CN115453373A - 一种动力电池机械损伤在线探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的动力电池机械损伤在线探测方法，通过EIS芯片对动力电池的初始阻抗谱特性进行标定，在利用有限元法分析风险碰撞方向及载荷形式后，设计挤压试验，在试验中，利用EIS芯片表征动力电池的变形量与阻抗谱特性的对应关系，写入BMS形成损伤映射表，在发生碰撞时，即可通过EIS芯片对动力电池的实时阻抗谱特性进行扫描，并对照损伤映射表查找出变形量，由于动力电池阻抗谱的偏移特性不会随载荷消失而发生变化，能够确保机械损伤探测的准确性，并实现提前感知，同时，通过阻抗谱特性设置安全阀值，也更加可靠，能够对后续处理给出客观准确的指引。
Description
技术领域
本发明属于电池安全技术领域，具体涉及一种动力电池机械损伤在线探测方法。
背景技术
随着新能源技术的发展，动力电池在电动汽车、飞行器和船舶中的应用越来越广泛，在实际使用时，碰撞不可避免，碰撞会导致动力电池出现机械损伤，从而影响动力电池的电性能及安全性。
现有的动力电池大多搭载有对动力电池的电压、阻抗、表面温度等参数进行实时监控的电池管理系统，由于动力电池的电压、阻抗、表面温度等参数不仅受动力电池机械损伤程度的影响，还受动力电池当前电量、循环次数、环境温度等因素的影响，在出现碰撞，特别是轻微碰撞时，仅凭电池管理系统的监测值难以准确反映动力电池的机械损伤程度，无法对后续处理给出客观准确的指引；为解决这一问题，市场上出现了采用视觉检测装置判断动力电池机械损伤的方式，但这类方式的视觉检测装置基本设置在动力电池的电池包之外，只能观察到电池包外壳的损伤情况，无法准确反映内部动力电池的机械损伤程度；也有基于冷却液、电解液泄漏的动力电池机械损伤探测方法，但这类方法在发挥作用时，动力电池大多已失去使用价值，无法在动力电池的损伤发展到无法遏制的阶段之前进行探测，不具有提前感知功能，对避免事故及降低维修成本并无太大帮助。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种准确性好、能够实现提前感知的动力电池机械损伤在线探测方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是，动力电池机械损伤在线探测方法，包括以下步骤：
A.利用EIS芯片对动力电池进行初始阻抗谱特性标定；
B.利用有限元法对动力电池进行碰撞变形仿真，获得有风险的碰撞方向及载荷形式；
C.针对有风险的碰撞方向及载荷形式，设计挤压试验；
D.在挤压试验的挤压深度达到设定值时，暂停加载并保持挤压头位置不变，同时，通过EIS芯片在恒温条件下对动力电池初始阻抗谱的不同频率区域进行等效电路参数拟合，表征该动力电池在该变形量下的阻抗谱特性，建立阻抗谱特性与风险的映射关系；
E.将上述映射关系写入BMS，形成损伤映射表；
F.在BMS接收到车辆ECU表征的撞击、碰撞信号后，利用EIS芯片对动力电池进行阻抗谱扫描，获得实时阻抗谱特性，并在BMS的损伤映射表中查找出对应的变形量后反馈给车辆ECU；
G.通过车辆ECU向厂商、服务商和客户提示动力电池的机械损伤情况。
优选地，步骤D中的所述设定值参照动力电池出现组分材料断裂时的最大侵入量设定。
进一步优选地，所述设定值为所述最大侵入量的10%至40%。
优选地，步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，采用峰值电流为500mA的恒流测量方法。
优选地，步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，测量的频率范围为0.05Hz至10kHz。
优选地，步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，同步测量该动力电池的电压及温度，建立电压、温度与风险的映射关系。
进一步优选地，在步骤E中将所述电压、温度与风险的映射关系写入BMS，成为损伤映射表的一部分。
优选地，所述动力电池包括单体电池、若干单体电池经串联和/或并联而成的电池模组。
优选地，在进行步骤E时，同步向BMS中写入动力电池的类型及容量参数。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明提供的动力电池机械损伤在线探测方法，通过EIS芯片对动力电池的初始阻抗谱特性进行标定，在利用有限元法分析风险碰撞方向及载荷形式后，设计挤压试验，在试验中，利用EIS芯片表征动力电池的变形量与阻抗谱特性的对应关系，写入BMS形成损伤映射表，在发生碰撞时，即可通过EIS芯片对动力电池的实时阻抗谱特性进行扫描，并对照损伤映射表查找出变形量，由于动力电池阻抗谱的偏移特性不会随载荷消失而发生变化，能够确保机械损伤探测的准确性，并实现提前感知，同时，通过阻抗谱特性设置安全阀值，也更加可靠，能够对后续处理给出客观准确的指引。
附图说明
图1是本发明优选实施例的流程图。
图2是本发明挤压试验中动力电池变形量（侵入量）、载荷、电压及温度的曲线图。
图3是本发明挤压试验中动力电池阻抗谱偏移量与变形量的对应关系图。
图4是本发明挤压试验中挤压后的动力电池经X光检测的图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征更易于被本领域技术人员理解。
如图1所示，本发明提供的动力电池机械损伤在线探测方法，包括以下步骤：
A.利用EIS芯片对动力电池进行初始阻抗谱特性标定；
B.利用有限元法对动力电池进行碰撞变形仿真，获得有风险的碰撞方向及载荷形式；
C.针对有风险的碰撞方向及载荷形式，设计挤压试验；
D.在挤压试验的挤压深度达到设定值时，暂停加载并保持挤压头位置不变，同时，通过EIS芯片在恒温条件下对动力电池初始阻抗谱的不同频率区域进行等效电路参数拟合，表征该动力电池在该变形量下的阻抗谱特性，建立阻抗谱特性与风险的映射关系；
E.将上述映射关系写入BMS，形成损伤映射表；
F.在BMS接收到车辆ECU表征的撞击、碰撞信号后，利用EIS芯片对动力电池进行阻抗谱扫描，获得实时阻抗谱特性，并在BMS的损伤映射表中查找出对应的变形量后反馈给车辆ECU；
G.通过车辆ECU向厂商、服务商和客户提示动力电池的机械损伤情况。
这样设置的好处在于：在发生碰撞时，即可通过EIS芯片对动力电池的实时阻抗谱特性进行扫描，并对照损伤映射表查找出变形量，由于动力电池阻抗谱的偏移特性不会随载荷消失而发生变化，能够确保机械损伤探测的准确性，并实现提前感知，同时，通过阻抗谱特性设置安全阀值，也更加可靠，能够对后续处理给出客观准确的指引。
优选地，步骤D中的所述设定值参照动力电池出现组分材料断裂时的最大侵入量设定。
进一步优选地，所述设定值为所述最大侵入量的10%至40%。
优选地，步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，采用峰值电流为500mA的恒流测量方法。
优选地，步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，测量的频率范围为0.05Hz至10kHz。
优选地，步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，同步测量该动力电池的电压及温度，建立电压、温度与风险的映射关系。
进一步优选地，在步骤E中将所述电压、温度与风险的映射关系写入BMS，成为损伤映射表的一部分。
优选地，所述动力电池包括单体电池、若干单体电池经串联和/或并联而成的电池模组。
优选地，在进行步骤E时，同步向BMS中写入动力电池的类型及容量参数。
下面以50Ah方壳锂离子电芯的设计实验为例进行说明。
S1.将处于堆叠排布下的电芯移动至直径25mm的球形挤压头上方，利用挤压头进行加载，使电芯底部产生变形，记录变形量、载荷、电芯电压及温度，制成曲线图，如图2所示。
S2.根据图2可知该电芯在电压及温度出现显著变化时的最大变形量，将其标记为Ds，此时，电芯内部出现组分材料断裂，形成短路区域。
S3.另取同款电芯利用球形挤压头分别加载至Ds的10%、20%、30%、40%，同时，利用EIS芯片对电芯的阻抗谱特性进行标定，得到如图3所示的阻抗谱偏移量与变形量的对应关系图。
S4.卸载，检测电芯的电压、阻抗、温度等参数，确定安全阀值。
通过上述试验，能够得到该电芯阻抗谱偏移量与变形量的对应关系图，即阻抗谱特性与风险的映射关系，还能够得到变形量的安全阀值，根据该安全阀值查找出对应的阻抗谱特性，即可采用阻抗谱特性对碰撞时动力电池的安全性进行评判，从而对后续处理给出客观准确的指引。
需要说明的是，由图2可知，在该电芯压降ΔU和表面温升ΔT出现显著变化前，通过常规手段难以判断电芯变形造成的内部损伤程度，难以实现提早预警。
而10%Ds以内的变形量不会造成阻抗谱的显著改变，在超过10%Ds的变形量时，电芯内部组分材料分层现象已比较明显，参见图4，其阻抗谱出现明显右移，参见图3，而更高水平的挤压量会造成阻抗谱继续右移，在电芯内部形成局部褶皱和极片分层，直到出现明显的内部短路和温度上升，在卸载后，阻抗谱的右移特性不会消失，因而，通过本发明提供的探测方法可以有效检测电芯受到外部挤压时造成的机械损伤，并提前预警。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.利用EIS芯片对动力电池进行初始阻抗谱特性标定；
B.利用有限元法对动力电池进行碰撞变形仿真，获得有风险的碰撞方向及载荷形式；
C.针对有风险的碰撞方向及载荷形式，设计挤压试验；
D.在挤压试验的挤压深度达到设定值时，暂停加载并保持挤压头位置不变，同时，通过EIS芯片在恒温条件下对动力电池初始阻抗谱的不同频率区域进行等效电路参数拟合，表征该动力电池在该变形量下的阻抗谱特性，建立阻抗谱特性与风险的映射关系；
E.将上述映射关系写入BMS，形成损伤映射表；
F.在BMS接收到车辆ECU表征的撞击、碰撞信号后，利用EIS芯片对动力电池进行阻抗谱扫描，获得实时阻抗谱特性，并在BMS的损伤映射表中查找出对应的变形量后反馈给车辆ECU；
G.通过车辆ECU向厂商、服务商和客户提示动力电池的机械损伤情况。
2.根据权利要求1所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：步骤D中的所述设定值参照动力电池出现组分材料断裂时的最大侵入量设定。
3.根据权利要求2所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：所述设定值为所述最大侵入量的10%至40%。
4.根据权利要求1所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，采用峰值电流为500mA的恒流测量方法。
5.根据权利要求1所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，测量的频率范围为0.05Hz至10kHz。
6.根据权利要求1所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：步骤D中通过EIS芯片对所述动力电池进行等效电路参数拟合时，同步测量该动力电池的电压及温度，建立电压、温度与风险的映射关系。
7.根据权利要求6所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：在步骤E中将所述电压、温度与风险的映射关系写入BMS，成为损伤映射表的一部分。
8.根据权利要求1所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：所述动力电池包括单体电池、若干单体电池经串联和/或并联而成的电池模组。
9.根据权利要求1所述的动力电池机械损伤在线探测方法，其特征在于：在进行步骤E时，同步向BMS中写入动力电池的类型及容量参数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211244979.8A CN115453373A (zh) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 一种动力电池机械损伤在线探测方法 |
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| CN202211244979.8A CN115453373A (zh) | 2022-10-12 | 2022-10-12 | 一种动力电池机械损伤在线探测方法 |
Publications (1)
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| CN115453373A true CN115453373A (zh) | 2022-12-09 |
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|---|---|
| CN (1) | CN115453373A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116776674A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-09-19 | 浙江大学湖州研究院 | 锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法 |
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2022
- 2022-10-12 CN CN202211244979.8A patent/CN115453373A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116776674A (zh) * | 2023-06-06 | 2023-09-19 | 浙江大学湖州研究院 | 锂电池热失控下盖帽结构内爆破片损伤行为预测的有限元建模方法 |
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