CN114384149A - 一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法 - Google Patents

一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，属于超声无损检测技术领域。本发明综合超声检测设备、超声检测方法、超声检测项目、超声回波与储能器件状态模型构建用于储能器件系统分析。通过设计多场景下的不同超声检测设备来完成对储能器件的制备过程、使用过程控制、以及失效分析。通过不同充放电状态下的储能器件构建超声成像模型，反馈给电池管理系统。本发明系统性的解决超声检测应用于储能器件不同场景下的检测项目，具有覆盖面广，针对不同器件、不同阶段进行全方位诊断，实际应用价值高。

Description

一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法
技术领域
本发明涉及超声无损检测领域，尤其涉及系统性使用自动化、便携式超声设备，具体地，是指一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法。
背景技术
随着能源结构的深度调整，在此过程中，新能源行业将迎来巨大变革。未来将建立以新能源为主体的新型电力系统，新能源设备也将成为重点发展对象。目前，作为新能源发展中最重要的储能器件产业也在高速发展。但是，对于储能器件的检测，包括制备过程的质量控制、使用中的过程控制、以及老化后的失效分析等并未建立完善的检测体系以及国家标准。
储能器件包括碱金属电池、水系电池、超级电容器等都有着严格的制备要求，甚至一些接触空气后发生爆炸，在近几年也频频发生类似的报道。所以对储能器件自原料处的检测到出厂前的全部检测需认真对待。储能器件在使用过程中涉及诸多物理、化学过程，期间会发生产热、产气等，所以建立对反应过程中的过程监控模型也亟待解决。有效的储能器件状态模型将反馈给电池控制系统，更高效分配电量的使用。对于老化后的储能器件，目前更多的使用破坏性检测手段，效率低且误差大。类似于锂电中的析锂情况，如使用超声检测可实时检测到析锂情况，高效做出判断是否可以继续服役。
随着技术的进步，超声检测设备也在进行变革性的升级。非接触式空气耦合探头的出现解决了传统超声检测中必须使用传统耦合剂的问题。非接触式空气耦合探头以空气为耦合剂，更适应多场景下的无损检测。将空耦探头配合自动化超声C扫设备，可进行工业化的常规检测。传统超声C扫设备目前仍最有较高的检测精度，成本低，工业化程度高等特点，在储能器件的检测中仍占有主要地位。不同于X射线检测，超声检测可实现便携式、移动化检测，可在现场进行高灵敏度高质量检测。
发明内容
本发明的目的是本发明针对目前超声检测未能大规模在储能器件领域进行工业自动化检测问题，提供了现实可行的一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。
本发明一方面，提供了一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，包括以下步骤：
S1，预测储能器件可能出现的缺陷，建立缺陷数据库；
S2,根据不同的场景选用超声检测设备对储能器件进行检测，确定超声探头的频率；
S3，根据不同储能器件材料的不同声速，对储能器件进行A波扫描，确定超声检测设备的探头与储能器件的距离，针对不同缺陷使用不同检测方式；
S4，进行超声自动扫描，设置包括闸门位置、步进速度、扫描精度及扫描方式；
S5，结合超声图像，对超声自动扫描后的储能器件缺陷类型进行鉴定，对比缺陷数据库；
S6，根据对比缺陷数据库结果，确定储能器件出现的缺陷类型。
优选的，储能器件包括锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、镍氢电池或超级电容器。
优选的，所述缺陷数据库包括识别储能器件制造过程中和储能器件组装后的缺陷、使用过程监控和失效分析。
优选的，所述制造过程中的缺陷包括正极、负极、集流体、隔膜、电解液电池组成部分的均匀程度、孔洞、裂纹、厚度和粗糙度；
所述储能器件组装后的缺陷包括的密封性和鼓包；
所述使用过程监控包括通过建立储能器件不同荷电状态模型，将不同荷电状态信息反馈至储能器件控制系统，检测电解液的使用量，推断电解液分解及产气情况，进行常规缺陷检测；
所述失效分析，包括剩余电量估计，老化后电解液剩余量、负极侧析锂情况和气泡引起的危险预警。
优选的，所述超声检测设备包括超声成像系统设备和相控阵超声检测设备。
优选的，所述超声成像系统设备包括浸入式探头和非接触式空气耦合超声探头。
优选的，所述浸入式探头采用点聚焦式，检测方式为反射法；中心频率为1～10MHz，聚焦半径为0.01～2mm。
优选的，所述非接触式空气耦合超声探头的检测方式为反射法或透射法；中心频率为0.1～1MHz。
优选的，所述相控阵超声检测设备中心频率为1-10MHz。
优选的，所述不同储能器件材料包括金属、非金属、高分子、液体或气体；其中金属包括铜、铝、铁、钴、镍、锰、锌、钠、钾、钛和银；其中非金属包括碳、硫、磷、硒和硅；高分子包括PP、PE、TFE、PVC、PMMA、PET、PC和PU。
优选的，所述超声探头与储能器件的距离为1-10mm。
优选的，所述的闸门位置为表面波至底面波中的某个位置，步进速度为10～200mm/s；
超声自动扫描通过三轴控制系统控制X，Y轴水平运动，Z轴垂直运动，扫描精度为0.005-0.1mm；扫描方式为B扫、C扫和S扫。
优选的，所述缺陷类型进行鉴定包括使用数据库中的判定模块，判定缺陷类型、缺陷比例和缺陷对应储能器件状态。
本发明的有益效果在于：
本发明解决了对储能器件的全方位超声检测，由于超声的无损性、以及设备简单便捷性和对检测人员的无伤害性，应对储能器件实时进行无损检测。本发明包括制备过程中的质量控制、使用中的过程控制以及老化后的失效分析。
1.对储能器件的原材料进行质量控制。针对不同的材料的具体缺陷采用不同检测方式，进行超声缺陷数据库的建立，得以保证器件正常运行。
2.对储能器件的过程控制。基于储能器件的危险性使得在使用中极易产生爆炸等问题，所以过程监控极其重要。超声无损检测可高效地对产气，枝晶，裂缝等问题高效检出。对比超声数据库进行缺陷鉴定储能器件的状态以及预测寿命。
3.对储能器件的老化后的失效分析。本发明对于老化后的储能器件进行超声检测，进行破坏前的无损检测，给予基础科学研究失效数据。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明方法流程框图；
图2为反射式超声探头与透射式超声探头示意图；
图3空气耦合超声检测自动化检测行程示意图；
图4为超声检测信号与电信号关系。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明实施例提供一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，此处以锂离子软包电池作为研究对象，具体包括以下步骤：
由于超声检测作为储能器件的出厂前的最终检测，水或其他耦合剂有可能存在密封不严格问题导致安全问题的发生，所以选用空气耦合超声检测作为快速、高效检测方式。
步骤一、预测储能器件可能出现的缺陷，建立缺陷数据库。
储能器件包括锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、镍氢电池或超级电容器。
缺陷数据库包括识别储能器件制造过程中和储能器件组装后的缺陷、使用过程监控和失效分析。
制造过程中的缺陷包括正极、负极、集流体、隔膜、电解液电池组成部分的均匀程度、孔洞、裂纹、厚度和粗糙度。
储能器件组装后的缺陷包括的密封性和鼓包。
使用过程监控包括通过建立储能器件不同荷电状态模型，将不同荷电状态信息反馈至储能器件控制系统，检测电解液的使用量，推断电解液分解及产气情况，进行常规缺陷检测。
失效分析，包括剩余电量估计，老化后电解液剩余量、负极侧析锂情况和气泡引起的危险预警。
步骤二、根据不同的场景选用超声检测设备对储能器件进行检测，确定超声探头的频率。
超声检测设备包括超声成像系统设备和相控阵超声检测设备，超声成像系统设备包括浸入式探头和非接触式空气耦合超声探头。浸入式探头采用点聚焦式，检测方式为反射法；中心频率为1～10MHz，聚焦半径为0.01～2mm；非接触式空气耦合超声探头的检测方式为反射法或透射法；中心频率为0.1～1MHz；相控阵超声检测设备中心频率为1-10MHz。
步骤三、根据不同储能器件材料的不同声速，对储能器件进行A波扫描，确定超声检测设备的探头与储能器件的距离，针对不同缺陷使用不同检测方式。
不同储能器件材料包括金属、非金属、高分子、液体或气体；其中金属包括铜、铝、铁、钴、镍、锰、锌、钠、钾、钛和银；其中非金属包括碳、硫、磷、硒和硅；高分子包括PP、PE、TFE、PVC、PMMA、PET、PC和PU。
超声探头与储能器件的距离为1-10mm。
步骤四、进行超声自动扫描，设置包括闸门位置、步进速度、扫描精度及扫描方式。
闸门位置为表面波至底面波中的某个位置，步进速度为10～200mm/s；超声自动扫描通过三轴控制系统控制X，Y轴水平运动，Z轴垂直运动，扫描精度为0.005-0.1mm；扫描方式为B扫、C扫和S扫。
步骤五、结合超声图像，对超声自动扫描后的储能器件缺陷类型进行鉴定，对比缺陷数据库。超声检测信号与电信号关系见图4。
缺陷类型进行鉴定包括使用数据库中的判定模块，判定缺陷类型、缺陷比例和缺陷对应储能器件状态。
步骤六、根据对比缺陷数据库结果，确定储能器件出现的缺陷类型。
检测行程见图3所示。
本发明以下给出不同实施例来进一步说明本发明。
实施例1
步骤一、选用锂离子电池作为预测储能器件，根据锂离子电池可能出现的缺陷，建立缺陷数据库。
缺陷数据库包括识别锂离子电池制造过程中的缺陷，包括正极、负极、集流体、隔膜、电解液电池组成部分的均匀程度、孔洞、裂纹、厚度和粗糙度。
缺陷数据库包括锂离子电池组装后的缺陷，包括密封性和鼓包。
使用过程监控：通过建立储能器件不同荷电状态模型，将不同荷电状态信息反馈至锂离子电池控制系统，检测电解液的使用量，推断电解液分解及产气情况，进行常规缺陷检测。完成同一种储能器件的超声回波与储能器件状态模型的建立。
失效分析：包括剩余电量估计，老化后电解液剩余量、负极侧析锂情况和气泡引起的危险预警。
步骤二、根据不同的场景选用超声检测设备对锂离子电池进行检测，确定超声探头的频率。
采用超声成像系统设备，选用浸入式探头超声探头，采用点聚焦式，检测方式为反射法；中心频率为1～10MHz，聚焦半径为0.01～2mm。反射式与透射式超声探头见示意图2。
步骤三、根据锂离子电池金属材料的声速，(使用超声测速仪对待测材料进行声速测试)对锂离子电池进行A波扫描，确定超声检测设备的探头与锂离子电池金属的距离为10mm，针对缺陷使用非接触式空气耦合超声探头配合超声成像系统进行锂离子电池整体检测。
步骤四、进行超声自动扫描，设置包括闸门位置、步进速度、扫描精度及扫描方式。
闸门位置为表面波至底面波中的某个位置，步进速度为10～200mm/s；超声自动扫描通过三轴控制系统控制X，Y轴水平运动，Z轴垂直运动，扫描精度为0.005-0.1mm；扫描方式为B扫。
步骤五、结合超声图像，对超声自动扫描后的锂离子电池缺陷类型进行鉴定，对比缺陷数据库。
缺陷类型进行鉴定包括使用数据库中的判定模块，判定缺陷类型、缺陷比例和缺陷对应储能器件状态。
步骤六、根据对比缺陷数据库结果，确定储能器件出现的缺陷类型。
实施例2
步骤一、选用锌离子电池作为预测储能器件，根据锌离子电池可能出现的缺陷，建立缺陷数据库。
缺陷数据库包括识别锌离子电池制造过程中的缺陷，包括正极、负极、集流体、隔膜、电解液电池组成部分的均匀程度、孔洞、裂纹、厚度和粗糙度。
缺陷数据库包括锌离子电池组装后的缺陷，包括密封性和鼓包。
使用过程监控：通过建立储能器件不同荷电状态模型，将不同荷电状态信息反馈至锌离子电池控制系统，检测电解液的使用量，推断电解液分解及产气情况，进行常规缺陷检测。完成同一种储能器件的超声回波与储能器件状态模型的建立如图3。
失效分析：包括剩余电量估计，老化后电解液剩余量、负极侧析锂情况和气泡引起的危险预警。
步骤二、根据不同的场景选用超声检测设备对锌离子电池电极材料进行检测，确定超声探头的频率。
电极负极材料为锌片，电极正极材料为二氧化锰。
采用超声成像检测设备，选用中心频率为1MHz浸入式探头超声探头，采用点聚焦式，检测方式为反射法。
步骤三、根据锌的声速4170m/s，使用超声测速仪对二氧化锰正极进行声速测试，之后进行超声对锌离子电池进行A波扫描，确定超声检测设备的探头与锌离子电池的距离为5mm，针对缺陷采用点聚焦反射式检测方式。
步骤四、进行超声自动扫描，设置包括闸门位置、步进速度、扫描精度及扫描方式。
闸门位置为表面波至底面波中的某个位置，步进速度为10～200mm/s；超声自动扫描通过三轴控制系统控制X，Y轴水平运动，Z轴垂直运动，扫描精度为0.005mm；扫描方式为C扫。
步骤五、结合超声图像，对超声自动扫描后的锌离子电池缺陷类型进行鉴定，对比缺陷数据库。
缺陷类型进行鉴定包括使用数据库中的判定模块，判定缺陷类型、缺陷比例和缺陷对应储能器件状态。
步骤六、根据对比缺陷数据库结果，确定储能器件出现的缺陷类型。
实施例3
步骤一、选用超级电容器作为预测储能器件，根据超级电容器可能出现的缺陷，建立缺陷数据库。
缺陷数据库包括识别超级电容器制造过程中的缺陷，包括正极、负极、集流体、隔膜、电解液电池组成部分的均匀程度、孔洞、裂纹、厚度和粗糙度。
缺陷数据库包括超级电容器组装后的缺陷，包括密封性和鼓包。
使用过程监控：通过建立储能器件不同荷电状态模型，将不同荷电状态信息反馈至超级电容器控制系统，检测电解液的使用量，推断电解液分解及产气情况，进行常规缺陷检测。完成同一种储能器件的超声回波与储能器件状态模型的建立。
失效分析：包括剩余电量估计，老化后电解液剩余量、负极侧析锂情况和气泡引起的危险预警。
步骤二、根据不同的场景选用超声检测设备对超级电容器进行检测，确定超声探头的频率。
采用相控阵超声成像系统设备，选用浸入式探头超声探头，采用点聚焦式，检测方式为透射法；中心频率为3MHz，聚焦半径为0.05mm。
步骤三、对超级电容器行A波扫描，确定超声检测设备的探头与储能器件的距离为10mm，针对缺陷使用线聚焦透射式检测方式。
步骤四、进行超声自动扫描，设置包括闸门位置、步进速度、扫描精度及扫描方式。
闸门位置为表面波至底面波中的某个位置，步进速度为10～200mm/s；超声自动扫描通过三轴控制系统控制X，Y轴水平运动，Z轴垂直运动，扫描精度为0.005mm；扫描方式为C扫和S扫。
步骤五、结合超声图像，对超声自动扫描后的超级电容器缺陷类型进行鉴定，对比缺陷数据库。
缺陷类型进行鉴定包括使用数据库中的判定模块，判定缺陷类型、缺陷比例和缺陷对应储能器件状态。
步骤六、对使用不同循环下的超级电容器进行缺陷检测，将检测出的缺陷比如气孔数量、大小与数据库中的结果比对，进行剩余寿命预测。
本发明通过以上实施例实现了对超声成像系统的自动化应用，通过对质量控制分析、过程控制系统、以及失效分析的超声检测应用，在配合使用非接触式空气耦合探头与超声成像系统时完成工业上成品的全部在线检测，避免了有电状态下的储能器件接触水等耦合剂时的爆炸等安全问题。

Claims (10)

1.一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，预测储能器件可能出现的缺陷，建立缺陷数据库；
S2,根据不同的场景选用超声检测设备对储能器件进行检测，确定超声探头的频率；
S3，根据不同储能器件材料的不同声速，对储能器件进行A波扫描，确定超声检测设备的探头与储能器件的距离，针对不同缺陷使用不同检测方式；
S4，进行超声自动扫描，设置包括闸门位置、步进速度、扫描精度及扫描方式；
S5，结合超声图像，对超声自动扫描后的储能器件缺陷类型进行鉴定，对比缺陷数据库；
S6，根据对比缺陷数据库结果，确定储能器件出现的缺陷类型。
2.根据权利要求1所述的基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，所述储能器件包括锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、镍氢电池或超级电容器。
3.根据权利要求1所述的基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，所述缺陷数据库包括识别储能器件制造过程中和储能器件组装后的缺陷、使用过程监控和失效分析。
4.根据权利要求3所述的基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，所述制造过程中的缺陷包括正极、负极、集流体、隔膜、电解液电池组成部分的均匀程度、孔洞、裂纹、厚度和粗糙度；
所述储能器件组装后的缺陷包括的密封性和鼓包；
所述使用过程监控包括通过建立储能器件不同荷电状态模型，将不同荷电状态信息反馈至储能器件控制系统，检测电解液的使用量，推断电解液分解及产气情况，进行常规缺陷检测；
所述失效分析包括剩余电量估计，老化后电解液剩余量、负极侧析锂情况和气泡引起的危险预警。
5.根据权利要求1所述的基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，所述超声检测设备包括超声成像系统设备和相控阵超声检测设备。
6.根据权利要求5所述的基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，所述超声成像系统设备包括浸入式探头和非接触式空气耦合超声探头；
所述浸入式探头采用点聚焦式，检测方式为反射法；中心频率为1～10MHz，聚焦半径为0.01～2mm；
所述非接触式空气耦合超声探头的检测方式为反射法或透射法；中心频率为0.1～1MHz；
所述相控阵超声检测设备中心频率为1-10MHz。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，所述不同储能器件材料包括金属、非金属、高分子、液体或气体；其中金属包括铜、铝、铁、钴、镍、锰、锌、钠、钾、钛和银；其中非金属包括碳、硫、磷、硒和硅；高分子包括PP、PE、TFE、PVC、PMMA、PET、PC和PU。
8.根据权利要求1所述的一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法，其特征在于，所述超声探头与储能器件的距离为1-10mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法：其特征在于，所述的闸门位置为表面波至底面波中的某个位置，步进速度为10～200mm/s；
超声自动扫描通过三轴控制系统控制X，Y轴水平运动，Z轴垂直运动，扫描精度为0.005-0.1mm；扫描方式为B扫、C扫和S扫。
10.根据权利要求1所述的一种基于超声检测技术的储能器件状态检测方法：其特征在于，所述缺陷类型进行鉴定包括使用数据库中的判定模块，判定缺陷类型、缺陷比例和缺陷对应储能器件状态。
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