CN112763164A - 动力电池模组气密检测设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种动力电池模组气密检测设备，其包括注气模块、移载模块、第一级气密检测模块和第二级气密检测模块。注气模块向动力电池模组中注入具有第一温度的压缩空气。第一级气密检测模块获取动力电池模组周边区域的红外图像，并基于红外图像确定动力电池模组是否符合第一级气密性要求。第二级气密检测模块检测符合第一级气密性要求的动力电池模组，以确定其是否符合第二级气密性要求，其中，第一级气密性要求低于第二级气密性要求。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，特别涉及一种动力电池模组气密检测设备。
背景技术
在动力电池的生产过程中，电池模组需要进行检漏工序。在传统的检漏过程中，往往采用压差检测法，设置检测腔和标准腔，通过检测两个腔之间的压力变化来检测漏气过程的发生。然而，这种检测方法需要精确控制两个腔的压力值，并且在漏点较小时通常需要等待较长的时间，甚至有可能发生误报，这对于工业应用而言效率过低。还有就是压降检测法，即将气体充入被测件内，通过压力传感器监测器内部压力变化，进而确认其是否泄漏及泄漏量大小。这一过程操作复杂，且精度较低，也不适合工业应用场景。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提出了一种动力电池模组气密检测设备，其包括注气模块、移载模块、第一级气密检测模块和第二级气密检测模块；其中，
所述注气模块被设置用于向所述动力电池模组中注入具有第一温度的压缩空气；
所述移载模块被设置用于使所述动力电池模组在所述注气模块、所述第一级气密检测模块和所述第二级气密检测模块之间转移；
所述第一级气密检测模块被设置成获取所述动力电池模组周边区域的红外图像，并基于所述红外图像确定所述动力电池模组是否符合第一级气密性要求；
所述第二级气密检测模块被设置成检测符合所述第一级气密性要求的动力电池模组，以确定其是否符合第二级气密性要求，所述第一级气密性要求低于所述第二级气密性要求。
进一步地，所述第一温度低于室温20摄氏度以上。
进一步地，所述第一级气密检测模块包括测试室、多个红外成像单元和图像分析单元；
所述测试室被设置成提供基本密封的环境，以避免在内部形成空气对流；
所述红外成像单元设置在所述测试室的顶部，且与所述动力电池模组形成预设距离，以获取所述周边区域红外图像；
所述图像分析单元被设置用于对所述周边区域红外图像进行分析，以根据温度分布确定所述动力电池模组是否符合所述第一级气密性要求。
进一步地，所述红外成像单元包括在从物侧到像侧的方向上依次排列的球形透镜、光学相位掩膜和红外感测元件；其中，
所述球形透镜在从物侧到像侧的方向上具有第一球形表面和第二球形表面，所述第一球形表面具有24.4mm的半径，所述第二球形表面具有22.6mm的半径，且所述球形透镜的中心厚度为4mm；
所述光学相位掩膜在从物侧到像侧的方向上具有第三球形表面和立体表面，所述第三球形表面具有80mm的半径，所述立体表面的表面形状满足以下公式，即，Z=β*（X3+Y3），Z为光轴方向，β=6.56μm，且所述光学相位掩膜的中心厚度为6mm。
进一步地，所述光学相位掩膜上镀覆有抗红外反射膜。
进一步地，所述红外成像单元在水平X轴方向上具有22度视角，在垂直Y轴方向上具有17度视角；并且，所述光学相位掩膜由Ge玻璃材料制成。
进一步地，所述第二级气密检测模块包括密封容器和多个压力传感器；其中，
所述密封容器被设置成允许接收所述动力电池模组并为其提供密封空间；
所述密封容器的内壁上向内延伸形成多个弹性隔离件，所述弹性隔离件被设置成当所述动力电池模块被装入所述密封容器时，所述弹性隔离件的末端与所述动力电池模组的外表面形成抵接，从而在所述动力电池模组与所述密封容器内壁之间形成多个彼此独立的检测子空间；
所述压力传感器被设置在所述检测子空间中的密封容器内壁上，用于检测所述检测子空间内的压力变化。
进一步地，所述压力传感器包括第一硅衬底、第二硅衬底及隔膜单元；其中，
所述第二硅衬底具有环形形状，且具有相对的第一表面和第二表面；
所述隔膜单元被设置成覆盖形成于所述第二硅衬底的第一表面上，且所述第二硅衬底在其第二表面上通过粘结剂与所述第一硅衬底形成密封连接，从而在所述隔膜单元和所述第一硅衬底之间形成圆形密封空腔，所述密封空腔具有700μm的直径，且内部形成有101kPa的参考气压；
所述隔膜单元包括GaN缓冲层，形成于所述GaN缓冲层上的AlN中间层，形成于所述AlN中间层上的AlGaN阻挡层，以及形成于所述AlGaN阻挡层上的GaN保护层；
所述GaN缓冲层具有2μm的厚度，所述AlN中间层具有1nm的厚度，所述AlGaN阻挡层具有25nm的厚度，所述GaN保护层具有3nm的厚度，所述AlGaN阻挡层为未掺杂的Al0.26Ga0.74N阻挡层。
进一步地，所述粘结剂为硅酮。
进一步地，所述第二硅衬底上还形成有外延层和金属互连层；并且，所述第二硅衬底上沉积有300nm的二氧化硅层。
借助本发明，第一级气密检测模块可以借助红外感测技术在相对低的气密性要求下快速且批量地实现对动力电池模组的气密性检测，从而筛查出不能满足当前低气密性的动力电池模组。这一气密性检测过程既可以用于实现低气密性要求下对动力电池模组气密性的直接检测，还可以在高气密性检测中提供初步筛查功能，减少进入不允许批量处理的高气密性检测程序的动力电池模组数量，整体提高气密检测设备的检测效率。同时，本发明的注气模块并不要求精确控制注入模组的压缩空气的压力，因此可以简化检测系统结构，提高检测速度；并且无需注入例如氮气或二氧化碳等特殊气体，即可满足后续气密性检测的需求，可以避免环境污染，降低检测成本。此外，借助第一级气密检测模块还可以方便地确定漏点大致位置，有利于动力电池模组缺陷的标记和后续加工处理。在第二级气密检测模块中，通过对密封容器内部空间的网格化设计，使得可以以悬空的方式将动力电池模块固定于密封容器内，避免传统布置方式中对模块底部漏点检测上的不足，允许对动力电池模块全方位的快速检测。同时，由于这种网格化设计，可还以有效减小压力传感器的检测空间尺寸，允许在发生微小气体泄露时即能快速地引发足够的气压变化，从而提高检测精度，缩短检测时间，极大改善检测效率。此外，通过对气压传感器结构的优化设计，可以改善气压传感器在大气压附近的压力变化的敏感度，消除一定范围的温度波动影响，从而有利于在正常工业生产环境下对动力电池模组的气密性检测。因此，借助两级气密检测，不仅可以以高效精确的方式实现对动力电池模组的高气密性要求的检测，同时还可以提供不同的气密性检测功能，从而满足动力电池模组工业生产中对于检测系统的系统复杂性、精确性及效率的要求。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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来获得其他的附图。
图1示意性地示出了根据本发明的动力电池模组气密检测设备的框架原理图。
图2示出了根据本发明的红外成像单元的部分光路图。
具体实施方式
在下文中，本发明的示例性实施例将参照附图来详细描述。下面的实施例以举例的方式提供，以便充分传达本发明的精神给本发明所属领域的技术人员。因此，本发明不限于本文公开的实施例。
本发明提出了一种动力电池模组气密检测设备，其包括注气模块、移载模块、第一级气密检测模块和第二级气密检测模块，如图1所示。
注气模块用于向动力电池模组中注入具有第一温度的压缩空气。在本发明中，第一温度可以是低于室温的任意温度，优选低于室温20摄氏度以上。
被注入压缩空气的动力电池模组可以借助移载模块被转移至第一级气密检测模块。作为示例，移载模块可以包括传输线体和/或机器手等。
第一级气密检测模块可以包括测试室、红外成像单元和图像分析单元。
测试室可以被设置成提供基本密封的环境，以避免在内部形成明显的空气对流。
红外成像单元可以设置在测试室的顶部，且与待测动力电池模组形成预设距离，以获取动力电池模组及其周边预设区域的红外图像。
图像分析单元用于对红外成像单元获取的红外图像进行分析，以根据其温度分布情况判断动力电池模组是否存在气体泄漏情形。
在本发明的第一级气密检测模块中，为提高探测灵敏度，希望减少红外成像单元与待测电池模组之间的距离，同时又希望能够获取电池模组周边预定区域的红外图像，因此，需要红外成像单元能够提供大的成像视角。此外，在工业应用中可能会面临各种作业环境，因此还需要红外成像单元能够具有较好的温度稳定性。
为此，本发明提出了一种优化的红外成像单元结构，如图2所示，其可以包括在从物侧到像侧的方向上依次排列的球形透镜、光学相位掩膜和红外感测元件（未示出）。
球形透镜在从物侧到像侧的方向上可以具有第一球形表面和第二球形表面。其中，第一球形表面可以具有24.4mm的半径，第二球形表面可以具有22.6mm的半径，且球形透镜的厚度可以为4mm。
光学相位掩膜在从物侧到像侧的方向上可以具有第三球形表面和立体表面。其中，第三球形表面可以具有80mm的半径；立体表面的表面形状满足以下公式，即：Z=β*（X3+Y3），Z为光轴方向，β=6.56μm；光学相位掩膜的中心厚度可以为6mm。进一步地，为提高探测效率，可以在光学相位掩膜上镀覆抗红外反射膜。
由此可见，本发明的红外成像单元具有简单的光学结构，即仅由两个光学元件实现，且两个光学元件的形状易于加工；借助具有特定形状参数的球形透镜和光学相位掩膜的配合，可以提供较大的成像视角范围，即：在水平方向（即X轴方向）上可以实现22度成像视角，在垂直方向（即Y轴方向）上可以实现17度成像视角，从而很好地满足本发明对于红外成像视角的要求。
此外，通过利用Ge玻璃材料制备光学相位掩膜，借助光学相位掩膜提供的波前编码，可以允许在-20℃-70℃的温度区间内保证红外成像单元的光学性能稳定性，从而极大改善工业应用性。
在第一级气密检测模块中，当内部注有低温空气的动力电池模组上存在漏点时，低温空气将会从动力电池模组中逸出，从而进入动力电池模组周边区域。由于逸出的空气温度低于室温，且因为模组内外存在一定压差而保证存在一定的空气逸出量，因此，在与动力电池模组周边区域对应的红外图像上会形成明显的轨迹。由此，可以通过分析动力电池模组周边预设区域的红外图像，快速确定是否存在来自动力电池模组内部的空气泄漏。进一步地，还可以通过分析红外图像上逸出空气的运动轨迹，粗略确定动力电池模组上漏点的大致位置。
该第一级气密检测模块可以设有多个红外成像单元，以便能够同时对不同预设位置上的动力电池模组进行气密性检测，从而允许对动力电池模组进行批量检测，极大提高检测系统的效率，这对于改善动力电池模组的生产效率极其重要。
至此，本领域技术人员容易理解，可以通过合理配置第一级气密检测模块中各组件的参数，确定第一级气密检测模块的气密性检测范围及精度。当第一级气密检测模块确定动力电池模组在一定压力范围内存在泄漏情况时，气密检测设备可以通知以将该动力电池模组移入不合格区；当确定动力电池模组在一定压力范围内未发生泄漏情况时，可以判定该动力电池模组符合当前的气密性要求，或者借助移载模块将其转移至第二级气密检测模块中，以对其气密性进行更精确的检测。
第二级气密检测模块可以包括密封容器和多个压力传感器。
密封容器可以被设置成允许接收待测动力电池模组，并为其提供密封空间。
在本发明中，可以在密封容器的内壁上向内延伸形成多个弹性隔离件。
弹性隔离件可以被设置成：当动力电池模块被装入密封容器时，弹性隔离件的末端与动力电池模组的外表面形成抵接，从而在动力电池模组与密封容器的内壁之间形成多个彼此独立的检测子空间。进一步地，可以在每个检测子空间中的密封容器内壁上设置压力传感器，用于对该检测子空间内的压力变化进行监测。
借助弹性隔离件，可以使动力电池模组近似悬空地固定于密封容器内，从而避免因动力电池模组的底面直接接触密封容器导致对动力电池模组底部漏点检测效率的降低甚至错误。另一方面，通过将密封容器与动力电池模组之间的空间分割成多个子空间，并对每个子空间内的压力变化进行检测，可以极大改善检测精度和效率，缩短检测时间，从而能够快速且精确地检测微小漏点；并且，还可以根据各个子空间的检测结果，来快速定位漏点所在区域。
在本发明中，第二级气密检测模块被设置用于检测动力电池模组是否满足更高的气密性要求，因此，要求能够快速响应微小的气压变化。为此，本发明还针对第二级气密检测模块中的压力传感器进行了优化设计。
具体而言，压力传感器可以包括第一硅衬底、第二硅衬底及隔膜单元。
第二硅衬底具有环形形状，且具有相对的第一表面和第二表面。
隔膜单元覆盖形成于第二硅衬底的第一表面上，且第二硅衬底在其第二表面上通过例如硅酮等粘结剂与第一硅衬底形成密封连接，由此借助第二硅衬底的圆形中空区域，在隔膜单元和第一硅衬底之间形成圆形的密封空腔。
在本发明中，密封空腔具有700μm的直径，且内部形成有101kPa的参考气压。
隔膜单元可以包括GaN缓冲层，形成于GaN缓冲层上的AlN中间层，形成于中间层上的AlGaN阻挡层，以及形成于阻挡层上的GaN保护层。
具体而言，GaN缓冲层可以具有2μm的厚度，AlN中间层可以具有1nm的厚度，AlGaN阻挡层可以具有25nm的厚度，GaN保护层可以具有3nm的厚度。
优选地，AlGaN阻挡层可以为未掺杂的Al0.26Ga0.74N阻挡层。
此外，第二硅衬底上还可以形成有外延层和金属互连层，以为外界提供电信号引出通道。例如，可以在第二硅衬底上形成Ti/Au金属层来提供该金属互连层。
优选地，还可以在第二硅衬底上沉积例如300nm的二氧化硅层，以对其进行钝化处理。
在这种压力传感器结构中，当密封空腔外的压力发生变化时，隔膜单元上的应力也会相应变化，从而引起隔膜单元中二维电子气密度发生变化，最终反映为输出的电流信号上的变化。
借助压力传感器中隔膜单元、密封空腔形状及参考压力的优化设计，可以以高的灵敏度对大气压附近的气压微小变化作出响应，同时允许在一定的稳定波动范围内正常工作。
如上所述，在本发明的动力电池模组气密检测设备中设置了两级气密检测模块。第一级气密检测模块可以借助红外感测技术在相对低的气密性要求下快速且批量地实现对动力电池模组的气密性检测，从而筛查出不能满足当前低气密性的动力电池模组。这一气密性检测过程既可以用于实现低气密性要求下对动力电池模组气密性的直接检测，还可以在高气密性检测中提供初步筛查功能，减少进入不允许批量处理的高气密性检测程序的动力电池模组数量，整体提高气密检测设备的检测效率。
同时，本发明的注气模块并不要求精确控制注入模组的压缩空气的压力，因此可以简化检测系统结构，提高检测速度；并且无需注入例如氮气或二氧化碳等特殊气体，即可满足后续气密性检测的需求，可以避免环境污染，降低检测成本。
此外，借助第一级气密检测模块还可以方便地确定漏点大致位置，有利于动力电池模组缺陷的标记和后续加工处理。
在第二级气密检测模块中，通过对密封容器内部空间的网格化设计，使得可以以悬空的方式将动力电池模块固定于密封容器内，避免传统布置方式中对模块底部漏点检测上的不足，允许对动力电池模块全方位的快速检测。同时，由于这种网格化设计，可还以有效减小压力传感器的检测空间尺寸，允许在发生微小气体泄露时即能快速地引发足够的气压变化，从而提高检测精度，缩短检测时间，极大改善检测效率。此外，通过对气压传感器结构的优化设计，可以改善气压传感器在大气压附近的压力变化的敏感度，消除一定范围的温度波动影响，从而有利于在正常工业生产环境下对动力电池模组的气密性检测。
因此，借助两级气密检测，不仅可以以高效精确的方式实现对动力电池模组的高气密性要求的检测，同时还可以提供不同的气密性检测功能，从而满足动力电池模组工业生产中对于检测系统的系统复杂性、精确性及效率的要求。
尽管前面结合附图通过具体实施例对本发明进行了说明，但是，本领域技术人员容易认识到，上述实施例仅仅是示例性的，用于说明本发明的原理，其并不会对本发明的范围造成限制，本领域技术人员可以对上述实施例进行各种组合、修改和等同替换，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种动力电池模组气密检测设备，其包括注气模块、移载模块、第一级气密检测模块和第二级气密检测模块；其中，
所述注气模块被设置用于向所述动力电池模组中注入具有第一温度的压缩空气；
所述移载模块被设置用于使所述动力电池模组在所述注气模块、所述第一级气密检测模块和所述第二级气密检测模块之间转移；
所述第一级气密检测模块被设置成获取所述动力电池模组周边区域的红外图像，并基于所述红外图像确定所述动力电池模组是否符合第一级气密性要求；
所述第二级气密检测模块被设置成检测符合所述第一级气密性要求的动力电池模组，以确定其是否符合第二级气密性要求，所述第一级气密性要求低于所述第二级气密性要求。
2.如权利要求1所述的检测设备，其特征在于，所述第一温度低于室温20摄氏度以上。
3.如权利要求2所述的检测设备，其特征在于，所述第一级气密检测模块包括测试室、多个红外成像单元和图像分析单元；
所述测试室被设置成提供基本密封的环境，以避免在内部形成空气对流；
所述红外成像单元设置在所述测试室的顶部，且与所述动力电池模组形成预设距离，以获取所述动力电池模组周边区域红外图像；
所述图像分析单元被设置用于对所述动力电池模组周边区域红外图像进行分析，以根据温度分布确定所述动力电池模组是否符合所述第一级气密性要求。
4.如权利要求3所述的检测设备，其特征在于，所述红外成像单元包括在从物侧到像侧的方向上依次排列的球形透镜、光学相位掩膜和红外感测元件；其中，
所述球形透镜在从物侧到像侧的方向上具有第一球形表面和第二球形表面，所述第一球形表面具有24.4mm的半径，所述第二球形表面具有22.6mm的半径，且所述球形透镜的中心厚度为4mm；
所述光学相位掩膜在从物侧到像侧的方向上具有第三球形表面和立体表面，所述第三球形表面具有80mm的半径，所述立体表面的表面形状满足以下公式，即，Z=β*（X3+Y3），Z为光轴方向，β=6.56μm，且所述光学相位掩膜的中心厚度为6mm。
5.如权利要求4所述的检测设备，其特征在于，所述光学相位掩膜上镀覆有抗红外反射膜。
6.如权利要求5所述的检测设备，其特征在于：所述红外成像单元在水平X轴方向上具有22度视角，在垂直Y轴方向上具有17度视角；并且，所述光学相位掩膜由Ge玻璃材料制成。
7.如权利要求6所述的检测设备，其特征在于，所述第二级气密检测模块包括密封容器和多个压力传感器；其中，
所述密封容器被设置成允许接收所述动力电池模组并为其提供密封空间；
所述密封容器的内壁上向内延伸形成多个弹性隔离件，所述弹性隔离件被设置成当所述动力电池模块被装入所述密封容器时，所述弹性隔离件的末端与所述动力电池模组的外表面形成抵接，从而在所述动力电池模组与所述密封容器内壁之间形成多个彼此独立的检测子空间；
所述压力传感器被设置在所述检测子空间中的密封容器内壁上，用于检测所述检测子空间内的压力变化。
8.如权利要求7所述的检测设备，其特征在于，所述压力传感器包括第一硅衬底、第二硅衬底及隔膜单元；其中，
所述第二硅衬底具有环形形状，且具有相对的第一表面和第二表面；
所述隔膜单元被设置成覆盖形成于所述第二硅衬底的第一表面上，且所述第二硅衬底在其第二表面上通过粘结剂与所述第一硅衬底形成密封连接，从而在所述隔膜单元和所述第一硅衬底之间形成圆形密封空腔，所述密封空腔具有700μm的直径，且内部形成有101kPa的参考气压；
所述隔膜单元包括GaN缓冲层，形成于所述GaN缓冲层上的AlN中间层，形成于所述AlN中间层上的AlGaN阻挡层，以及形成于所述AlGaN阻挡层上的GaN保护层；
所述GaN缓冲层具有2μm的厚度，所述AlN中间层具有1nm的厚度，所述AlGaN阻挡层具有25nm的厚度，所述GaN保护层具有3nm的厚度，所述AlGaN阻挡层为未掺杂的Al0.26Ga0.74N阻挡层。
9.如权利要求8所述的检测设备，其特征在于，所述粘结剂为硅酮。
10.如权利要求8所述的检测设备，其特征在于，所述第二硅衬底上还形成有外延层和金属互连层；并且，所述第二硅衬底上沉积有300nm的二氧化硅层。
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