CN110474086A - 方便进行声学检测的电池组、其制备方法和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方便进行声学检测的电池组、其制备方法和检测方法，属于锂离子电池领域，该电池组为方形硬壳锂离子电池，在外壳和电池组侧壁面间设置有负载着超声耦合介质的载体，以形成超声耦合介质构建的声波传导通路，该声波传导通路平行于电池组的内部电芯所包含的电极片方向，从而方便对电池组进行声透射信号或者声反射信号的探测。本发明还提供了电池组的制备方法和检测方法。本发明在电池组中巧妙引入负载有超声耦合介质的载体，方便进行声学检测。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，更具体地，涉及一种方便进行声学检测的电池组、其制备方法和检测方法。
背景技术
电池被广泛应用于日常生活的各个领域，电池技术的应用与发展直接推动着社会的进步与人民生活水平的提高。然而受材料与技术的限制，单体电池的容量与电压有限，人们将电池通过串/并连的方式连接起来形成了电池组来为满足较大规模的电能储能的需求，应用于电动汽车、储能电站等场合。
为了保证电池组平稳安全的运行，也为了给电池组的工作提供适合的环境，人们在此之上开发了电池管理系统，对电池组内部电池的充放电过程进行统一的控制，避免电池过充、过放、过热，同时对电池的健康状态进行监控实现电池故障的预警。
对于电池管理系统而言，准确预测电池荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)是其最为重要的功能。SOC和SOH是电池组进行电池管理的核心依据，在锂电池的全生命周期内，SOC/SOH估算的误差大小不但直接影响锂电池组的使用性能以及使用寿命，SOC/SOH的误判甚至会引起严重的安全事故。
然而SOC与SOH的预测同时也是电池管理系统最大的难点，这是由于传统预测算法均是基于电池电压电流的监测，电池电压同电池SOC/SOH间的关系为一个复杂的非线性关系，且受温度与电流影响极大，此外电池充放电过程存在较为平坦的“平台区”，也严重影响了基于电压电流的预测精度。
当前有一种基于超声的最新的SOC/SOH预测技术(ZL 201611037786.X)，利用超声波的传播特性，从物理上揭示了电池内部结构变化，如果应用于电池管理系统中，能极大提升电池管理系统对电池SOC、SOH的预测精度。
上述专利所述的超声技术需要将超声换能器布置于电池前后表面，使超声信检测信号垂直于电池穿过。然而电池组作为一个高度集成化的系统，对重量与体积都有严格的限制，电池组内部往往并没有足够的空间置入超声检测技术所必须的超声换能器，也同电池组原有的成组工艺严重冲突。
因此，现有的超声监测技术无法应用于实际电池管理系统中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种方便进行声学检测的电池组、其制备方法和检测方法，其目的在于，在电池组上巧妙引入负载有超声耦合介质的载体，方便进行超声或者声学检测，而且不改变现有电池的成组工艺，在工程实际上具有较大的应用意义。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种方便进行超声检测的电池组，该电池组为方形硬壳锂离子电池，在外壳和电池组侧壁面间设置有负载着超声耦合介质的载体，以形成超声耦合介质构建的声波传导通路，该声波传导通路平行于电池组内部电芯所包含的电极片方向，从而方便对电池组进行声透射信号或者声反射信号的探测。
其中，“方形硬壳锂离子电池”是一个专业名词，方形硬壳锂离子电池具有长方形的外形，内部具有多层电极片结构，电极片所在平面与长方形外壳最短的边垂直。
进一步的，负载着超声耦合介质的载体为海绵。海绵价格便宜，易于获取，便于加工，负载超声耦合介质的能力较好。
进一步的，负载有超声耦合介质的海绵贴合在电池组外壳内壁上。
进一步的，所述超声耦合介质为硅油或者康宁公司的sylgard 184两组分硅胶预聚物。其中，康宁公司的sylgard 184两组分硅胶预聚物为热固定型两组分硅胶，相互混合后能够聚合成固体。
进一步的，所述海绵为条带状，其宽度为1cm～3cm，条带的长度方向垂直于电池组内部电芯所包含的电极片方向，条带状海绵长度覆盖所有电池组中的单电池。或者所述海绵呈圆片状，圆片状的海绵垂直于电池组的内部电芯所包含的电极片方向呈串状排列，以保证每个单电池上具有海绵构建的超声声波传导通道。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种制备如上所述的方便进行超声检测的电池组的方法，先在外壳内壁上设置用于负载着超声耦合介质的载体，再将超声耦合介质浸润在载体上，最后再在外壳内安装电池组。
按照本发明的第三个方面，还提供一种检测如上所述的方便进行超声检测的电池组的方法，首先，在电池组外壳的外壁贴装圆片状超声换能片，超声换能片为压电陶瓷材料构成，兼具超声波发射与接收功能，贴装位置对准负载着超声耦合介质的载体的区域，然后，进行超声信号发射与接收，采集数据，并对数据进行分析获得超声检测结果；或者
首先，在电池组的外壳的外壁上贴装动铁声音发射元件和驻极体声音接收元件，贴装位置对准负载着超声耦合介质的载体的区域，然后，进行声信号发射与接收，采集数据，并对数据进行分析获得声学特性检测；或者
仅仅在电池组进行检修的时候，采用外置的超声探测器对准负载着超声耦合介质的载体区域，对电池组进行扫描分析。即，电池组本身的外壳并没有贴装超声发射与接收元件，平时使用中也并不对电池进行适时监测，但电池组内部的声传播通路依然存在，在电池组进行检修的时候，用外置的超声探测器对电池组进行扫描分析，做到随时需要检测，随时检测，极为方便，在实际工程中，因其便利性非常受欢迎。
以上发明构思中，一共提供了三种可能的检测方式，其在工程应用上均是可行的。选择动铁作为声音发射元件的原因在于，其体积小，驱动电流小。选择驻极体声音接收元件是因为其体积小，灵敏度高。采用这些元器件主要进行声学特性检测。
进一步的，计算超声波透过单体电池后所得信号复包络线的复数域绝对值在信号持续时间内的时域积分值，将该时域积分值作为电池的超声特性的特征值，利用实验所得的此特征值同电池状态的关系，对电池状态进行判断，获得声学检测结果。
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：
本发明中，电池组侧面加入吸取了超声耦合介质的海绵层，相较于在紧密排列的电池组正面插入探头，对现有电池成组结构的改变较为微小，当前绝大部分的电池组均能不改变设计结构的情况下加入此海绵层。而吸取了超声耦合介质的载体(海绵层)帮助在电池侧面与电池组外壳间构筑起了超声通路，使得超声换能器能够移至电池组外部，轻易的从外部获取电池侧面超声透射信息。根据研究结果，电池侧面穿透的超声信号经过处理后，能获得较为合理的结果，帮助电池管理系统更加准确的对电池SOC/SOH做出预测。
附图说明
图1a、图1b和图1c分别为带条形海绵垫的电池组结构的斜视图、俯视图和正视图；
图2a、图2b和图2c分别为带圆形海绵垫的电池组结构的斜视图、俯视图和正视图；
图3是本发明实施例中超声换能器布置位置与声路图；
图4是本发明实施例中侧面透射的超声信号波形图；
图5是本发明一个实施例中得到的超声信号特征值Kn同电池电量的关系曲线图。
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。
本发明针对现有的超声监测技术无法应用于实际电池管理系统中的问题，设计了一种方便进行超声检测的电池组，在不大幅改变现有电池成组工艺的同时，将超声监测系统应用于电池组内电池状态的监测，利用带有海绵层的电池组设计结构，在方形硬壳电池侧面同电池组外壳之间加入吸附了超声耦合介质的海绵层，该海绵层浸润有液态或固态的超声耦合介质，使得超声波可以从电池组外壳之外传导至电池内部，从而使超声换能器无需置于电池组外壳的内部。
本发明中的电池组为方形硬壳锂离子电池，在外壳和电池组侧壁面间设置有负载着超声耦合介质的载体，以形成超声耦合介质构建的声波传导通路，该声波传导通路平行于电池组内部电芯所包含的电极片方向，从而方便对电池组进行声透射信号或者声反射信号的探测。
具体的，本发明的方形硬壳锂离子电池中具有海绵层，海绵层位于电池组外壳内壁和电池中间，海绵层在电池组内放入电池之前被液体浸润，在电池组外壳与电池之间构建声波传导通道。海绵本身具有弹性，所浸润的超声耦合介质可以很好地贴合在单体电池表面。海绵层的多孔结构可以将液体定域在需要超声波传导的区域。海绵层在电池组内放入电池之前，贴在电池组外壳内壁。
本发明中限定的超声耦合介质体可以进一步聚合，例如使用道康宁184胶的预聚体作为超声耦合介质体时，在电池组制作完毕后，室温下放置48小时，该预聚体会自发聚合变成固体。也可以使用硅油等不易挥发且阻燃的阻燃剂作为超声耦合介质体。
本发明所述海绵层可以成有多种形状：1、呈条带状，条带宽度在1～3厘米，条带的长度方向覆盖所有电池组中的单电池。2、呈圆片状，一个电池组内部具有多个圆片状海绵层，分别与电池组内部的各个电池接触。
对本发明的电池组进行超声或者声学探测时，可在电池组外壳的外壁贴装超声换能片或安装超声探头。电池组外壳之间通常具有较大的空间，可以容纳超声换能器，从而进行实时原位的超声监测。
本发明所述的电池组也可以并没有在外壁贴超声换能器，这种情况下，电池组中电池状态的检测并不追求实时监测，而是定期通过使用外置的超声检测装置，将超声探头对准内壁具有海绵层的区域，进行超声信号发射与接收，并进行后续分析。该设计省去了超声实时监测系统，仅仅是通过海绵层浸润超声耦合介质构建声路，可能应用于电动汽车使用一段时间后电池状态的检测。
本发明对电池成组工艺的改动极小，仅仅是在电池组外壳内壁特定区域加了一层海绵，并用液体浸润，几乎不改变电池组的成组率(成组率即为，成组前单体电池的质量和/成组后电池组的质量)。而获得的效果是电池组外壳与单体电池之间的缝隙被超声耦合介质填充，使得超声波可以由电池组外以较低的衰减率直达单体电池内部的，不再需要有换能器进入电池组内部与单体电池直接接触，结构大为简化，为超声检测技术大规模应用于电池状态监测与检测铺平了道路。
为了更加详细的阐明本发明的电池组、电池组的制备方法和检测方法，下面结合具体的实施例进一步说明。
实施例1：单侧具有条带状海绵层的电池组
如说明书附图1所示的电池组结构，其中，图1a、图1b和图1c分别为带条形海绵垫的电池组结构的斜视图、俯视图和正视图，各个数字标号含义为：1为超声信号传感器、2是电池串联板、3是电池组外壳、4是单体电池、5是带超声耦合介质的条状海绵。电池组内部具有7个20AH的方形硬壳锂离子电池单体(每个单体的尺寸为：长x宽x高＝100x20x150mm)。定义x,y,z方向如图所示，x方向为电池侧向，y方向为电池厚度方向，z方向为电池高度方向。所有单体电池在y方向堆叠排列，即在y方向上数量叠加。为了达到串联的效果，电池的正、负极在x方向的指向交替变化。采用镍片串联各个电芯。电池组外壳由聚碳酸酯塑料制成，该外壳内部距离底端40mm处，粘有一条沿y方向排布的条带状海绵层，海绵层宽度为20mm，厚度为1mm，用道康宁公司184硅胶预聚物浸润。
电池放入电池组外壳后，正好略微压缩海绵，会有少量184硅胶预聚物被挤出海绵，但海绵和电池接触的区域是浸润满184硅胶预聚物的。电池放入电池组后48小时，184硅胶预聚物聚合成为固体。在电池组外壳的外侧粘贴7个共振频率为1MHz的超声换能片，换能片直径为12mm，换能片中心粘贴的位置在z方向上与海绵条带中心高度对齐，在y方向上与各个电池的中间位置对齐。换能片可以发射沿x方向传播的脉冲超声信号，并探测反射回波信号进行分析，根据回波波形判断电池组内各个单体电池是否存在鼓胀现象。
实施例2双侧具有圆片状海绵层的电池组
如说明书附图2所示，其中，图2a、图2b和图2c分别为带圆形海绵垫的电池组结构的斜视图、俯视图和正视图。电池组外壳的大小、形状以及内部电池的排列方式与实施例1相同，电池组外壳的y-z平面平行的两个壁在内侧贴有两排圆形片状海绵层阵列，每排7个海绵圆片，一共14个，圆片状海绵层的直径为16mm，厚1mm，中心在z方向上距离电池组底部60mm，在y方向上分别与7个电池的中间位置对齐。海绵层被硅油浸润，通过弹性与电池之间形成良好的接触。在电池组外壳的外侧粘贴14个共振频率为0.5MHz的超声换能片，换能片直径为12mm，小于圆片状海绵的直径。换能片可以发射沿x方向传播的脉冲超声信号，该信号可以经由被硅油浸润的海绵层，穿透电池，被另一侧相对的换能片探测到，如说明书附图3所示，图3给出了超声信号传递通道的示意图。
根据研究结果，侧面透过的超声信号波形如说明书附图4所示，由于电池为层状结构，不同层的材料不同，超声声速不同，因此经由不同材料层到达电池另一侧的超声信号到达时不同，在时间轴上相分离，表现为在很长一段时间域内都有多段超声信号被接收。电池的综合性能应由全部材料的超声信号变化体现。
根据探测到的超声透射信号，可以通过如下算法对所得超声信号进行处理：
1、利用希尔波特变换公式求出电池透射信号的希尔波特函数，以上函数中，各个参数的含义分为：π是圆周率，x(t)为时域下超声幅值随时间变化函数，τ为数学变换项；
2、对所得H[t]的虚部Im(H[t])取绝对值；
3、通过上步所得函数对整个信号在时域上的持续段T求积分没改积分为Kn，得到电池超声特征值Kn，特征值Kn的变化反映了电池内部各部分材料变化对超声信号的综合作用结果。
由实验所得的电池超声信号特征值Kn同电池电量的关系曲线如说明书附图5所示，借助此关系曲线中Kn同电池电量的关系，可以根据任意时刻电池的超声特征值Kn轻易换算出电池的SOC，实现对电池SOC的测量。
实施例3单侧具有条带状海绵层的电池组的离线检测方法
如实施例1所述的单侧内壁具有条带状海绵层的电池组，出于成本考量，其外壁并没有粘贴超声换能片。该电池组可以在离线检修时，在不打开外壳的情况下，通过手持式超声探测设备，沿条带状海绵层的方向扫过电池外壳，利用回波，分析电池组内部各个电池的状态。
本发明中还提供了一种制备如上所述的方便进行超声检测的电池组的方法，先在外壳内壁上设置用于负载着超声耦合介质的载体，再将超声耦合介质浸润在载体上，最后再在外壳内安装电池组。
本发明中提供的检测如上电池组的方法，还可以为如下的方法：
首先，在电池组的外壳的外壁上贴装动铁声音发射元件和驻极体声音接收元件，贴装位置对准负载着超声耦合介质的载体的区域，然后，进行声信号发射与接收，采集数据，并对数据进行分析获得声学特性检测。
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 (9)
1.一种方便进行超声检测的电池组，其特征在于，该电池组为方形硬壳锂离子电池，在外壳和电池组侧壁面间设置有负载着超声耦合介质的载体，以形成超声耦合介质构建的声波传导通路，该声波传导通路平行于电池组内部电芯所包含的电极片方向，从而方便对电池组进行声透射信号或者声反射信号的探测。
2.如权利要求1所述的方便进行超声检测的电池组，其特征在于，负载着超声耦合介质的载体为海绵。
3.如权利要求2所述的方便进行超声检测的电池组，其特征在于，负载有超声耦合介质的海绵贴合在电池组外壳内壁上。
4.如权利要求3所述的方便进行超声检测的电池组，其特征在于，所述超声耦合介质为硅油或者热固型两组分硅胶。
5.如权利要求4所述的方便进行超声检测的电池组，其特征在于，所述海绵为条带状，其宽度为1cm～3cm，条带的长度方向垂直于电池组内部电芯所包含的电极片方向，条带状海绵长度覆盖所有电池组中的单电池。
6.如权利要求4所述的方便进行超声检测的电池组，其特征在于，所述海绵呈圆片状，圆片状的海绵垂直于电池组的内部电芯所包含的电极片方向呈串状排列，以保证每个单电池上具有海绵构建的超声声波传导通道。
7.制备如权利要求1-6之一所述的方便进行超声检测的电池组的方法，其特征在于，先在外壳内壁上设置用于负载着超声耦合介质的载体，再将超声耦合介质浸润在载体上，最后再在外壳内安装电池组。
8.一种检测权利要求1-6之一所述的方便进行超声检测的电池组的方法，其特征在于，
首先，在电池组外壳的外壁贴装圆片状超声换能片，超声换能片为压电陶瓷材料构成，兼具超声波发射与接收功能，贴装位置对准负载着超声耦合介质的载体的区域，然后，进行超声信号发射与接收，采集数据，并对数据进行分析获得超声检测结果；或者
首先，在电池组的外壳的外壁上贴装动铁声音发射元件和驻极体声音接收元件，贴装位置对准负载着超声耦合介质的载体的区域，然后，进行声信号发射与接收，采集数据，并对数据进行分析获得声学特性检测；或者
仅仅在电池组进行检修的时候，采用外置的超声探测器对准负载着超声耦合介质的载体区域，对电池组进行扫描分析。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，计算超声波透过单体电池后所得信号复包络线的复数域绝对值在信号持续时间内的时域积分值，将该时域积分值作为电池的超声特性的特征值，利用实验所得的此特征值同电池状态的关系，对电池状态进行判断，获得声学检测结果。
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