CN115524401A - 一种用于检测锂离子电池内部状态的滚轮式阵列超声传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可用于检测锂离子电池内部状态的超声传感器，电池内部状态主要包括电池的荷电状态、内部缺陷和电解液浸润情况，通过采集从电池内部反射的回波信号的幅值，基于超声C扫描成像技术对锂离子电池内部状态进行成像。滚轮轴上利用夹具将商用水浸式线阵超声探头固定，滚轮内部充满水。超声体波由滚轮轴激励，通过水与橡胶轮胎耦合到锂离子电池内部，电池内部主要是层级结构，超声波在两个材料界面处的反射波能量也会有不同，主要体现在回波幅值大小上。本发明可实现对锂离子电池非水浸式超声C扫描成像；可实现锂离子电池整体的SoC、内部缺陷以及电解液浸润情况的检测和评价。

Description

一种用于检测锂离子电池内部状态的滚轮式阵列超声传感器
技术领域
本发明为一种用于检测锂离子电池内部状态的滚轮式阵列超声传感器，属于超声无损检测领域，可对锂离子电池的荷电状态(State ofCharge，SoC)、内部缺陷(气泡)和电解液浸润情况进行成像检测和评价。
背景技术
受能源危机与环境危机的影响，开发绿色新能源成为决定世界经济发展的重要技术领域之一。锂离子电池具有能量密度大、循环性能好、自放电率低等优点，是非常具有应用前景的二次电池和化学储能电源，被广泛应用于新能源汽车、消费电子以及航空航天等领域。但在锂离子电池充放电循环过程中锂离子电池的内部状态也不断发生变化，从而导致安全性能发生改变，因此检测其内部状态尤为重要，通常会检测以下几个方面：(1)荷电状态(State of Charge，SoC)：表示电池长期搁置不用或者使用一段时间后，电池内剩余可放电电量与其完全满电状态的电量的比值，也就是平常说的剩余电量。SoC在实际应用帮助使用者推断电池的续航能力，是个尤为重要的状态参数，同时SoC也一直是锂离子电池无损检测的热点问题；(2)电芯产气：锂电池长期工作会出现老化失效现象，其中最普遍的失效是电芯产气。产气的原因主要是当电池内部各组分发生一些副反应时，则会产生少量气体，有时难以从外观上发现这些气体。例如当电解液中存在极其微量的水时，就会与电解质中的锂盐发生反应。如果置之不理，将会导致产气越来越多，锂离子再电池内部的流动发生阻碍，导致性能降低，严重时还会引发爆炸；(3)电解液的浸润情况：电解液浸润完全可以使得电极充分接收锂离子，使得锂离子再正负电极之间交换率大大提升，电池性能也随之提高。此外，电解液中含有大量的有机溶剂多为沸点和闪点很低的碳酸脂类分子，在高温(＞200℃)和高电压(≈4.6V)条件下极易发生氧化分解产生大量热量。若电解液浸润不完全，就会导致热量集中，不能及时得到分散或释放，锂离子电池极易发生热失控，甚至燃烧或者爆炸。
目前锂离子电池内部状态诊断技术通常被用于电池管理系统(BatteryManagement System，BMS)，这些方法主要通过间接测量获取相关的数据包括电压、电流和温度，从而去了解电池或电池组的SoC和SoH。因此，该方法太过依赖于间接测量的相关效应和推论，并且在电池故障等极端条件下可能不成立。另一方面，可以通过X射线层析扫描和中子散射法直接测量电池内部结构变化，但成本昂贵且费时，在许多实际应用中不适用。Bhanu Sood等2013年首次提出用超声方法检测锂离子电池老化过程中的内部缺陷。他们认为锂离子电池经过多次充放电循环之后电池内部产气电极产生褶皱，导致锂离子电池有明显的厚度变化。当超声波在电池内部传播时遇到发生褶皱的电极，则大部分声波会被反射回去，以此可根据超声回波信号判断锂离子电池内部缺陷情况。为了更加逼近锂离子电池结构的真实状态，Gold团队将声传播模型描述为由电解质完全填充的多孔结构，并利用Biot理论预测了声传播的速度变化，并且通过实验验证了慢纵波幅值随锂离子电池荷电状态线性变化的趋势。沈越团队同样借助超声检测方法对锂离子电池内部析锂、电解液浸润程度及电池内部产气现象进行了检测，总结分析了现有的超声检测方法在锂离子电池内部缺陷检测领域的应用，并对其应用发展前景做了展望。宋国荣团队对锂离子电池中电极力学特性参数进行了计算，借助于勒让德正交多项式法对锂离子电池中声波传播特性进行了更清晰全面的描述，并由实验结果表征了锂离子电池的荷电状态。由此可见，研制一款能够快速、高效以及大范围检测锂离子电池内部状态进行检测的设备是很有价值的。
发明内容
本发明旨在设计一种用于检测锂离子电池内部状态的滚轮式阵列超声传感器，利用这种传感器再加上三自由度运动台能够实现对锂离子电池内部状态的非水浸式超声C扫描检测。
为了实现上述目的，本发明采用如下的设计方案：
一种用于检测锂离子电池内部状态的滚轮式阵列超声传感器，包括：滚轮轮胎1、密封轴承2、线缆密封套3、水浸式阵列超声传感器4、传感器固定装置5和三自由度运动平台夹具6；线缆密封套3通过密封轴承2与滚轮轮胎1连接，所述水浸式阵列超声传感器4通过传感器固定装置5安装于滚轮轮胎1的内部；线缆密封套3的两端安装于三自由度运动平台夹具6上。
所述滚轮轮胎1内部充满有耦合剂；密封轴承2和线缆密封套3保证密闭性防止漏水；传感器固定装置5用两个金属片夹住水浸式阵列超声传感器4，保证水浸式阵列超声传感器4位置固定且能够垂直入射到被测物表面；三自由度运动平台夹具6使得滚轮式阵列超声传感器4能够对运动平台进行扫描路径规划后便可实现对电池整体的快速扫查。
该滚轮式阵列超声传感器的关键技术就是要让超声波很好地耦合到锂离子电池中，水浸无疑是最好的选择，但该传感器的设计初衷是既想达到水浸超声的耦合效果，同时也防止锂离子电池直接浸泡在水中。因此，需要让滚轮轮胎做好媒介，将水中的超声波耦合到电池内部。超声体波的传播路径如图3所示，超声波从传感器激发出来，经过水域到达滚轮轮胎，然后经过轮胎的耦合使得超声波进入到锂离子电池内部。由于电池内部是较为复杂的多层多孔结构，因此一部分激励超声波会在各层之间的界面处被反弹回去，原路返回被传感器接收到。
所述滚轮轮胎1采用透声橡胶材料，其声阻抗与水相近，其作用就是将水中的超声体波耦合到锂离子电池内部；密封轴承2能够让与传感器固定装置5相连的滚动轴能够360°自由旋转，同时起到密封作用防止转动时滚轮轮胎1内部的液体泄漏；线缆密封套3能将水浸式阵列超声传感器4的线材顺利引出，同时也要考虑到密封作用；水浸式阵列超声传感器4为16个阵元，阵元间距1mm，激励频率为5MHz；传感器固定装置5通过两个金属片夹住水浸式阵列超声传感器4；三自由度运动平台夹具6则是方便水浸式阵列超声传感器4与运动平台的连接。
所述滚轮轮胎1的材料为氯丁胶(牌号CR322)，厚度为6mm，声阻抗为1.53kg/m2s×106。
所述传感器固定装置5是由两个金属片通过螺栓固定到滚轮轴上，为了保证传感器不会松动，两个金属片之间的距离l1略小于传感器的宽度w，从而达到过盈配合。
本发明可以获得如下有益效果：
1)滚轮轮胎1起到干耦合作用，即利用该传感器无需将电池放入水中，防止了电极之间沾水导电的风险，同时也节省了对电池做防水的步骤，最后耦合效果也能够达到同水浸相同的效果。
2)水浸式阵列超声传感器4与传感器固定装置5配合的效果等同于市面上定制的超声阵列传感器轴，大大降低了研究成本。
3)利用该传感器配合超声C扫描成像技术能够实现对锂离子电池在不同SoC情况下的成像，也可对内部气泡缺陷进行定位成像，以及电解液浸润情况分布进行成像。对锂离子电池内部状态进行可视化成像，相比于只分析超声回波信号的特征参数，成像结果更加直观，方便非超声检测专业的检测人员的理解。
附图说明
图1：滚轮式阵列超声传感器外部分解示意图；
图2：滚轮式阵列超声传感器内部构造示意图；
图3：超声体波在传感器与锂电池间传播过程示意图；
图4：带三自由度运动台夹具的滚轮式阵列超声传感器示意图；
图5：传感器固定装置示意图；
图6：某厂商生产的水浸式阵列超声传感器示意图；
图7：水浸式阵列超声传感器阵元排布示意图
图8：橡胶试样透射实验示意图；
图9：锂离子电池内部状态实验系统搭建图；
图10：激励频率为5MHz时氯丁胶试样激励信号与透射信号；
图11：激励频率为5MHz时利用滚轮式阵列超声传感器接收到电池的反射信号；
图12：不同SoC下接收到的反射波信号。
图中：1、滚轮轮胎，2、密封轴承，3、线缆密封套，4、水浸式阵列超声传感器，5、传感器固定装置，6、三自由度运动平台夹具，7、金属片，8、滚轮轴，9、固定装置与滚轮轴连接件，10、水域，11、激励传感器，12、橡胶试样，13、接收传感器，14、橡胶试样夹具，15、传感器支架，16伺服驱动控制系统，17、上位机，18、多通道超声激励采集系统，19、三自由度运动平台，20、新威CT-4008T-5V6A充放电检测仪，21、商用软包电池。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明和验证。
1)滚轮轮胎透声性能检测
利用透射法对选取的透声橡胶材料进行声阻抗和透声系数的测量，由于该传感器内部充满水，因此我们需要轮胎材料的声阻抗与水相近同时透声系数最好大于0.85。按照图6搭建好实验装置，激励和接收传感器的中心频率为5MHz，激励信号为五周期汉宁窗调制的正弦波，激励传感器和接收传感器距离橡胶试样100mm。橡胶试样材质为氯丁胶(牌号：CR322)，厚度为6mm。首先，无需加入橡胶试样，采集此时的激励接收波形；然后，加入橡胶试样，采集此时的接收信号波形，这样就会得到如图9的波形。通过波形传播的几何路径分析可得，超声体波在橡胶试样中传播的速度为：
Figure BDA0003841780430000041
其中，d为橡胶试样厚度，τ为两个接收信号波形的时间差。然后根据声阻抗的公式：
Z＝ρ×c
其中，ρ为橡胶试样的密度，c为超声体波在该试样中传播的速度，通过计算可以得出氯丁胶的声阻抗为1.53kg/m2s×106，与水的声阻抗1.48kg/m2s×106接近。与此同时，通过透射信号的最大幅值比上激励信号的最大幅值便可得出该试样的透声系数，计算结果为0.87。通过以上测试得知可以用氯丁胶作为滚轮轮胎的材料。
2)传感器信号接收性能检测
按照图7搭建实验装置，此时无需打开充放电检测仪，将0.7mm厚的商用软包电池固定在实验平台上，通过上位机设置好激励信号的参数：激励频率5MHz，周期数5，激励通道数16，激励方式为同时激励同步接收；设置伺服驱动控制系统将传感器移动到电池上，此时开始激励并采集接收信号得到如图9的波形，需要注意的是，图9是传感器第8个阵元接收到的信号，由于每个阵元接受的波形几乎一样，在此只选择了一个通道接收到的信号放置于此。通过计算波速和现有的研究对比发现结果吻合，说明该传感器能够正常使用。超声波波速c的计算公式为：
Figure BDA0003841780430000051
其中l为锂离子电池的厚度，t为图9中两个相邻波形之间的时间差。
3)锂离子电池的不同SoC检测
同样按照图7搭建实验装置，取0.7mm的商用软包电池，采用充放电检测仪锂离子电池进行充放电，首先将锂离子电池放电至截止电压3V，静置2min，充电至充电截止电压4.2V。接着将满状态的锂离子电池以1C倍率放电至3V所用时间总时间T为50min，由公式：
Figure BDA0003841780430000052
其中t为放电时间，t取值范围为0-50min；将t设置为50min，所以该实验我们探究100％SoC和0％SoC的反射信号的区别。电池在满状态时采集一次，放电时间50min后采集一次，同样附图只附上了其中一个通道采集到的波形，最终可以得到图10的波形图。结果表明，SoC为100％时的反射波幅值比SoC为0％时的幅值要大，这与理论上吻合。
通过后两个实验将传感器的性能进行验证，发现可以正常接收到电池的反射信号，内部气泡和电解液浸润也同理是需要采集回波信号的幅值进行成像。

Claims (2)

1.一种用于检测锂离子电池内部状态的滚轮式阵列超声传感器，其主要包括滚轮轮胎(1)，密封轴承(2)，线缆密封套(3)，水浸式阵列超声传感器(4)，传感器固定装置(5)，三自由度运动平台夹具(6)；其特征在于：滚轮轮胎(1)是由透声橡胶材料加工而成，其内部需要充满耦合剂；密封轴承(2)和线缆密封套(3)保证该滚轮式阵列传感器的密闭性防止漏水；传感器固定装置(5)用两个金属片紧紧夹住水浸式阵列超声传感器(4)，保证阵列传感器位置固定且能够垂直入射到被测物表面；三自由度运动平台夹具(6)使得滚轮式阵列超声传感器和任意的三自由度运动平台进行连接，对运动平台进行扫描路径规划后便实现对锂离子电池整体的快速扫查；
滚轮轮胎(1)的材质具体为氯丁胶，经透射法测试该材料的声阻抗为1.53kg/m2s×106，而水的声阻抗为1.48kg/m2s×106，二者的声阻抗匹配，并且透声系数为0.87，厚度为6mm。其中，激励的超声体波的频率为5MHz，材料的声阻抗计算公式为z＝ρ×c，即材料的密度乘以超声波在该材料中传播的速度；而透声系数则是用透射信号幅值比上激励信号幅值。
2.根据权利要求1所述的一种用于检测锂离子电池内部状态的滚轮式阵列超声传感器，其特征在于：水浸阵列超声传感器的中心频率是5MHz，阵元数量为16，阵元间距为1mm，安装时要保证传感器与水平方向无夹角。
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