与一侧换能片相连，示波器与另一侧换能片相连。

本发明还提供一种集成装置与待检测的软包电池组组装方法，其包括如下步骤：

首先，将换能片镶嵌在带槽铝片的预留圆形凹槽中，具体地，先将信号线焊接在换能片侧面的两极上，接着利用导电胶将换能片的信号接收面粘贴在带槽铝片的圆形凹槽中；

然后，将安装有换能片的带槽铝片、电芯组按照设定的顺序叠放，形成中间半成品，其中，电芯组中每两个电芯之间以无槽铝片隔开；

接着，在换能片的信号发射面涂覆超声传导介质，将嵌有换能片的带槽铝片紧压在中间半成品的两侧，保证带槽铝片与换能片的外侧面接触，同时信号线压入带槽铝片预留的条形槽中；

最后，在各电芯与无槽铝片之间注入信号传导介质并均匀用力压紧。

在本发明的又一个实施例中，该方法可以如下所述：

先将信号线焊接在第一换能片3、第二换能片7、第三换能片14的两极上，再利用环氧银膏将其信号接收面粘贴在第一带槽铝片1、第二带槽铝片9、第三带槽铝片12的圆形凹槽中，同时将信号线压入带槽铝片预留的线形槽中；

然后涂覆适量道康宁胶180在第一无槽铝片5、第二无槽铝片11、第三无槽铝片13两侧壁四周，将第一电芯2、第二电芯4、第三电芯6、第四电芯8、第五电芯10分组压在第一无槽铝片5、第二无槽铝片11、第三无槽铝片13两侧，注意保证无槽铝片与电芯四周对齐，线形凹槽的朝向与电芯极耳的朝向相反；

再涂覆适量道康宁胶180在嵌有第一换能片3、第二换能片7、第三换能片14的第一带槽铝片1、第二带槽铝片9、第三带槽铝片12内侧四周上，其中夹放在两电芯中间的第二带槽铝片9的两侧四周均涂上适量道康宁胶180，并将第一带槽铝片1、第二带槽铝片9、第三带槽铝片12分别压在已分组的软包电芯两侧，注意保证带槽铝片与电芯四周对齐；

最后，为保证密封强度，电芯的第一正极耳17、第二正极耳19、第一负极耳18、第二负极耳20、第一换能片3、第二换能片7、第三换能片14上的信号线伸出处加入少量热塑胶帮助密封，随后密封包装，留下2mm的密封压边。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置，其特征在于，该集成装置包套待检测的电芯组，待检测的电芯组包括多个尺寸一致且相互平行的软包电芯，电芯组的极耳伸出至外界以与外界设备相连，

集成装置包括换能片、带槽铝片、无槽铝片以及信号线，

每两个软包电芯之间均设置有无槽铝片，无槽铝片平整光洁，每个软包电芯与无槽铝片之间均填入信号传导介质，

换能片嵌装在有槽铝片中，有槽铝片贴合固定在整个软包电芯组的相对两侧面，换能片为频率在100kHz～20MHz的薄片状压电换能片，

信号线与换能片的两极相连，并分别从换能片的两个侧面引出，进一步再从电芯组上与极耳相对的一侧引出至外界，

带槽铝片尺寸大小与电芯一致，带槽铝片相对两内侧面设置有容置换能片的圆形凹槽和供信号线引出的条形凹槽，所述圆形凹槽距电芯极耳端距离为整个带槽铝片长度的1/5，并且圆形凹槽位于带槽铝片宽度的中间位置，带槽铝片同时具有抗磁信号干扰和促进散热的功能，

无槽铝片尺寸大小与带槽铝片相一致，

换能片的信号接收面通过导电胶粘结在带槽铝片上的圆形凹槽中，换能片的信号发射面紧贴在待测电芯组的侧壁，在带槽铝片和电芯组侧壁处也填充有信号传导介质，以将带槽铝片与软包电芯组紧密粘结在一起。

2.如权利要求1所述的一种检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置，其特征在于，所述信号传导介质为导热硅胶、混合硅橡胶或者双面带有背胶的导热硅胶片。

3.如权利要求2所述的一种检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置，其特征在于，信号线一端与换能片焊接相连，另一端设置有与外部设备相连的标准化接口中。

4.如权利要求3所述的一种检测电池组荷电状态和健康状态的集成装置，其特征在于，所述换能片两极处设置有两极接线口，两极接线口均设置在换能片的侧面处。

5.一种具有实时检测软包电池组荷电状态和健康状态的集成系统，其特征在于，其包括如权利要求1-4之一所述的集成装置，超声信号收发单元、电池测试仪、任意函数波形发生器和示波器，其中，

超声信号收发组件同时与所述任意函数波形发生器和示波器相连，待检测的电池组极耳与电池测试仪相连，任意函数波形发生器与带槽铝片的一侧换能片相连，示波器与带槽铝片的另一侧换能片相连。

6.一种集成装置与待检测的软包电池组组装方法，其特征在于，其包括如下步骤：

首先，将换能片镶嵌在带槽铝片的预留圆形凹槽中，具体地，先将信号线焊接在换能片侧面的两极上，接着利用导电胶将换能片的信号接收面粘贴在带槽铝片的圆形凹槽中；

然后，将安装有换能片的带槽铝片、电芯组按照设定的顺序叠放，形成中间半成品，其中，电芯组中每两个电芯之间以无槽铝片隔开；

接着，在换能片的信号发射面涂覆超声传导介质，将嵌有换能片的带槽铝片紧压在中间半成品的两侧，保证带槽铝片与换能片的外侧面接触，同时信号线压入带槽铝片预留的条形槽中；

最后，在各软包电芯与无槽铝片之间注入信号传导介质并均匀用力压紧。