CN110574215A - 电池组电池的诊断 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在具有多层结构的电池组中的临界变化、尤其是压力变化、气体形成和温度变化的诊断设备(10)，涉及一种具有这种诊断设备(10)的电池组系统(50)以及方法(100)，该方法通过该诊断设备诊断这种电池组的临界变化。根据本发明，提供一种用于确定电池组电池(12)中的物理特性相对于理论状态的临界变化的诊断设备(10)，电池组电池具有由多层(14)构成的结构，其中层(14)通过力连接来相互连接；并且电池组电池具有至少一个接收器(18)并且可选的附加地具有发射器(16)，发射器(16)布置在电池组电池(12)的壳体(20)和/或电池接触部(22)处，其中接收器(18)适于接收板声波(24)和/或扭转声波(26)并且将相应的信号(28)传输到分析单元(30)，分析单元(30)被设置用于分析表征电池组电池(12)的实际状态的一个或多个参数(32)，并且将参数与至少一个预定义的阈值(34)进行比较，其中超出或未超出阈值(34)被评估为识别出电池组电池的物理特性发生临界变化，其中在具有发射器(16)的诊断设备中，发射器(16)适于在电池组电池(12)中以沿着层(14)的传播方向来激励板声波(24)和/或扭转声波(26)。

Description

电池组电池的诊断
技术领域
本发明涉及在具有多层结构的电池组中的临界变化、尤其是压力变化、气体形成和温度变化的诊断设备，涉及具有这种诊断设备的电池组系统以及涉及通过该诊断设备诊断这种电池组的临界变化的方法。
背景技术
电气或电子设备，尤其是便携式设备的使用经常依赖于电化学电池作为电能供应，即所谓的“电池组电池”或者“电池组”。电池组电池可以应用在电子设备中，诸如通信设备(例如手机、平板、计算机)、交通工具(例如汽车、飞机、船)，但是也可以应用于非便携式设备，如用于中央电能供应的备用电池组。
由于电池组电池的外部运行条件，如过高的电流强度、作用到电池壳体上或接触部上的过高的机械力、过充或过放或者过高或过低的电池电压、或者过高或过低的电池温度，电池内部的电化学均衡发生变化，电池可能进入临界状态。此外，电池可能由于老化造成的退化机制同样进入临界状态。该临界状态会导致容量损失，增加内阻或者导致放热过程。这可能不仅对设备造成危险，也会对人造成危险。最近的例子包括三星Galaxy Note 7的电池组问题或者波音787Deamliner中的电池组包燃烧问题。因此，为了能够在这些电池组发生危险之前就采取应对措施，最好尽早进行检测。
已知通过测量如电流和电压的电参量来测量电池组的充电状态(所谓的电荷状态SOC)和内阻，并由此来估计老化状态和健康状态(所谓的健康状态SOH)。此外，侵入式方法用于获得深入了解电池的化学组分以及结构。与之关联的干预措施使电池组提前老化或者导致直接损毁。关于这一点而研发非侵入式方法，通过发送和接收体声波来确定电池组的充电状态以及可能的电池状态。
上述方法的主要缺点是，所测量的体声波对材料变化和杂质的敏感度较低，其对于临界状态来说是关键性的。其原因是波包相对于电池组电池的尺寸较小，并且因此相互作用面积较小。因此需要较大的杂质(物理变化或气体量)才能获得测量信号的显著变化。因此该方法对小的杂质是不敏感的并且易受影响的，然而杂质对于电池组电池的寿命或状态至关重要。
因此，期望具有一种不损害电池组电池并且不具有现有技术的缺点的诊断方案。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种诊断方案，该诊断方案不损害电池组电池并且克服现有技术的缺点。
该目的通过用于确定电池组电池中的物理特性相对于理论状态的临界变化的诊断设备来实现，电池组电池具有由多层构成的结构，其中这些层通过力连接来相互连接，电池组电池具有至少一个接收器以及可选的附加地具有发射器，该发射器布置在电池组电池的壳体和/或电池接触部处，其中接收器适于接收板声波和/或扭转声波并且将相应的信号传输到分析单元，分析单元被设置用于分析表征电池组电池的实际状态的一个或多个参数并且将该参数与至少一个预定义的阈值进行比较，其中超出或未超出阈值识别为电池组电池的物理特性发生临界变化，其中在基于发射器的诊断设备中，发射器适于在电池组电池中以沿着层的传播方向激励板声波和/或扭转声波。
术语“物理特性的临界变化”理解为达到临界状态，在临界状态的情况下，例如电池组电池中的气体的形成和压力变化可能导致电池组的故障或者损毁。这通常是由于电解质分解成部分气体的组成成分以及反应产物，在早期阶段不仅在热学上而且在电学上是能够检测的。这些气态的组成成分和反应产物一方面是高度易燃的，另一方面导致电池组电池内的压力增加，而这又导致电池壳体中的机械应力，因为电池组电池被气密的电池壳体包围，由此气体不能漏出。这可以根据电池组系统中的电池组电池的壳体样式和固定而导致电池壳体的强烈的或微弱的变形，统称为鼓包。此外，老化机制可能是导致临界变化的电解质分解的原因。即使在尤其是由于机械影响或者由于金属锂枝晶形成的短路的情况下，电池也可能发生严重的变化。
电池组电池理解为可以存储以及提供电能的电化学电池。电池组在本发明的意义上是具有多层构成的结构的电池组，其中这些层通过力连接来相互连接。这些包括商用电池组，如锂离子电池组、镍金属混合物蓄电池(NIMH)和电化学存储器。
发射器或者接收器理解为用于发送和接纳/接收任何形式的板声波和扭转声波的任何合适的发射器和接收器。这些包括例如楔形转换器(超声测量技术中的角度探头)、具有压电板以及特定的激光激励器的内数字转换器。
“声波”理解为局部压力扰动和粒子平移在弹性介质中的传播，而板声波与假定无限传播介质的体声波受“板”的边界面的影响。电池组电池内的层可以视为这种边界面。尤其是兰姆波、水平极化的剪切波(HPSW)和垂直极化的剪切波属于板声波。为了区分不同类型的波，可以针对不同的波分量定义坐标。坐标x代表入射波沿着层的主传播方向。平面x-y表示板的平面，即电池组电池中的层的平面。传播方向垂直于x-y平面。兰姆波描述如下波，该波有两个传播分量，其中一个沿传播方向x(纵向)延伸以及另一个沿与之垂直的传播分量z(横向)延伸。在此，要考虑波在x-y平面上的传播方向。HPSW在垂直于沿着传播分量y的传播方向的板平面(x-y平面)中水平地延伸。这可以描述为横向波。VPSW也垂直于沿着分量z的传播方向延伸，分量z与板平面(x-y平面)正交地延伸。其大致从板平面延伸出来。
与体声波的区别在于边界面条件。虽然波类型“体声波”不受边界面限制并且可以在介质中自由地展开，但是波类型“板声波”受至少两个边界面(“板”的两个面)的限制。由此在板声波的情况下比在体声波的情况下形成更多不同的以及差异化的传播可能性，也成为波型，其在检测电池组电池中的杂质方面具有极大的优势。“板声波”和“板波”在本文视为同义词。
扭转声波，也称为柱面波，应理解为是指从均质各向同性介质中沿直线开始的波。它们的传播类似于兰姆波，不同之处在于将圆柱罩面视为边界面而不是板面。此外，柱面波可以在空心圆柱或者管中传播。与HPSW和VPSW等效的扭转声波也是可能的，其具有垂直于传播方向的分量。由此，扭转声波恰如板声波在传播方向上具有更大的多样性，并且因此更适于检测电池组电池中的缺陷。“扭转声波”和“扭转波”在此视为同义词。
与现有技术相反，本发明基本上基于引导的超声波(上面所提到的板声波以及扭转声波)。这些波在电池组电池中的各个层中传播；换言之，波由电池组电池的各个层引导。只有通过这种方式，才可能将波在电池组电池的第一位置处耦合输入并且在电池组电池的第二位置处接收，使得第二位置不必位于传感器的声轴处。因为当所引导的波沿着作为波导的各个层传播时，它们各自相邻的层(电池组电池的相邻的层)相互作用。该交相互作用导致原始传播参数的变化，然后可以被检测和分析这些参数。在现有技术中，将用于检测电池组状态的波注入到电池组电池的体积中，使得体声波仅仅能够在电化学存储器中传播。因此，本发明提供了一种更为精确和方向独立的方法来测量电池组电池中的状态和变化。
例如，分析单元理解为处理器、芯片、服务器、能够实现和实施计算机程序的所有单元，以便分析所测量的参数。
参数理解为表征所测量的信号的所有。其中包括尤其是信号的传输时间和振幅。此外由这些参数可以确定信号的频谱、振幅平方或者振幅数值的积分、短时傅里叶变换(Short-Time-Fourier-Transformation,SIFT)、小波变换(WT)以及能量。
楔形转换器可以理解为进一步传播的、单模态的转换器配置，利用该转换器配置可以控制入射角。在超声技术中，以角度探头的形式来多次使用该转换器配置。
这些转换器由楔子构成，楔子在待测量的对象的表面和楔子上表面之间张开楔子角，楔子安置在待测量的对象处，并且压电陶瓷装置联接在待测量的对象的上侧处。陶瓷装置被实施为平板或片。压电陶瓷装置在楔子中激励具有所期望的波长的波。楔子确保将该波以一定的角度射到板表面上并且在那里产生调谐的、空间上受限的扩展分布。通过将扩展分布的形状与波长、例如兰姆波相适配，可以选择性地激励以及接收这种波类型。波长的适配在此通过楔子角度α来进行，楔子角度可以通过折射定律来计算。
因此，楔形转换器的优点是能够通过楔子角度的变化来控制不同的波类型。此外，转换器仅仅发出兰姆波的单向传播场，由此可以使板结构中的反射最小。
内数字转换器理解为一种模态选择性转换器，其工作原理是基于发出和接收瑞利波的表面声波滤波器，并且在通信中用于频率滤波。内数字转换器具有两个梳状的、交错具有不同极性相互交错的电极。在本发明中，梳状结构布置在平行于电池组电池的表面的电极处。兰姆波以比较大的波长传播，使得必须以相对长的方式来实施电极，以便在厚度方向产生电场。压电陶瓷板以及PVDF薄膜可以用作用于内数字转换器的材料。结构化的电极以平面的方式涂敷到板结构上，使得转换器在板表面处产生空间上变化的、有限的扩展分布。当电极的间隔适配模态的波长并且转换器在某一频率下工作时，可以选择性地激励或者接收特定的模态。这确保了所期望的波类型(兰姆、HPSW、VPSW)的精确操控。
根据本发明的诊断设备提供一种诊断方案，利用该诊断方案在诊断期间不损坏电池组并且克服现有技术的缺点。
在使用电池组时，用于将电池组容纳到壳体中的有限的存储空间经常会妨碍外部传感器的安装。因此，期望诊断设备占用尽可能少的空间。为了不仅节省空间而且节省材料，在一种实施例中，发射器也是接收器。在此情况下，波横穿从发射器返回到接收器的最大距离，这意味着波包具有大的相互作用面积，导致测量信号发生显著变化。
在一种实施例中，发射器是一种具有梳状的、交错错的电极的内数字转换器，电极之间的间隔等于预先确定的波长。内数字转换器的平面形状允许其非常节省空间地安置到电池组电池的壳体处。
在一个实施例中，发射器是楔形转换器，其中发射器的入射角被选择为使得入射波以90°在波传播方向上折射并且因此进入到电池组电池的层中。通常存在两个临界角度，一个是纵向波，一个是横向波。不同的角度也是可能的，因为电池组电池的层中的波是不那么有效地被激励。楔形转换器作为接收器同样适用。楔形转换器，也称为角度探头通常应用在超声技术中并且具有可变构造形式和尺寸的优点。由固定的波长限定的这些也可以非常容易地被调整到所需的角度。因此，仅仅利用发射器来激励所有声波类型是可能的。临界角度可以通过斯涅耳定律来确定。
在另一实施例中，发射器是超声传感器。超声传感器已知适于激励和接收弹性波。其借助于超声波来检测所需的间隔。传感器的头部输出超声波，超声波由电池组电池的所有层(根据传感器所处位置也包括壳体)反射回。测量超声波在发射和接收之间的时间。与具有发射器和单独的接收器的光学传感器不同，超声传感器可以是用于传输和接收的相同的超声元件。在反射类型的超声传感器的情况下，超声波由各个振荡器交替地发射和接收。由此可以将传感器头部保持为小的。可以代替超声传感器使用的其它发射器可以是由PVDF构成的压电薄膜以及压电陶瓷设备。
在另一实施例中，超声传感器借助于至少一个压电元件和/或至少一个电磁声学转换器和/或由一个或多个激光激励器和/或至少一个内数字转换器来激励板声波和/或扭转声波。在此，诸如压电陶瓷设备或薄膜的压电元件具有非常良好的电磁耦合。其与电磁声学转换器一起，在电压输入和机械应力输出之间形成良好的比例，反之亦然。
在另一实施例中，发射器是一种待以力连接而布置到电池组电池上的压电厚度或剪切振荡器。板声波和扭转声波可以通过直接以力连接方式布置到电池组电池上的压电厚度以及剪切振荡器来激励，波在各个电池组层的纵向上的传播通过横向收缩来进行，横向收缩通过横向收缩系数(泊松系数)来描述。
激光激励器和电磁声学转换器实现非接触的激励，这在某些情况下是有利的。内数字转换器的优点是能够非常平坦地紧靠在电池组电池的壳体上，因此具有发射器的电池组电池几乎未超出不具有传感器的仅仅电池组电池的体积。
由各个实施例所激励的板声波是兰姆波、水平极化的剪切波或者纵向极化的剪切波。板声波不易与表面声波或体声波混淆。虽然波的类型不受边界面的限制并且可以在介质中展开，并且表面波波类型仅受边界面的限制，但是板声波的波类型受至少两个边界面(板的两个面)的限制。由此在板声波的情况下比在体声波的情况下形成更多不同的以及差异化的传播可能性，这在检测电池组电池中的杂质时具有极大的优势。“板声波”和“板波”在此视为同义词。兰姆波、HPSW和VPSW的表征的极化方向能够检测材料中的不同的杂质。通过选择该波类型中的一种作为主要激励可以有针对性地且准确地测量特定类型的杂质。这又可以导致电池组电池的故障的有针对性的和精确的诊断。
所激励的板声波也可以是由兰姆波、水平极化的剪切波和纵向极化的剪切波的任意组合。不同的板声波表征电池组电池中的不同变化。因此，因为可以在测量中识别不同的物理效应，可以以不同板声波的组合来确定电池组的整体状态的更精确的分析。
在另一实施例中，板声波和/或扭转声波的激励连续地或脉冲式地来进行。在连续激励的情况下，可以实时(立即)识别物理特性的变化。然而，此激励具有需要连续消耗能量的缺点。在脉冲式激励的情况下定时发送，这使得诊断设备能量更高效。在此，在所观察的时间范围中的脉冲式激励也可以满足所要求的实时标准。
在另一实施例中，发射器被配置成用于在电池组电池中以100kHz至10MHz的频率来激励板声波和/或扭转声波。低频范围定义在大约100kHz和500kHz之间。低频波受各个层衰减得不那么多，并且因此在测量中振幅较大。但是，其由于在边界面(层)处的反射而与可能的杂质的相互作用较弱。与高频波相比，这又导致对材料中缺陷的敏感度降低。高频波从MHz开始。其被更多地衰减，但是对材料中的缺陷检测的敏感度更好。特别是可以有针对性地使用由两者构成的组合，以便获得更精确的诊断。
具体地，低频波由于材料的色散特性以不同于高频波的方式与电池组电池中可能发生的变化相互作用。这通常导致在不同频率的情况下对不同材料变化的敏感读不同。根据变化，在低频的情况下这也可能导致较高的敏感度。这也适用于高频。例如，高频波比低频波更容易受空间缺陷的影响或者被衰减得更强，并且因此对电池组电池中的局部变化具有更高的敏感度。因此，有利的是使用高频以及低频波，以便能够精确地检测电池组电池中的不同变化或者故障，并且由此获得更精确的诊断结果。
在另一实施例中，激励由具有不同频率的频谱构成。这实现了对电池组电池的更精确的检查，因为不同的频率可以检测不同的故障。
此外，为了解决该技术问题，提供一种具有诊断功能的电池组系统，包括具有由多层构成的结构的电池组电池，其中各层通过力连接来相互连接；以及具有根据权利要求1所述的诊断设备，该诊断设备用于确定电池组电池中的物理特性相对于理论状态的临界变化，并具有至少一个接收器以及可选的附加发射器，布置在电池组电池的壳体和/或电池接触部处，其中接收器适于接收板声波和/或扭转声波并且将相应的信号传输到分析单元，分析单元被设置用于分析表征电池组电池的实际状态的一个或多个参数，并且将一个或多个参数与至少一个预定义的阈值进行比较，其中超出或者未超出阈值可以评估为识别出电池组电池的物理特性发生临界变化，其中在诊断设备具有发射器的情况下，发射器适于在电池组电池中以沿着层的传播方向来激励板声波和/或扭转声波。
电池组系统的使用提供了大量优点。电池组电池例如可以从制造起从其老化或者健康状态的角度进行监测。这同样也适于电池组模块或者电池组包。也可以在监测过程中检测电参数或热参数(如电池温度)。利用所测量的参数，能够借助于算法来确定电池组电池的状态。在超出或未超出一定阈值、诸如最小或最大信号电压时可以及早地识别临界状态。然后，可以采取适当的主动以及被动的措施，以尽量减少危险和损失。
在该电池组系统的一个实施例中，发射器中的至少一个以及接收器中的至少一个被布置在系统的电池组电池侧。当发送和接收选择的(至少)两个位置之间的最短距离仅穿过一层/仅包含一层/仅与一层相切时视为“相同的”电池组电池侧，通过这种布置可以测量增加的振幅，因为波主要沿着表面延伸并且必须经过较少的相互作用。在电池组电池的物理特性与理论状态相比发生变化的情况下，例如在电池组电池中形成气体，测量信号的振幅增加，因为杂质、例如气泡又把波反射回来。因此，超过某一阈值是电池组电池中发生物理变化的指示符，例如以气泡的形式。
在电池组系统的另一实施例中，发射器中的至少一个和接收器中的至少一个布置在不同的电池组电池侧。当发送和接收选择的(至少)两个位置之间的最短距离延伸穿过多层时视为“不同的”电池组电池侧，通过将电池组电池中的层直接连接(压紧)的力连接可以确保波穿过层的良好传播。从电池组电池一侧到另一侧的良好传输被材料中的杂质弱化。因此，低于阈值可以作为电池组电池中的变化的指示符。在此，发射器和接收器优选地不是相对地，而是在波的传播方向上偏置地布置在电池组电池处。在形成气体的情况下，与发射器偏置地布置的接收器(例如在另一侧上)接收弱化的信号，因为能量在封闭的气体中在发射器的方向上被反射。
在电池组系统的一种实施例中，发射器中的至少一个以及接收器中的至少一个被布置在相同的电池接触部或者在不同的电池接触部处。当电池组电池的极相同时，电池接触部是“相同的”电池接触部，当传感器布置在不同的极上时，电池接触部是“不同的”电池接触部。通常，由于嵌入电池组的环境而难以将传感器安置到电池组电池一侧上。为了解决此问题，将传感器安置在电池组的电池接触部处。通过波的入射角，测量的信号也可以提供关于在电池组电池的内部中电机的涂层的附着的信息。当所有发射器以及接收器安置在相同的电池接触部上时，超出阈值是在电池组电池之内出现变化，例如气体形成的指示符。当发射器和接收器安置在不同的电池接触部上时，低于阈值被认为物理特性发生变化。
在电池组系统的一个实施例中，发射器中的至少一个安置在电池组电池一侧上并且接收器中的至少一个安置在电池接触部上，反之亦然。其优点在于：在某些情形下，仅允许这种配置。低于阈值可以被认为是在该布置的情况下电池组电池中的物理特性发生变化的指示符。
此外，本发明涉及一种用于诊断电池组电池的物理特性相对于理论状态的变化的方法，电池组电池具有由多层构成的结构，其中层由力连接相互连接，包括
-将至少一个接收器布置在电池组电池的壳体和/或电池接触部处，
-通过接收器来接收板声波和/或扭转声波，
-通过接收器将相应的信号传输到分析单元，
-通过分析单元来分析表征电池组电池的实际状态的一个或多个参数，
-将分析的参数与至少一个预定义的阈值进行比较；
-将超出或未超出阈值评估为识别出电池组电池的物理特性发生变化。
该方法还提供了推导电池组电池的材料特性的可能性。这包括：电池内的平均压力，弹性模量，剪切模量，厚度，层高度，以及固-液、液态到固态、固态到气态、液态到气态以及气态到液态的相变。此外，可以识别机械结构中的变化，如电池组的不同层之间的分层，如活性材料以及导体和/或接触部(电池接触部)的分层和/或接触部的各个层之间的分层。
该方法的实施例除了接收器之外还提供至少一个发射器，用于在电池组电池中以沿着层的传播方向来激励板声波和/或扭转声波，发射器被布置在电池组电池的壳体和/或电池接触部处。由此可以主动地发送待测量的信号。
在这种情况下，发射器和接收器优选地不是相对地，而是在波的传播方向上偏置地布置在电池组电池处。
该方法的实施例包括：分析包括信号的振幅和运行时间。这些接收的信号能够利用不同的方法来分析。在此可以使用模拟以及数字滤波器。尤其可以由测量信号通过傅里叶变换或快速傅里叶变换来确定所有信号的频率、振幅或振幅的积分、频谱，通过短时傅里叶变换来确定各个范围中的频谱，通过小波变换来确定各个范围中的脉冲频谱。用于不同变换/方法的数学方法可以是由不同的窗函数的组合，诸如矩形窗、汉宁窗、汉明窗、高斯窗、Blackman窗、Blackman-Harris窗、Blackman-Nuttal窗、平顶窗、巴特利特窗、巴特利特-汉宁窗、余弦窗、塔基窗、蓝索思窗、凯泽窗、高斯窗等等。
所获得的测量结果可以被存储并且将测量结果随时间的变化进行比较。这可以利用随机方法来分析以便评估电池组电池的物理特性随时间的变化。该方法的一个实施例是，通过分析随时间推移的参数来生成电池组电池中的物理变化、优选地温度变化的预测。通过分析随时间推移的测量结果，尤其是应及早地通过识别以及评估物理特性的及早的变化来预测临界状态。
在该方法的进一步的实施例中，通过将超声信号与电测量信号进行关联来确定电池组电池的充电状态。
附图说明
本发明的这些以及其他方面在如下附图中详细地示出：
图1示出根据本发明的具有诊断功能的、包括具有由多层构成的结构和诊断设备的电池组系统。
图2示出用于确定电池组电池中的物理特性相对于理论状态的临界变化的诊断设备。
图3示出用于在电池组上发射和/或接收板声波和/或扭转声波的楔形转换器的布置。
图4示出具有梳状电极的内数字转换器。
图5示出用于诊断电池组电池的物理特性相对于理论状态的变化的方法。
图6示出使用根据本发明的诊断设备以及使用根据本发明的方法测量的测量信号的走势。
具体实施方式
图1示出具有诊断功能的电池组系统50，包括：电池组电池12，具有一层或多层14构成的结构，其中层14通过力连接来相互连接；以及根据本发明的诊断设备10，用于确定电池组电池12中的物理特性相对于理论状态的临界变化。电池组系统50包括至少一个接收器18以及可选的附加地具有发射器16，发射器16布置在电池组电池12的壳体20和/或电池接触部22处。接收器18适于接收板声波24和/或扭转声波26并且将相应的信号28传输到分析单元30。分析单元30被设置用于分析表征电池组电池12的实际状态的一个或多个参数32，并且将一个或多个参数与至少一个预定义的阈值34进行比较。在此，超出或未超出阈值34被评估为识别出电池组电池的物理特性发生临界变化。在电池组系统50具有发射器16的情况下，发射器16适于在电池组电池12中以沿着层14的传播方向来激励板声波24和/或扭转声波26。此外，发射器16也可以同时是接收器18。此外，在具有发射器16的电池组系统中，发射器中的至少一个以及接收器中的至少一个可以布置在相同的电池组电池侧42、20。发射器中的至少一个以及接收器中的至少一个也可以布置在不同的电池组电池侧42、20。因此，板声波和/或扭转声波的传播参数可以通过各个电池层来测量。在一个实施例中，发射器中的至少一个以及接收器中的至少一个可以被布置在相同的电池接触部22处或不同的电池接触部22处。在另一实施例中，发射器中的至少一个可以被布置在电池组电池侧42、20处，而接收器中的至少一个可以被布置在电池接触部22处，反之亦然。
图2示出诊断设备10，该诊断设备用于确定电池组电池12中的物理特性关于理论状态的临界变化，电池组电池12具有由多层14构成的结构，其中层14通过力连接而彼此连接。诊断设备10包括至少一个接收器18和可选的附加发射器16，布置在电池组电池12的壳体20和/或电池接触部22处。接收器18适于接收板声波24和/或扭转声波26并且将相应的信号28传输到分析单元30。分析单元30被设置用于分析表征电池组电池12的实际状态的一个或多个参数32，并且将这些参数与至少一个预定义的阈值34进行比较。在此，超出或未超出阈值34被评估为识别出电池组电池的物理特性发生临界变化。在具有发射器16的诊断设备10中，发射器16适于在电池组电池12中以沿着层14的传播方向来激励板声波24和/或扭转声波26。在此，发射器16同时也可以是接收器18。发射器16、18是内数字转换器36，具有梳状的、交错的电极38，电极38之间的间隔等于预先确定的波长。在一个实施例中，发射器16、18是楔形转换器40，其中发射器16、18、40被定向为使得楔形转换器可以以临界角度发送到电池组电池12的层14中。发射器16、18、36、40可以是超声传感器。超声传感器可以借助于至少一个压电元件和/或至少一个电磁声学转换器和/或一个或多个激光激励器和/或至少一个内数字转换器来激励板声波24和/或扭转声波26。所激励的板声波24可以是兰姆波或水平极化的剪切波或竖直极化的剪切波或者是兰姆波、水平极化的剪切波和竖直极化的极化波的任意组合。板声波25和/或扭转声波26的激励可以是连续的或脉冲式的。发射器16、18、36、40可以进一步被配置成使得以100kHz至10MHz的频率在电池组电池中激励板声波24和/或扭转声波26。此外，激励可以由具有不同频率的频谱构成。
图3示出具有楔形转换器40的电池组系统50，楔形转换器40用于发送和/或接收板声波24和/或扭转声波26，其中发射楔形转换器40被定向为使得以临界角度发射到电池组电池12的层14中。楔形转换器40由楔子构成，楔子在待测量的物体的表面和上楔形面48之间张开楔子角度α，其中楔子安置在该物体上，压电陶瓷装置联接到该物体的上侧。陶瓷装置被实施为板或片。压电陶瓷装置在楔子中激励具有所需波长的波。楔子确保将该波以一定的角度撞击到平板表面上并且产生调谐的、空间受限的扩展分布。通过将扩展分布的形式与例如兰姆波的波长进行适配，可以选择性地激励以及接收这种波。波长的适配是通过楔子角度α来进行，其可以借助于折射定律来计算。厚度振荡器可以用于兰姆波的激励，并且可以用于HPSW和VPSW的激励。
图4示出作为发射器16、18、36、40的内数字转换器36，具有梳状的、交错的具有不同极性的电极38，电极38之间的间隔可以等于预先确定的波长。在本发明中，梳状结构以平行于电池组电池12的表面的方式布置在电极38处。压电板以及PVDF薄膜可以用作用于内数字转换器36的材料。结构化的电极38平面地作用于板结构，使得转换器36在板表面上产生空间上变化的、无限的扩展分布。当电极38的间隔适配于一种模态的波长并且转换器36在某一频率下操作时，可以选择性地激励或者接收特定的模态。这确保精确控制所需的波类型(兰姆波、HPSW、VPSW)。然而，也可以使用以力连接而安置到电池组电池12上的压电厚度振荡器或者剪切振荡器(压电板)。在沿着电池组电极的传播方向上的激励通过横向收缩(泊松系数)来进行。
图5示出用于诊断电池组电池12的物理特性相对于理论状态的变化的方法100，电池组电池12具有由多层14构成的结构，其中层14通过力连接来相互连接。该方法包括将至少一个接收器布置100在电池组电池的壳体和/或电池接触部处，通过接收器来接收130板声波和/或扭转声波，通过接收器将相应的信号传输140到分析单元，通过分析单元来分析150表征电池组电池的实际状态的一个或多个参数，将分析的参数与至少一个预定义的阈值进行比较160并且将超出或未超出阈值评估170为识别出电池组电池的物理特性发生变化。此外，方法100可以包括用于在电池组电池中以沿着层的传播方向激励板声波和/或扭转声波的至少一个发射器，该发射器布置在电池组电池的壳体和/或电池接触部处。参数32的分析150可以包括信号28的振幅44、32和运行时间46、32。此外，通过分析参数32来创建电池组电池的物理特性未来关于时间的预测180。
图5示出使用根据本发明的诊断设备10以及利用根据本发明的方法100测量的测量信号的走势。参数振幅(正的和负的)在此可以被定义为阈值34。运行时间46、32是所发出的信号到接收器所需要的时间。
本文所示的实施例仅仅是本发明的示例，因此不应理解为限制性的。替代地，本领域技术人员所考虑到的实施例同样也包括在本发明的保护范围中。
附图标记列表
10 根据本发明的诊断设备
12 电池组电池
14 (电池组电池的)层
16 发射器
18 接收器
20 壳体
22 电池接触部
24 板声波
26 扭转声波
28 信号
30 分析单元
32 参数
34 阈值
36 内数字转换器
38 梳状的、相互交错的电极
40 楔形转换器
42 电池组电池侧
44 振幅
46 运行时间
48 上楔形面
50 电池组系统
100 根据本发明的方法
110 接收器的布置
120 板声波和/或扭转声波的激励
130 板声波和/或扭转声波的接收
140 相应的信号的传输
150 一个或多个参数的分析
160 所分析的参数的比较
170 超出或未超出阈值的值
180 创建电池组电池的物理变化的预测
α 楔形角度

Claims (21)

1.一种诊断设备(10)，用于确定电池组电池(12)中的物理特性关于实际状态的临界变化，所述电池组电池(12)具有由多层(14)构成的结构，其中所述层(14)通过力连接来相互连接，并且所述电池组电池(12)具有至少一个接收器(18)并且可选的附加地具有发射器(16)，所述发射器(16)布置在所述电池组电池(12)的壳体(20)和/或电池接触部(22)处，其中所述接收器(18)适于接收板声波和/或扭转声波(26)并且将相应的信号(28)传输到分析单元(30)，所述分析单元(30)被设置用于分析表征所述电池组电池(12)的实际状态的一个或多个参数(32)，并且将一个或多个参数与至少一个预定义的阈值(34)进行比较，其中超出或未超出所述阈值(34)被评估为识别出电池组电池的物理特性发生临界变化，其中在具有发射器的所述诊断设备中，所述发射器(16)适于在所述电池组电池(12)中以沿着所述层(14)的传播方向来激励板声波(24)和/或扭转声波(26)。
2.根据权利要求1所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述发射器(16)也是接收器(18)。
3.根据权利要求1或2所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述发射器(16，18)是内数字转换器(36)，所述内数字转换器(36)具有梳状的、交错的电极(38)，所述电极(38)之间的间隔等于预先确定的波长。
4.根据权利要求1或2所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述发射器(16，18)是楔形转换器(40)，其中所述发射器(16，18，40)被定向为使得所述发射器能够以临界角度发送到所述电池组电池(12)的层(14)中。
5.根据权利要求1或2所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述发射器(16，18)是以力连接安置到所述电池组电池(12)上的压电厚度振荡器或者剪切振荡器。
6.根据前述权利要求之一所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述发射器是超声传感器。
7.根据权利要求6所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
借助于至少一个压电元件和/或至少一个电磁声学转换器和/或一个或多个激光激励器和/或至少一个内数字转换器来激励板声波和/或扭转声波。
8.根据前述权利要求之一所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所激励的板声波是兰姆波或水平极化的剪切波或竖直极化的剪切波。
9.根据权利要求1至7之一所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所激励的板声波是兰姆波、水平极化的剪切波以及竖直极化的剪切波的任意组合。
10.根据前述权利要求之一所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述板声波和/或扭转声波的激励以连续或脉冲方式来进行。
11.根据前述权利要求之一所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述发射器被配置成用于在所述电池组电池中激励频率为100kHz至10MHz的板声波和/或扭转声波。
12.根据前述权利要求之一所述的诊断设备(10)，
其特征在于，
所述激励由具有不同频率的频谱构成。
13.一种具有诊断功能的电池组系统(50)，包括电池组电池(12)以及根据权利要求1所述的诊断设备(10)，所述电池组电池(12)具有由多层(14)构成的结构，其中所述层(14)通过力连接来相互连接，所述诊断设备(10)用于确定电池组电池(12)中的物理特性关于理论状态的临界变化，所述电池组电池(12)具有至少一个接收器(18)以及可选的附加地具有发射器(16)，所述发射器(16)布置在所述电池组电池(12)的壳体(20)和/或电池接触部(22)处，其中所述接收器(18)适于接收板声波(24)和/或扭转声波(26)并且将相应的信号(28)传输到分析单元(30)，所述分析单元(30)被设置用于分析表征所述电池组电池(12)的实际状态的一个或多个参数(32)，并且将一个或多个参数与至少一个预定义的阈值(34)进行比较，其中超出或未超出所述阈值(34)被评估为识别出所述电池组电池的物理特性发生临界变化，其中在具有发射器的所述诊断设备中，所述发射器(16)适于在所述电池组电池(12)以沿着所述层(14)的传播方向来激励板声波(24)和/或扭转声波(26)。
14.根据权利要求13所述的电池组系统(50)，
其特征在于，
所述发射器中的至少一个和/或所述接收器中的至少一个被布置在相同的电池组电池侧(42，20)。
15.根据权利要求13所述的电池组系统(50)，
其特征在于，
所述发射器中的至少一个和/或所述接收器中的至少一个被布置在不同的电池组电池侧(42，20)处。
16.根据权利要求13所述的电池组系统(50)，
其特征在于，
所述发射器中的至少一个和/或所述接收器中的至少一个被布置在相同的电池接触部(22)处或布置在不同的电池接触部(22)处。
17.根据权利要求13所述的电池组系统(50)，
其特征在于，
所述发射器中的至少一个布置在电池组电池侧(42，20)处，并且所述接收器中的至少一个布置在电池接触部(22)处，反之亦然。
18.一种方法，所述方法用于诊断电池组电池(12)的物理特性相对于理论状态的变化，所述电池组电池(12)具有由多层(14)构成的结构，其中所述层(14)通过力连接来相互连接，所述方法包括：
-将至少一个接收器布置(110)在电池组电池的壳体和/或电池接触部处，
-通过接收器接收(130)板声波和/或扭转声波，
-通过所述接收器将相应的信号传输(140)到分析单元，
-通过所述分析单元分析(150)表征电池组电池的实际状态的一个或多个参数，
-将分析的参数与至少一个预定义的阈值进行比较(160)，
-将超出或未超出阈值评估(170)为识别出电池组电池的物理特性发生变化。
19.根据权利要求18所述的方法(100)，
其特征在于，
附加地具有至少一个发射器，用于在所述电池组电池中以沿着层的传播方向来激励(120)板声波和/或扭转声波，布置在电池组电池的壳体和/或电池接触部处。
20.根据权利要求18所述的方法(100)，
其特征在于，
所述参数(32)的所述分析(150)包括信号(28)的振幅(44，32)和运行时间(46，32)。
21.根据权利要求20所述的方法(100)，
其特征在于，
通过分析参数(32)来创建电池组电池的物理变化、优选地温度变化关于时间的预测。
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