CN111048852A - 一种锂离子电池超声导波监测装置及方法 - Google Patents

一种锂离子电池超声导波监测装置及方法 Download PDF

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张艳辉
张树潇
黄林冰
易正琨
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Abstract

本申请公开了一种锂离子电池超声导波监测装置，包括：压电聚合物薄膜，该压电聚合物薄膜设置于锂离子电池单体的表面；电压输入端，包括设置于压电聚合物薄膜上的发射端电极和设置于锂离子电池单体的表面的输入电极；电压输出端，包括设置于压电聚合物薄膜上的接收端电极和设置于锂离子电池单体的表面的输出电极。本申请进一步提供了锂离子电池健康监测装置的制备方法、锂离子电池健康监测方法及锂离子电池健康监测系统，本发明的装置或方法利用设置在电池表面的压电聚合物薄膜作为超声传感器，能够更方便高效地实现对锂离子电池健康状态的实时监测。

Description

一种锂离子电池超声导波监测装置及方法
技术领域
本申请涉及锂离子电池检测领域，特别是涉及一种锂离子电池超声导波监测装置及方法。
背景技术
近年来，锂离子电池由于具有高工作电压、高比功率、高能量密度、无记忆效应和低自放电率的优点，被广泛应用于各类生产生活领域，出于对锂离子电池性能、寿命，特别是安全性的考虑，往往需要配套开发有效的锂离子电池监测装置来实现对锂离子电池状态的监测。
本申请的发明人发现，目前传统的锂离子电池检测方法所采用的的检测装置过于复杂，传感器尺寸较大，检测准确度不高，无法实现对锂离子电池健康状态的实时监测。
发明内容
本申请主要解决的技术问题是提供一种锂离子电池超声导波监测装置，既能对锂离子电池进行高效可靠的实时监测，又能显著降低锂离子监测装置的复杂性与制备成本。
为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种锂离子电池超声导波监测装置，所述装置包括：压电聚合物薄膜，所述压电聚合物薄膜设置于锂离子电池单体的表面；电压输入端，包括设置于所述压电聚合物薄膜上的发射端电极和设置于所述锂离子电池单体的表面的输入电极；电压输出端，包括设置于所述压电聚合物薄膜上的接收端电极和设置于所述锂离子电池单体的表面的输出电极。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种锂离子电池健康监测装置的制备方法，所述方法包括：将所述压电聚合物薄膜制备于所述锂离子电池单体的表面上；在所述压电聚合物薄膜和所述锂离子电池单体的表面分别引出导线。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种锂离子电池健康监测方法，所述方法包括：在所述锂离子电池单体充/放电过程中在所述电压输入端发射脉冲超声导波；在所述电压输出端采用数据采集卡获取所述脉冲超声导波的时-频域特征参量；分析所述脉冲超声导波的时-频域特征参量，评估所述锂离子电池单体的电池健康状态。
为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种锂离子电池健康监测系统，所述系统包括：锂离子电池组、电池状态评估模块、电子控制引擎、用户界面，所述电池状态评估模块包括超声信号模块，所述超声信号模块采用所述的锂离子电池健康监测方法实现超声信号的分析。
本申请的有益效果是：本申请通过在锂离子电池表面制备压电聚合物薄膜，并输入脉冲电压信号驱动压电聚合物薄膜产生脉冲超声导波，利用脉冲超声导波对锂离子电池内部进行检测，而后在接收端采集与分析脉冲超声导波的时-频域特征参量，实现了对锂离子电池健康状态的实时监测，并显著降低了锂离子电池监测装置的复杂性与制备成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1是本申请锂离子电池超声导波监测装置一实施方式的装置结构示意图；
图2是本申请锂离子电池超声导波监测装置另一实施方式的装置结构示意图；
图3是本申请锂离子电池健康监测装置的制备方法一实施方式的流程示意图；
图4是本申请锂离子电池健康监测装置的制备方法另一实施方式的流程示意图；
图5是本申请锂离子电池健康监测方法一实施方式的流程示意图；
图6是本申请锂离子电池健康监测系统一实施方式的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性的劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参阅图1，图1是本申请锂离子电池超声导波监测装置一实施方式的装置结构示意图，该监测装置包括：
设置于锂离子电池单体1000表面的压电聚合物薄膜1200、电压输入端1030和电压输出端1040。
其中，锂离子电池单体1000通过正极1010与负极1020实现与外部连接的功能。正极1010与负极1020分别设置于锂离子电池单体1000同一侧边的两个固定位置。
当然在其他实施方式中，正极1010与负极1020也可以设置在锂离子电池单体1000不同的侧边，例如使正极1010设置在锂离子电池单体1000的左侧边，负极1020设置在锂离子电池单体1000的右侧边，这里不做具体限定。
锂离子电池单体1000的表面包括设有的铝塑膜1100，铝塑膜1100是软包装锂电池封装的关键材料之一，起到保护内部电芯材料的作用。
本发明中，铝塑膜1100设置于锂离子电池单体1000表面一侧面，且铝塑膜1100上设有铝箔1300，铝箔1300表面进一步设置有压电聚合物薄膜1200。其中，铝箔1300起到联通铝塑膜1100与压电聚合物薄膜1200的作用。
在其他实施方式中铝箔1300也可以使用其他具备传导联通作用的材料替代，在此不作限定。
压电聚合物薄膜1200设置于铝箔1300表面，且压电聚合物薄膜1200上两个不同位置设置有一定形状的发射端电极1210与接收端电极1220，发射端电极1210用作超声信号的发射端，接收端电极1220用作超声信号的接收端。在本实施方式中发射端电极1210呈弧面梳状，可以更好地聚焦超声信号，接收端电极1220呈正交梳状，可以更好地接收超声信号。
当然在其他实施方式中，发射端电极1210与接收端电极1220可以不一定分别设置为弧面梳状与正交梳状，也可以设置为别的形状，这里不做具体限定。
电压输入端1030包括设置于压电聚合物薄膜1200上的发射端电极1210和设置于锂离子电池单体1000的表面铝塑膜1100上的输入电极1031，其中发射端电极1210和输入电极1031通过导线1050与电压输入端1030相连。
电压输出端1040包括设置于压电聚合物薄膜1200上的接收端电极1220和设置于锂离子电池单体1000的表面铝塑膜1100上的输出电极1041，其中接收端电极1220和输出电极1041通过导线1050与电压输出端1040相连。
本实施方式中的锂离子电池超声导波监测装置通过在电压输入端1030处输入脉冲电压信号驱动压电聚合物薄膜1200上的发射端电极1210处产生脉冲超声导波1230，脉冲超声导波1230对锂离子电池单体1000内部进行检测，而后在接收端电极1220处接收脉冲超声导波1230并转化为电压信号通过电压输出端1040输出电压信号，以此实现对锂离子电池健康状态的监测功能。本实施方式中的锂离子电池超声导波监测装置中的压电聚合物薄膜超声传感器体积、重量均可忽略不计，且结构简单，显著提高了锂离子电池监测装置的实用性与可靠性。
参阅图2，图2是本申请锂离子电池超声导波监测装置另一实施方式的装置结构示意图，其与图1所示的实施方式主要不同在于：本实施方式中压电聚合物薄膜2200直接设置于锂离子电池单体2000的表面铝塑膜2100上，而不再设置铝箔作为压电聚合物薄膜2200与锂离子电池单体2000之间的传导联通层。
本实施方式中锂离子电池超声导波监测装置其余的结构组成与图1所示实施方式中的装置结构类似，具体的装置结构与运作原理可参见上述实施方式，在此不再赘述。
参阅图3，图3是本申请如图1所示的锂离子电池健康监测装置的制备方法的一实施方式的流程示意图，结合图1，该制备方法的步骤包括：
S110：配制聚合物材料的溶液。
在本实施方式中聚合物材料为P(VDF)/TrFE，配制聚合物材料的溶液的步骤包括：将配比为72/28的P(VDF)/TrFE材料溶解于体积比为1：1的二甲基甲酰胺和丙酮溶液中，制备溶质质量分数为5％的均匀混合溶液。
在其他实施方式中也可以选用其他的聚合物材料，并采用其他的溶剂及溶液配比方案，只需满足该聚合物材料在极化后具有压电性能以及该聚合物材料能以一定质量分数够均匀溶解于溶剂中即可，这里不做具体限定。
S120：将聚合物材料的溶液喷涂或涂覆在铝箔1300表面并烘干，在铝箔1300表面形成聚合物薄膜。
S130：将表面形成聚合物薄膜的铝箔1300放置于高温恒温箱中，在固定温度下恒温一定时间后退火。
本实施方式中的聚合物薄膜为P(VDF)/TrFE聚合物薄膜，在固定温度下恒温一定时间后退火，其中固定温度设定为135℃，一定时间设定为2小时。该步骤的主要目的是为了使P(VDF)/TrFE聚合物薄膜与铝箔1300更紧密的结合在一起，使后续锂电池健康监测结果更加准确可靠。
当然在其他实施方式中，由于选用的聚合物薄膜材料不同，其恒温条件也会不同，只需满足能使聚合物薄膜与铝箔1300紧密结合即可，在此不做限定。
S140：在铝箔1300表面上的聚合物薄膜上采用光刻或掩膜工艺制备一定形状的金属电极。
该金属电极包括发射端电极1210与接收端电极1220，本实施方式中的发射端电极1210制备为弧面梳状电极，可以更好地聚焦超声信号，接收端电极1220制备为正交梳状电极，可以更好地接收超声信号。在其他实施方式中，发射端电极1210与接收端电极1220也可以制备成其他形状，只需满足超声信号的正常发射与接收即可，在此不做限定。
S150：对铝箔1300表面上的聚合物薄膜进行电晕极化以使其形成压电聚合物薄膜1200。
本实施方式中对铝箔1300表面上的聚合物薄膜进行电晕极化以使其形成压电聚合物薄膜1200的具体步骤包括：将聚合物薄膜一端通过导线接地，在聚合物薄膜表面上方设置一定电学特征的电场，聚合物薄膜在电场中极化从而具备压电性能，最终形成压电聚合物薄膜1200。
S160：将铝箔1300制备在锂离子电池单体1000的表面的铝塑膜1100表面上。
在本实施方式中的该步骤的具体方案是：用强力胶将表面带有压电聚合物薄膜1200的铝箔1300粘接在锂离子电池单体1000表面的铝塑膜1100表面上。在其他实施方式中也可以通过其他物理、化学或其他组合手段使铝箔1300结合在锂离子电池单体1000表面的铝塑膜1100表面上，这里不做限定。
S170：在压电聚合物薄膜1200和锂离子电池单体1000的表面分别引出导线1050。
本实施方式中在压电聚合物薄膜1200和锂离子电池单体1000的表面分别引出导线1050的具体步骤为：在压电聚合物薄膜1200上的发射端电极1210与接收端电极1220上分别引出导线1050，以及在锂离子电池单体1000表面铝塑膜1100表面上的输入电极1031和输出电极1041上分别引出导线。
在本实施方式中通过将压电聚合物薄膜1200制备到铝箔1300表面，再将该铝箔1300制备到锂离子电池单体1000表面铝塑膜1100表面上，实现了在锂离子电池成品上制备出基于喷涂式超声传感器的锂离子电池健康监测装置，相较于现有技术方案本实施方中的制备方案操作简便，成本较低，能保证在不伤害锂离子电池成品的条件下在其表面制备锂离子电池健康监测装置。
参阅图4，图4是本申请如图2所示的锂离子电池健康监测装置的制备方法另一实施方式的流程示意图，结合图2，该制备方法的步骤包括：
S210：配制聚合物材料的溶液。
具体操作参见上述S110，在此不再赘述。
S220：将聚合物材料的溶液喷涂或涂覆在铝塑膜2100表面并烘干，在铝塑膜2100表面形成聚合物薄膜。
本实施方式中并未将聚合物薄膜制备在铝箔上而是直接制备在锂离子电池单体2000表面的铝塑膜2100表面上。
S230：将表面形成聚合物薄膜的铝塑膜2100放置于高温恒温箱中，在固定温度下恒温一定时间后退火。
S240：在铝塑膜2100表面上的聚合物薄膜上采用光刻或掩膜工艺制备一定形状的金属电极。
S250：对铝塑膜2100表面上的聚合物薄膜进行电晕极化以使其形成压电聚合物薄膜2200。
本实施方式中S230-S250与上述实施方式中的S130-S150同理，在此不再赘述。
S260：将铝塑膜2100制备在锂离子电池单体2000的表面上。
本实施方式中将铝塑膜2100制备在锂离子电池单体2000的表面上的具体方法为：使用铝塑膜2100对锂离子电池单体2000进行封装。
S270：在压电聚合物薄膜和锂离子电池单体的表面分别引出导线。
S270的具体操作步骤与上述S170相同，在此不再赘述。
在本实施方式中，通过在锂离子电池生产过程中直接将压电聚合物薄膜2200制备于铝塑膜2100表面，然后使用该铝塑膜2100对锂离子电池单体2000进行封装，进一步简化了锂离子电池健康监测装置的制备工艺，该方案的制备方法在几乎不增加锂离子电池体积、重量的基础上，还可使出厂的锂离子电池成品自带电池健康状态监测装置，显著提升了方便性与经济实用性。
参阅图5，图5是本申请锂离子电池健康监测方法一实施方式的流程示意图，结合图1，该监测方法的步骤包括：
S310:在锂离子电池单体充/放电过程中在电压输入端1030发射脉冲超声导波1230。
本实施方式中，脉冲超声导波1230由三周期汉宁窗调制的脉冲电压信号驱动电压输入端1030的压电聚合物薄膜1200产生。具体的，在电压输入端1030输入一个由三周期汉宁窗调制的脉冲电压信号后，该脉冲电压信号驱动压电聚合物薄膜1200产生微小震动从而形成声波，即在电压输入端1030输入的电能在压电聚合物薄膜1200上转化为机械能，而后声波信号在发射端电极1210处聚集并发射。其中，汉宁窗可以看成是升余弦窗的一个特例，也可看作是3个矩形时间窗的频谱之和，采用三周期汉宁窗调制的脉冲电压信号的优点在于：该脉冲电压信号能驱动电压输入端1030的压电聚合物薄膜1200产生低频的脉冲超声导波1230，利用低频的脉冲超声导波1230进行检测，能够最大限度地覆盖锂离子电池单体1000的完整区域，保证了电池内部检测的效率和准确性。
当然在其他实施方式中，电压输入端1030输入的脉冲电压信号不一定采用三周期汉宁窗调制，也可以采用其他的窗函数调制，这里不做具体限定。
S320：在电压输出端1040采用数据采集卡获取脉冲超声导波1230的时-频域特征参量。
本实施方式中，脉冲超声导波1230在从发射端电极1210发射后与锂离子电池单体1000内部结构相互作用，而后压电聚合物薄膜1200的接收端电极1220接收与锂离子电池单体1000内部结构相互作用后的脉冲超声导波1230，并转化为脉冲电压信号，电压输出端1040输出该脉冲电压信号，并由数据采集卡获取该脉冲电压信号，根据该脉冲电压信号确定脉冲超声导波1230的时-频域特征参量。
S330：分析脉冲超声导波1230的时-频域特征参量，评估锂离子电池单体1000的电池健康状态。
本实施方式中，通过分析脉冲超声导波1230的时-频域特征参量，其中，该时-频域特征参量具体为脉冲超声导波1230的幅值、频谱以及飞行时间参量，从而可得知脉冲超声导波1230与锂离子电池单体1000内部结构相互作用后的结果，基于对此结果的分析即可推断出锂离子电池单体1000的内部结构与荷电状态，进而可以评估出锂离子电池单体1000的健康状态。
本实施方式采用基于喷涂式超声传感器的锂离子电池健康监测方法，将锂离子电池单体1000表面的喷涂式压电聚合物薄膜1200作为超声传感器，根据其产生的超声导波信号与锂离子电池内部结构之间的相互作用，实现了锂离子电池单体1000内部结构和荷电状态的实时原位监测，另外本实施方式利用超声导波进行检测，能够最大限度地覆盖锂离子电池的完整区域，保证了电池内部检测的效率和准确性。
参阅图6，图6是本申请锂离子电池健康监测系统一实施方式的结构示意图，该锂离子电池健康监测系统3000的结构组成包括：
电池组3100、电池状态评估模块3200、输出模块3300以及用户界面3500与电子控制引擎3400。
其中，电池组3100包括n个单独的锂离子电池，n个单独的锂离子电池之间采用串联、并联或串并联混合的方式连接在一起组成电池组3100，每个单独的锂离子电池上均设置有本发明上述的锂离子电池健康监测装置，并采用上述锂离子电池健康监测方法获取其电池健康状态。
电池状态评估模块3200：该模块包含了现有监测模块3210与超声信号模块3220。
其中，现有监测模块3210为现有技术中现有采用的电池健康监测模板，其通过获取锂离子电池充放电过程中的电流、电压、温度数据建立锂离子电池的退化模型，从而评估其健康状态。超声信号模块3220采用本发明的上述的锂离子电池健康监测方法通过获取对锂离子电池充放电过程中的脉冲超声导波检测信号，并将其输入信号特征分析模块以及安全保护系统模块进行比对分析，从而获取锂离子电池的内部结构与荷电状态。输出模块3300：包括上述电池状态评估模块3200中所得到的电池内部结构与电池荷电状态的输出结果。
用户界面3500与电子控制引擎3400：用以实现用户与锂离子电池健康监测系统3000之间的交互。
本实施方式中的锂离子电池健康监测系统中的超声信号模块利用低频的脉冲超声导波进行检测，能够最大限度地覆盖锂离子电池的完整区域，保证了电池内部检测的效率和准确性，此外超声信号模块3220作为新的电池评估模块与现有监控模块3210同时使用，是锂离子电池健康监测系统的重要补充，可提高电池健康状态监测和电池荷电状态监测的可靠性。
总而言之，本申请的发明方法通过在锂离子电池表面制备压电聚合物薄膜，并输入脉冲电压信号驱动压电聚合物薄膜产生脉冲超声导波，利用脉冲超声导波对锂离子电池内部进行检测，而后在接收端采集与分析脉冲超声导波的时-频域特征参量，实现了对锂离子电池健康状态的实时监测，并显著降低了锂离子电池监测装置的复杂性与制备成本。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子电池超声导波监测装置，其特征在于，所述装置包括：
压电聚合物薄膜，所述压电聚合物薄膜设置于锂离子电池单体的表面；
电压输入端，包括设置于所述压电聚合物薄膜上的发射端电极和设置于所述锂离子电池单体的表面的输入电极；
电压输出端，包括设置于所述压电聚合物薄膜上的接收端电极和设置于所述锂离子电池单体的表面的输出电极。
2.根据权利要求1所述的锂离子电池超声导波监测装置，其特征在于，所述压电聚合物薄膜、所述发射端电极、所述接收端电极、所述输入电极及所述输出电极设置于一铝箔表面，所述铝箔设置于所述锂离子电池单体的铝塑膜表面。
3.根据权利要求1所述的锂离子电池超声导波监测装置，其特征在于，所述压电聚合物薄膜、所述发射端电极、所述接收端电极、所述输入电极及所述输出电极设置于所述锂离子电池单体的铝塑膜表面。
4.根据权利要求1所述的锂离子电池超声导波监测装置，其特征在于，所述压电聚合物薄膜为P(VDF)/TrFE薄膜。
5.一种锂离子电池健康监测装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将所述压电聚合物薄膜制备于所述锂离子电池单体的表面上；
在所述压电聚合物薄膜和所述锂离子电池单体的表面分别引出导线。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述压电聚合物薄膜制备于所述锂离子电池单体的表面上的方法，包括：
配制聚合物材料的溶液；
将所述聚合物材料的溶液喷涂或涂覆在铝箔表面并烘干，在所述铝箔表面形成聚合物薄膜；
将表面形成所述聚合物薄膜的所述铝箔放置于高温恒温箱中，在固定温度下恒温一定时间后退火；
在所述铝箔表面上的所述聚合物薄膜上采用光刻或掩膜工艺制备金属电极；
对所述铝箔表面上的所述聚合物薄膜进行电晕极化以使其形成所述压电聚合物薄膜；
将所述铝箔制备在所述锂离子电池单体表面的铝塑膜表面上。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将所述压电聚合物薄膜制备于所述锂离子电池单体的表面上的方法包括：
配制聚合物材料的溶液；
将所述聚合物材料的溶液喷涂或涂覆在铝塑膜表面并烘干，在所述铝塑膜表面形成聚合物薄膜；
将表面形成所述聚合物薄膜的所述铝塑膜放置于高温恒温箱中，在固定温度下恒温一定时间后退火；
在所述铝塑膜表面上的所述聚合物薄膜上采用光刻或掩膜工艺制备一定形状的金属电极；
对所述铝塑膜表面上的所述聚合物薄膜进行电晕极化以使其形成所述压电聚合物薄膜；
将所述铝塑膜制备在所述锂离子电池单体的表面上。
8.一种采用权利要求1-4中任一项监测装置的锂离子电池健康监测方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述锂离子电池单体充/放电过程中在所述电压输入端发射脉冲超声导波；
在所述电压输出端采用数据采集卡获取所述脉冲超声导波的时-频域特征参量；
分析所述脉冲超声导波的时-频域特征参量，评估所述锂离子电池单体的电池健康状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述脉冲超声导波由三周期汉宁窗调制的脉冲电压信号驱动所述电压输入端的所述压电聚合物薄膜产生。
10.一种锂离子电池健康监测系统，其特征在于，所述系统包括：锂离子电池组、电池状态评估模块、输出模块、电子控制引擎、用户界面，所述电池状态评估模块包括超声信号模块，所述超声信号模块采用权利要求8所述的锂离子电池健康监测方法实现超声信号的分析。
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