CN108963356A - 一种获取锂离子电池内部状态分布的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取锂离子电池内部状态分布的装置及方法，属于锂离子电池检测领域，其包括超声探测单元、扫查单元和框架辅助单元，超声探测单元、扫查单元均设置在辅助框架单元上，辅助框架单元包括恒温槽和支撑架，支撑架用于为超声探测单元、扫查单元提供安装和支撑场所，超声探测单元包括液浸式超声探头，扫查单元实现超声探测单元和待检测锂离子电池相对移动。还提供了如上装置的检测方法。本发明装置和方法在不破坏电池结构、影响电池原有性能的前提下，对电池的内部状态分布做出检测，获取锂离子电池内部状态分布。

Description

一种获取锂离子电池内部状态分布的装置及其方法

技术领域

本发明属于锂离子电池检测领域，更具体地，涉及一种获取锂离子电池内部状态分布的装置及其方法。

背景技术

锂离子电池是一种重要的二次电池，具有高电压平台、高储存能量密度、相对较长的寿命、较高的输出功率以及无记忆效应等优点，现已成为各类先进便携式电子产品的主要配套电源，在电动汽车、储能电站等领域也具有绝对的优势。

随着需求的发展，锂离子电池的单体容量越做越大，体积也不断增加。随着电池体积的增加，电池内部活性材料，电解液分布不均的问题变的重要起来。这种电池内部的不一致性会造成电池充放电过程中内部电量、温度分布的不一致，从而导致电池内部各部分老化速度不同，而不同的老化速度进一步加剧了这种不一致性，最终导致电池的使用寿命缩减、性能下降甚至导致电池局部的过充过放过热等危险情况的发生。

目前传统的电池测试手段为电流电压法，通过对电池进行充放电并记录其电学参数的变化，由此推断电池的性能。这种手段仅能得到电池整体性能的好坏，并不能获得电池内部一致性的好坏。目前尚未有任何一种设备或是技术能够在不破坏电池的情况下，获取电池内部状态的分布情况，对电池的内部情况做一个综合的评判分析。

因此，需要开发一种新型的装置或者方法能获取锂离子电池内部状态分布，以便更好的快速评判电池好坏，并对电池的开发设计提供数据支持。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种获取锂离子电池内部状态分布的装置及其方法，其目的在于，提供一种全新的装置以及检测方法，在不破坏电池结构、影响电池原有性能的前提下，对电池的内部状态分布做出检测，获取锂离子电池内部状态分布。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种获取锂离子电池内部状态分布的装置，其包括超声探测单元、扫查单元、电性能测试单元以及辅助框架单元，其中，

超声探测单元和扫查单元均设置在框架辅助单元上，

所述框架辅助单元包括恒温槽和支撑架，恒温槽用于为待检测锂离子电池提供测试场所，还用于为超声探测单元提供所需的耦合环境，支撑架用于为超声探测单元、扫查单元提供安装和支撑场所，

所述超声探测单元包括至少两对不同频率的液浸式超声探头，所述液浸式超声探头用于在耦合环境中对待检测锂离子电池执行超声检测，所述液浸式超声探头中至少有一对的频率在1.5MHz到10MHz之间，至少有一对的频率在0.1MHz到1.5MHz之间。这样设计的原因在于：频率在1.5MHz到10MHz的超声信号对锂离子电池负极析锂现象的响应非常灵敏，经分析，是因为析出的新鲜锂表面会与电解液反应产生微量的气体，会反射该频率范围的超声波；频率在0.1MHz到1.5MHz的超声信号对析锂现象不敏感，经分析，是因为声波的波长较长，可以通过衍射绕过微小的析锂气泡，但该频率的超声波对电池过热、过充的产气现象以及生产过程中的注液缺陷比较敏感，这是因为电池过热、过充、注液缺陷导致的气泡较大，使0.1MHz到1.5MHz的超声波难以穿透。不同频率的超声探头可以检测不同的电池内部变化。

所述扫查单元用于实现超声探测单元和待检测锂离子电池相对移动，以实现对待检测锂离子电池全体积上的检测，

所述电性能测试单元通过对待检测锂离子电池进行恒流/恒压充放电并获取电池的电压电流信息，以作为电池内部状态评估的辅助信息。

进一步的，所述超声探测单元还包括超声信号发射接收组件以及高频信号线，液浸式超声探头通过高频信号线与超声信号发射接收组件相连，所述液浸式超声探头成对出现，一对液浸式超声探头中的一个液浸式超声探头在超声信号发射接收组件控制下发射出的超声信号脉冲，另一个液浸式的超声探头用于接收从待检测锂离子电池中射出的携带有检测信息的超声脉冲信号，超声信号发射接收组件还用于对接收到的携带有检测信息的超声脉冲信号进行转换、量化以及记录。

进一步的，所述扫查单元包括两直线滑动模组和探头固定架，两直线滑动模组相互垂直设置，并位于y-z平面上，每个直线滑动模组均包括一个滑轨和设置在滑轨上的滑块，滑块能沿滑轨相对滑动，探头固定架设置在滑块上，以能随滑动移动，液浸式超声探头设置在探头固定架上。

进一步的，所述液浸式探头具有多对，多对液浸式探头设置在探头固定架上，位于待测电池两侧，相向布置，探头固定架上能固定多对液浸式探头，探头固定架的一端与滑块相固定，另一端伸入恒温槽的耦合液中，通过移动液浸式探头或待检测电池以实现对电池各部分进行探测，从而能得出电池内各处的状态信息。

进一步的，所述框架辅助单元还包括保温层、冷却模块和加热模块，所述保温层包套在恒温槽外壁，以用于保温，所述冷却模块和所述加热模块设置在恒温槽处，使用时，通过控制冷却模块与加热模块的运行状态来控制槽内耦合液的温度。

按照本发明的另一方面，提供了一种如上所述装置的检测方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤一：在探头固定架上安装液浸式超声探头，将待测电池固定于恒温槽内并灌入用于传导超声信号的液体；

步骤二：控制恒温槽的冷却模块和加热模块，将恒温槽内液体加热或者冷却至设定温度；

步骤三：控制超声信号发射接收组件，由电池一侧的液浸式超声探头发出超声信号脉冲，超声信号脉冲穿透并射出待检测电池外，由电池另一侧的液浸式超声探头接收携带有检测信号的超声脉冲信号；

步骤四：控制直线滑动模组带动液浸式超声探头对移动，对电池执行下一步扫描，同时执行步骤三的工作；

步骤五：控制电性能测试单元对待测电池进行检测所需的充放电，同时进行步骤四；

步骤六：汇总测试数据，对数据进行处理，通过对扫描时穿过电池后的超声能量值，或者超声信号的到达时间值按比例映射至hsv色彩空间，从而得到超声信号伪色图。通过频率较低的探头得到的伪色图，对电池过热、过充所产气体产气以及生产过程中的注液缺陷进行检测分析；通过频率较高的探头得到的伪色图对锂离子电池负极析锂现象进行检测分析。

进一步的，以一种频率的检测结果作为参考基准，对多种频率下的测试结果进行联动计算，从而得出电池各个不同状态参数的分布图像。例如计算多个频率的探头的能量值的算术平方根，乘以50％后作为阈值，低频探头所得图像中，能量小于阈值且面积大于电池面积3％的区域为电池化成过程中的残留气泡区从而得到电池化成残留气泡图；高频探头图像中，低频探头未显示的能量小于阈值且面积大于电池面积2％的区域为析锂区，从而得到电池的析锂分布图。

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：

通过本发明所公布的装置及方法，可以很容易的在不损害电池的情况下实现对电池内部电解液、活性物质、析锂、电池电量、电池健康状态等状态的检测并对电池质量做出评判。

附图说明

图1是本发明实施例中获取锂离子电池内部状态分布的装置的第一视图；

图2是本发明实施例中获取锂离子电池内部状态分布的装置的侧视图；

图3是本发明实施例中获取锂离子电池内部状态分布的装置的第二视图。

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。

本发明提供了一种获取锂离子电池内部状态分布的装置及其方法，其中，获取锂离子电池内部状态分布的装置由超声探测单元、扫查单元、电性能测试单元、辅助框架单元四个部分组成。

具体的，超声探测单元由多对液浸式超声探头、超声信号发射接收装置以及高频信号线组成，液浸式超声探头通过信号线与超声发射接收装置相连。多对超声探头相向固定在分布于待测电池两侧的探头架上，可随探头固定架一同运动，通过对其频率和焦距进行优化，具有比空耦探头或是传统直探头更高的扫描精度与准确性。超声信号发射接收装置产生与所用探头相匹配的脉冲信号来为一侧的探头提供信号源，而通过另一侧的探头接收穿过电池后的超声信号。

扫查单元由两直线滑动模组、探头固定架构成，两直线滑动模组相互垂直布置，探头固定架一端同模组滑块相连另一端伸入到恒温箱的超声耦合液中。直线滑动模组带着探头固定架在y-z轴平面上运动，通过移动探头或电池达到对电池各部分进行探测的目的。

电性能测试单元主体为电池充放电测试仪，可在对待测电池进行恒流/恒压充放电并获取这样过程中电池的电压电流信息，作为电池状态判断的辅助依据。

辅助框架单元由恒温槽以及相关支持架组成，负责为超声探测提供所需的稳定的耦合环境，并固定机械装置与待测电池、保证机械装置的平稳运行。恒温槽包含水槽、保温层、冷却模块与加热模块多个部件。保温层包裹在水槽外侧，水槽内装有超声耦合液，通过控制冷却模块与加热模块的运行来控制槽内耦合液温度。

为了更详细的说明本发明装置，下面结合附图进一步说明。

图1是本发明实施例中获取锂离子电池内部状态分布的装置的第一视图；图2是本发明实施例中获取锂离子电池内部状态分布的装置的侧视图；图3是本发明实施例中获取锂离子电池内部状态分布的装置的第二视图。由图可知，获取锂离子电池内部状态分布的装置包括超声探测单元、扫查单元、电性能测试单元以及辅助框架单元，其中，1为控温系统，2为设备框架，3为电池充放电单元，4为温控箱，5为探头固定架，6为超声信号发射接收单元，7为水平移动模组，8为垂直移动模组，9为换热片，10为液浸式超声探头，11为待测电池。

其中，超声探测单元包括超声信号发射接收单元6和液浸式超声探头10，扫查单元包括探头固定架5、水平移动模组7和垂直移动模组8，电性能测试单元主体为电池充放电测试仪，辅助框架单元包括控温系统1、设备框架2、温控箱4和换热片9，温控系统1和温控箱4放置于设备框架2的底座上，温控箱内含换热片9，温控系统1同换热片9相连，通过加热或冷却换热片9来达到控制温控箱4(温控箱也相当于恒温槽)内温度的目的。电池充放电单元3置于为控温系统上方，通过充放电导线和待测电池11相连，在测试过程中执行对待测电池11的充放电步骤。

垂直移动模组8竖直固定在设备框架2上，水平移动模组7水平固定在垂直移动模组8的滑块上同垂直模组成90度。探头固定架5竖直向下安装在水平移动模7的滑块上。垂直移动模组8的滑块能带动水平移动模7连同模组上的物体整体上下运动，水平移动模7的滑块能带动滑块上的探头架左右运动。

超声信号发射接收系统6安装在设备框架2的后方，由同轴信号线与探头固定架5上安装的一对探头相连。

获取锂离子电池内部状态分布的方法包括静置状态下电池的测试方法和模拟工况下电池的测试方法：

静置状态下电池的测试方法：

一、在探头架上安装频率分别为1.0MHz和5.0MHz的两对超声探头。将待测电池(本实施例中为双登25Ah三元电池)固定于恒温槽内，灌入道康宁PMX200 50cs甲基硅油作为超声耦合剂。

二、设定恒温槽的温度，将槽内液体加热至25℃。

三、由超声信号发射接收装置发射同探头匹配的超声信号并接收。同时由通过控制水平移动模组和垂直移动模组上滑块的运动来移动探头对电池进行整体的扫描。

四、步骤三中取得了电池不同部位的超声信息，对数据进行处理，通过对扫描时电池各点处的超声信号能量进行积分，得到穿过电池后的超声总能量，将最低能量到最高能量按比例映射至hsv色彩空间中的0h到120h间，从而对电池各部分上色作图。

五、进一步的，以一种频率的检测结果图作为参考基准，对多种频率下的测试结果进行联动计算，从而得出电池各个不同状态参数的分布图像。例如，使用高低频探头所得信号图作商，作为相关特征值，以此反映电池内部电解液分布均匀性。例如计算多个频率的探头的能量值的算术平方根，乘以50％后作为阈值，低频探头所得图像中，能量小于阈值且面积大于电池面积3％的区域为电池化成过程中的残留气泡区从而得到电池化成残留气泡图；高频探头图像中，低频探头未显示的能量小于阈值且面积大于电池面积2％的区域为析锂区，从而得到电池的析锂分布图。综合计算内部电解液分布图、残余气泡图以及析锂分布图，得到电池健康状态等状态分布图，为静置条件下电池好坏的判定以及开发研究提供依据。

模拟工况下电池的测试方法：

一、在探头固定架上安装频率分别为0.5MHz和2.0MHz的两对超声探头。将待测电池(本实施例中为双登25Ah三元电池)固定于恒温槽内，灌入道康宁PMX200 50cs甲基硅油作为超声耦合剂。

二、由超声信号发射接收组件发射同探头匹配的超声信号并接收。同时通过控制水平移动模组和垂直移动模组上滑块的运动来移动探头对电池进行整体的扫描。

三：进行步骤二的同时对电池进行0.5C的充放电。通过将电池不同荷电状态下不同部位的超声信号信息的能量大小同预先实验得到的不同SOC下的标定曲线作对比，得到充电过程中电池内部SOC分布图。

四：进一步的，通过对扫描时电池各点处的超声信号能量进行积分，得到穿过电池后的超声总能量，将最低能量到最高能量按比例映射至hsv色彩空间，从而对电池各部分上色作图。以一种频率的检测结果作为参考基准，对多种频率下的测试结果进行计算。得出电解液、活性物质、析锂、电池电量、电池健康状态等状态分布图，结合电池充放电信息，从而评估电池实际充放电过程中内部的动态一致性。

五：进一步的，改变步骤二中的设定温度，将温度降低为0℃，再次进行步骤三，通过记录电池各点超声信号的变化情况，结合充放电信息，得到低温下电池充放电时内部损失分布图，从而评估电池的低温性能。

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 (8)

1.一种获取锂离子电池内部状态分布的装置，其特征在于，其包括超声探测单元、扫查单元以及框架辅助单元，其中，

超声探测单元和扫查单元设置在框架辅助单元上，

所述框架辅助单元包括恒温槽和支撑架，恒温槽用于为待检测锂离子电池提供测试场所，其中装有液体，支撑架用于为超声探测单元和扫查单元提供安装和支撑场所，

所述超声探测单元包括至少两对不同频率的液浸式超声探头，所述液浸式超声探头用于在耦合环境中对待检测锂离子电池执行超声检测，所述液浸式超声探头中至少有一对的频率在1.5MHz到10MHz之间，至少有一对的频率在0.2MHz到1.5MHz之间，

所述扫查单元用于实现超声探测单元和待检测锂离子电池相对移动，以实现对待检测锂离子电池全体积上的检测。

2.如权利要求1所述的一种获取锂离子电池内部状态分布的装置，其特征在于，还包括电性能测试单元，所述电性能测试单元用于对待检测锂离子电池进行充放电，并记录电池的电压电流信息，从而获得不同充放电状态下电池的内部状态。

3.如权利要求2所述的一种获取锂离子电池内部状态分布的装置，其特征在于，所述超声探测单元还包括超声信号发射接收组件以及高频信号线，液浸式超声探头通过高频信号线与超声信号发射接收组件相连，所述液浸式超声探头成对出现，一对液浸式超声探头中的一个液浸式超声探头用于在超声信号发射接收组件控制下发射出超声信号脉冲，另一个液浸式的超声探头用于接收从待检测锂离子电池中穿过的携带有检测信息的超声脉冲信号，超声信号发射接收组件还用于对接收到的携带有检测信号的超声脉冲信号进行转换、量化以及记录。

4.如权利要求3所述的一种获取锂离子电池内部状态分布的装置，其特征在于，所述扫查单元包括两直线滑动模组和探头固定架，两直线滑动模组相互垂直设置，并位于y-z平面上，每个直线滑动模组均包括一个滑轨和设置在滑轨上的滑块，滑块能沿滑轨相对滑动，探头固定架设置在滑块上，以能随滑动移动，液浸式超声探头设置在探头固定架上。

5.如权利要求4所述的一种获取锂离子电池内部状态分布的装置，其特征在于，所述液浸式探头具有多对，多对液浸式探头设置在探头固定架上，位于待测电池两侧，相对布置，探头固定架上能固定多对液浸式探头，探头固定架的一端与滑块相固定，另一端伸入恒温槽的耦合液中，

通过移动液浸式探头或待检测电池以实现对电池各部分进行探测，从而能得出电池内各处的状态信息。

6.如权利要求5所述的一种获取锂离子电池内部状态分布的装置，其特征在于，所述框架辅助单元还包括保温层、冷却模块和加热模块，所述保温层包套在恒温槽外壁，以用于保温，所述冷却模块和所述加热模块设置在恒温槽处，使用时，通过控制冷却模块与加热模块的运行状态来控制槽内液体的温度。

7.如权利要求1-6之一所述装置的检测方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤一：在探头固定架上安装多对不同频率的液浸式超声探头，将待测电池固定于恒温槽内并灌入用于传导超声信号的液体；

步骤二：控制恒温槽中的冷却模块和加热模块，将恒温槽内液体加热或者冷却至设定温度；

步骤三：控制超声信号发射接收组件，由电池一侧的液浸式超声探头发出超声信号脉冲，超声信号脉冲穿过检测电池，由电池另一侧的液浸式超声探头接收携带有检测信息的超声脉冲信号；

步骤四：控制直线滑动模组带动液浸式超声探头对移动，对电池执行下一步扫描，同时执行步骤三的工作；

步骤五：控制电性能测试单元对待测电池进行检测所需的充放电，同时进行步骤四；

步骤六：汇总测试数据，对数据进行处理，通过不同频率的探头来对锂离子电池内部不同状态进行检测和评估。

8.如权利要求7所述的检测方法，其特征在于，步骤七具体为，以一种频率的检测结果作为参考基准，对另一种或多种频率下的测试结果进行计算，结合电池充放电信息得出电解液、活性物质、析锂、电池电量、电池健康状态的状态分布图。