TW201827824A - 用於物理分析之電池單元及感測器之模組化及可調式固持器 - Google Patents

用於物理分析之電池單元及感測器之模組化及可調式固持器 Download PDF

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Abstract

本發明係關於用於電池測試之系統及方法，其等包含一固持器系統。該固持器系統經設計以將一或多個傳感器耦合至測試中之一電池，其中該一或多個傳感器經組態以用於電池之電化學聲信號詢問(EASI)。該固持器系統包含：至少一臂，其用於安置耦合至電池之至少一傳感器；及一壓力施加器件，其用於施加壓力至該至少一傳感器且用於控制該至少一傳感器與電池之間的壓力。該固持器系統亦經組態以判定該至少一傳感器與電池之間的壓力且基於所判定壓力調節施加至該至少一傳感器之壓力。

Description

用於物理分析之電池單元及感測器之模組化及可調式固持器
所揭露之態樣係針對電池診斷。更特定而言之，例示性態樣係針對模組化可調式固持器，其等經組態以容納用於一或多個類型及/或形狀之電池之物理分析的一或多個類型之感測器。
電池工業當前缺乏用於偵測製造或使用期間一電池之物理特性及其等之變化且具有可擴展性、一致性、非破壞性、獨立性等等之屬性的技術。用於電池診斷之一些習知技術涉及量測電池之物理特性，諸如溫度、內部壓力、應力應變、開路電壓、直流(DC)阻抗、交流(AC)阻抗及電流電壓特性。 使用以上技術採集之關於一電池之資訊可用於推斷電池之整體狀況之不同態樣。例如，在鋰離子(Li離子)電池之充放電循環期間，Li離子電池中之一溫度增大可指示Li離子電池之充放電速率或功率輸出。替代地，溫度之增加可指示Li電池中可形成內部短路或電解質分解。在另一實例中，放置於一囊式電池之一表面處之一應變儀可用於偵測該囊式電池內之一壓力累積(例如，歸因於囊式電池內形成氣體)；或用於偵測該囊式電池內之電極之一劣化狀態。 電化學聲信號詢問(EASI)係使用超音波信號來量測電池之物理性質變化的另一診斷技術。EASI依照以下原理操作：一電池之聲行為對沿超音波信號之聲波行進之一路徑的物理性質之任何變化很敏感。據此，EASI可用於直接且主動地探測電池之內部組件(其中，應認識到，由於此探測由EASI實現，因此電診斷技術、熱診斷技術及基於應變之診斷技術無法實現此探測)。另外，EASI亦不可知電池之化學結構或幾何形狀。EASI亦可與最少硬體一起實施，諸如與電池體直接接觸之一對傳感器。 參考圖1，圖中展示包括用於EASI之例示性硬體的系統100之一示意圖。系統100包括電池102，一對傳感器108a至108b可在電池102之表面上之兩個位置處(例如，在相對側上)經貼附至該電池。圖中展示諸如螺釘106a至106b之硬體，但可使用用於將傳感器108a至108b貼附至電池102體之其他替代構件。電池循環裝置110表示充放電電池102之一控制器且可透過電池102之端子104a至104b連接至電池102。超音波脈衝發生器/接收器112經耦合至傳感器108a至108b，其中透過控制超音波脈衝發生器/接收器112之一者，傳感器108a至108b之一者經組態以發射超音波信號，而傳感器108a至108b之另一者經組態以接收所發射超音波信號。可經設置於識別為超音波脈衝發生器/接收器112之區塊內或經耦合至該區塊的一電腦(圖中未分開展示)可經組態以分析所接收之超音波信號且根據EASI技術推斷電池102之特性。 雖然一EASI系統(諸如系統100)可採用各種物理感測器，但經觀察，一單一感測器類型可能無法偵測可判定一電池狀況之物理特性之所有態樣及其等之變化。因此，一些電池診斷方法可採用使用不同感測器類型之兩個或兩個以上量測技術，以獲得電池狀況之一更完整情形(尤其當電池處於使用中時)。然而，除其中電引線經連接至電池接頭之電測試方法之外，該項技術領域中不存在用於維持量測感測器(特別是諸如傳感器108a至108b之EASI感測器)與電池體之表面之間的實體接觸之標準方法。 據此，需要可用於不同類型之電池(例如圓柱形電池、囊式單元等等)的模組化可調式固持器，其等與多種類型之量測感測器相容且可容納多種類型之量測感測器。
本發明之例示性態樣係針對用於電池測試之系統及方法。一固持器系統經設計以將一或多個傳感器耦合至測試中之一電池，其中該一或多個傳感器經組態以用於電池之電化學聲信號詢問(EASI)。該固持器系統包含：至少一臂，其用於安置耦合至電池之至少一傳感器；及一壓力施加器件，其用於施加壓力至該至少一傳感器且用於控制該至少一傳感器與電池之間的壓力。該固持器系統亦經組態以判定該至少一傳感器與電池之間的壓力且基於所判定壓力調節施加至該至少一傳感器之壓力。 例如，一例示性態樣係針對包括一固持器系統之一裝置。該固持器系統經組態以將一或多個傳感器耦合至一電池，該一或多個傳感器經組態以用於電池之電化學聲信號詢問(EASI)。該固持器系統包括：至少一臂，其經組態以安置耦合至電池之至少一傳感器；及一壓力施加器件，其經組態以施加壓力至該至少一傳感器以控制該至少一傳感器與電池之間的壓力。 又一例示性態樣係針對測試一電池之一方法。該方法包括：將一或多個傳感器耦合至電池，該一或多個傳感器經組態以用於電池之電化學聲信號詢問(EASI)；及將該至少一臂耦合至電池，其中至少一傳感器經安置於該至少一臂中。該方法進一步包括施加壓力至該至少一傳感器以控制該至少一傳感器與電池之間的壓力。 又一例示性態樣係針對一電池固持器系統，其包括：用於安置耦合至測試中之一電池的至少一傳感器之構件，該至少一傳感器經組態以用於電池之電化學聲信號詢問(EASI)；及用於施加壓力至該至少一傳感器以用於控制該至少一傳感器與電池之間的壓力之構件。
本專利申請案主張2016年11月2日申請待審且讓與該案受讓人之標題為「MODULAR, ADAPTABLE HOLDERS FOR SENSORS AND BATTERY CELLS FOR PHYSICAL ANALYSIS」之臨時專利申請案第62/416,497號之權利，且該案之全文明確以引用方式併入本文中。 本發明係受美國聯邦政府支持於國家科學基金會授予之批准號SBIR 1621926下進行。美國聯邦政府對本發明具有特定權利。 以下描述及針對本發明之特定態樣的相關圖式中揭露本發明之態樣。在不背離本發明之範疇之情況下可設想替代態樣。另外，本發明之熟知元件將不詳細描述且將省略以免模糊本發明之相關細節。 字詞「例示性」在本文中係意謂「用作為一實例、例項或圖解」。本文中描述為「例示性」之任何態樣並不一定解釋為佳於或優於其他態樣。相同地，術語「本發明之態樣」不要求本發明之所有態樣包含所討論之特徵、優點或操作模式。 本文中所使用之術語僅出於描述特定態樣之目的且不意欲限制本發明之態樣。如本文中所使用，除非上下文另有明確指示，否則單數形式「一」、「一個」及「該」意在亦包含複數形式。應進一步瞭解術語「包括」及/或「包含(including)」在本文中使用時指示所述特徵、整體、步驟、操作、元件及/或組件之存在，但不排除一個或多個其他特徵、整體、步驟、操作、元件、組件及/或其等之群組之存在或添加。 此外，就(例如)一計算器件之元件將執行之行動序列方面描述許多態樣。應認識到，本文中所描述之各種行動可由特定電路(例如特定應用積體電路(ASIC))、一或多個處理器所執行之程式指令或兩者之一組合來執行。另外，可認為本文中所描述之此等序列之行動完全體現為任何形式之電腦可讀儲存媒體，該等電腦可讀儲存媒體中已儲存執行之後將引起一相關聯處理器執行本文中所描述之功能的一組對應電腦指令。因此，本發明之各種態樣可體現為若干不同形式，其等之所有者已視為處於所主張標之範疇內。另外，就本文中所描述之態樣之各者而言，本文中可將任何此等態樣之對應形式描述為(例如) 「經邏輯組態以」執行所描述之行動。 本發明之例示性態樣係針對固持器，其等經組態以允許將一或多個感測器(其等可為不同類型)附接至不同類型及/或幾何形狀之電池，該一或多個感測器用於輔助電池之診斷。應瞭解，本發明中對「電池」之提及並不假定將其等固有限制為任何特定類型之電池或單元，而是一般意謂涵蓋任何類型之電化學能量儲存器件。 參考圖2A至2D，其等繪示例示性固持器系統200、220、240及260之示意圖。固持器系統200、220、240及260一般包括一或多個感測器，或更一般而言，其等包括經組態以機械耦合(例如，貼附或附接)至不同類型之電池(其等可為不同幾何形狀)之一或多個傳感器單元。 例如，自圖2A開始，其展示固持器系統200之俯視圖及側視圖。固持器系統200包括電池202，其可為一囊式/棱柱形單元。圖中展示固持器系統200之兩個代表性部分(一般指稱「臂」)且將其等指定為元件符號204a至204b。臂204a至204b可為可移動的且可經組態以與電池202之各種表面建立接觸。臂204a至204b分別包括傳感器208a至208b，其中傳感器208a至208b之各者經組態以將聲信號(諸如超音波聲音信號)發射至電池202及/或自電池202接收聲信號。雖然繪示兩個傳感器208a至208b (其中兩個傳感器208a至208b之一者可經組態以發射聲信號且兩個傳感器208a至208b之另一者可經組態以接收所發射信號)，但應了解，一單一傳感器亦可經組態以出於電池202之物理分析之目的同時發射及接收(例如，所反射信號)。 雖然未明確展示，但可存在用於導引傳感器208a至208b之各種控制機構、用於分析聲信號以診斷電池202之處理機構等等，其等經組態以與固持器系統200協作。在一態樣中，臂204a至204b可經組態以將傳感器208a至208b同軸放置於電池202之相對側上。傳感器208a至208b無需經對準以維持任何類型之對稱(例如，在俯視圖或側視圖中，在橫向方向上對稱)，且其等之各自對準可係基於所要分析之類型。固持器系統200之臂204a至204b亦可包括用於容納不同幾何形狀之電池202的槽及(對應地)用於使傳感器208a至208b相對於(例如，垂直於)電池202之表面成一所要角度對準的槽。如先前所提及，臂204a至204b可經個別且獨立地移動以在沿電池202之表面的不同位置處獲得基於聲信號之分析(例如EASI)。可藉由例示性態樣中之機器人機構或電腦控制機構來實現臂204a至204b之移動、對準及/或致動。 應認識到，在共等與電池202之接觸區域處施加至傳感器208a至208b之壓力可影響對通過電池202之所發射/接收信號之量測。因此，期望控制施加至諸如208a至208b之一或多個傳感器之壓力。據此，在一態樣中，可在臂204a至204b中分別設置一壓力施加器件或用於施加壓力之構件(諸如彈簧、氣動壓力機構、導螺桿、線性致動器、電磁螺線管、線性馬達致動器、液壓機構等等)以施加且維持一致且較佳可調節之壓力。圖2A繪示一例示性態樣，其中用於施加壓力之此等構件包含彈簧206a至206b，而圖2D繪示用於施加壓力之其他構件。如所展示，彈簧206a至206b可經組態以對傳感器208a至208b施加壓力以控制其等與電池202之表面之機械耦合(其中在所繪示實例中，傳感器208a至208b之各者經展示為安置於彈簧206a至206b之各者與電池202之間)。若(例如)使用經組態為相同精確度之壓縮彈簧的彈簧206a至206b，則可將相等堆疊壓力施加至兩個傳感器208a至208b。藉由使用彈簧206a至206b之彈簧剛度來調節彈簧壓縮距離可調節傳感器208a至208b與電池202之各自表面之間的界面處之壓力，例如，自每平方英寸1磅(psi)調整至10 psi (而(例如，將參考圖2D進一步描述之)其他致動方法可用於將壓力控制在自1 psi至50 psi或以上)。 圖2B展示固持器系統220之俯視圖及側視圖，該固持器系統可在一些態樣上類似於上文所描述之固持器系統200。據此，固持器系統220之相同組件可依與圖2A之固持器系統200類似之方式組態，且為簡潔起見，將避免重複相同組件之描述。值得注意地，出於(例如，使用EASI)對電池進行物理分析之目的，固持器系統220可經組態以將包括傳感器228a至228b之臂224a至224b機械耦合或實體耦合至電池222。電池222可為一圓柱形電池，且臂224a至224b可對應地經組態以容納圓柱形幾何形狀之電池222。臂224a至224b亦可包括用於施加壓力之構件，諸如分別耦合至傳感器228a至228b之彈簧226a至226b。 圖2C展示經組態以容納(例如)用於EASI之兩個以上傳感器單元之另一例示性固持器系統240。俯視圖中特定地展示臂244a至244b，其等經組態以允許傳感器之機械耦合以用於電池242之EASI。臂244a至244b之各者經展示為包括多個傳感器。例如，臂244a經展示為包括傳感器251a、252a及253a；且臂244b經展示為包括傳感器251b、252b及253b。用於施加壓力至此等傳感器251a至251b、252a至252b及253a至253b之各者的對應構件經展示為各自之彈簧246a至246b、247a至247b及248a至248b。雖然經展示各臂中安置三個傳感器單元(例如，臂244a中之251a、252a及253a)，但此等傳感器單元可在其等各自之臂內個別且獨立地移動，或在替代部署中，其等可經安置於單獨之臂中。此外，可個別控制各傳感器單元之壓力(例如，分別針對傳感器251a、252a及253a，使用彈簧246a、247a及248a)。 圖2C亦展示對應於上文所討論之固持器系統240之俯視圖的一電路示意圖。在一實例中，臂244a之傳感器251a、252a及253a可經組態以發射聲信號且臂244b之傳感器251b、252b及253b可經組態以接收所發射之聲信號(記住傳感器251b、252b及253b之各者可經組態以接收自任意一或多個傳感器251a、252a及253a發射之聲信號)。來自傳感器251a至251b、252a至252b及253a至253b之電線或互連線可經電耦合至多工器260，其可與一控制區塊及/或處理元件一起經組態以分析所發射及接收之信號(例如)以用於電池242之EASI。 此外，可能藉由使用聲學耦合劑(諸如(但不限於)聚合物凝膠、聚矽氧油、橡皮墊、彈性體、環氧樹脂、甘油及丙二醇等等)來實現上文所描述之傳感器與電池表面之間的一高品質機械接觸。例示性電池固持器亦可經設計以容納應變儀或濕度、化學種類等等之其他感測器及諸如熱電偶或壓力感測器之組件或感測器之任何組合之固持器(例如，3D打印的)。 例如，參考圖2D，固持器系統260之俯視圖及側視圖以對耦合劑、感測器槽及熱電偶槽之例示性繪示展示。更詳細而言，圖2D展示固持器系統260，其包括電池262 (其可經放置或安置於槽261中，如側視圖中所展示)及臂264a至264b (其包括用於電池262之EASI量測之傳感器268a至268b)。此外，用於對各自之傳感器268a至268b施加壓力之構件266a至266b經展示為用於恆壓致動之任何構件，例如，氣動、液壓、彈簧、螺釘、線性致動器等等。在側視圖中展示其中構件266a至266b類似於先前所描述之固持器系統般包括彈簧266a至266b之一實例。 如側視圖中所展示之耦合劑272可經放置於電池262與傳感器268a至268b之間的界面中，以實現上文所描述之傳感器268a至268b之面與電池262之表面之間的一高品質機械接觸。耦合劑272可由(例如)聚合物凝膠、聚矽氧油、橡皮墊、彈性體、環氧樹脂、甘油及丙二醇等等形成。 此外，固持器系統260亦可包含以元件符號270識別之一熱電偶。 在一些例示性態樣中，亦可對例示性電池執行應變量測及其等之相關應用/調節。例如，用於量測應變或用於量測一電池厚度變化之其他程序之構件(諸如一應變儀、雷射測距儀、紅外線(IR)測距儀等等)可用於量測傳感器-電池界面處之應變且據此執行任何所要調節。據此，圖中展示以元件符號274識別之一或多個槽，其中槽274可經組態以容納應變儀或濕度、壓力等等之其他感測器或其等之組合。 雖然固持器系統200、220、240及260中用於施加壓力之構件(例如，圖2A至圖2D中所討論之彈簧)可適合於某些情況，但可使用之用於施加壓力之不同構件之間可能存在差異。雖然此等差異可產生於用於施加壓力之任何構件中，但將更詳細討論彈簧之情況以說明下列區段中將討論之一些例示性特徵。在彈簧之情況中，差異可產生於其等之製造期間。不同彈簧之間的差異亦可存在於彈簧常數、剛度等等。彈簧特性之此等差異可引發由彈簧施加於各自之傳感器與電池(傳感器經機械耦合至其)之間的壓力之差異，其中本文中壓力指稱「Ptd 」。此外，在一電池之充/放電循環過程中，及隨著時間增長，電池體積可膨脹，此可導致用於對傳感器施加壓力之彈簧之額外壓縮，從而亦導致Ptd 之潛在變化。據了解，EASI與Ptd 相依，此意謂著Ptd 之變化(諸如上文所提及之Ptd 之增大)可影響所量測聲信號。因此，針對彈簧之情況，且更一般而言，針對用於對傳感器施加壓力之任何器件或構件之情況，期望維持傳感器-電池界面處之一恆壓Ptd 。據此，以下區段描述用於調節由用於施加壓力之器件或構件施加之壓力的器件或構件。 圖3A至圖3D展示經組態以調節傳感器-電池界面處之壓力Ptd 以(例如)用於EASI之諸多例示性固持器系統。圖3A繪示一例示性固持器系統300，其類似於圖2A中所討論之固持器系統200且不具有經組態以用於可調節壓力Ptd 之額外配置。更詳細而言，固持器系統300包括電池302，其中臂304a至304b經組態以固持經機械耦合至電池302之傳感器308a至308b，且其中各自之彈簧306a至306b經組態以將壓力施加於傳感器308a至308b上以促進耦合。 圖3B展示包括圖3A之固持器系統300之一增強的固持器系統310，其中固持器系統310包括一或多個壓力調節器件，在此情況中，該等器件經展示為經組態以將傳感器308a至308b耦合至電池302之板或槽314，其中可使用螺釘/螺栓312 (例如導螺桿)來調節壓力。在此實施方案中，用於調節電池302與傳感器308a至308b之間的界面上之壓力的壓力調節器件或構件經安置於該界面處。壓力感測器(圖中未展示)可經放置於電池302與傳感器308a至308b之各者之間的界面處，(例如)以量測裝配時之Ptd 且接著施加或維持傳感器-電池界面處之恆壓。 作為上文所描述之經組態為用於調節壓力之構件的板314及螺釘/螺栓312之一替代，可能使用機動線性致動器、線性步進馬達、機動導螺桿或其他電腦控制致動器來施加可調節壓力且將壓力感測器用作一回饋迴路之部分以確保滿足及/或維持適當壓力位準。利用具有手動導螺桿或具有電腦控制致動器之一壓力感測器之此等設計亦可用於在電池之充/放電循環過程期間監測及維持Ptd 。 圖3C展示固持器系統320，其經組態而具有用於調節施加於傳感器-電池界面上之壓力的另一例示性構件。在此情況中，用於對傳感器308a至308b施加壓力之構件(例如彈簧306a至306b)之壓力可分別使用用於調節壓力之構件(諸如螺釘/螺栓322a至322b)來調節，該等用於調節壓力之構件可經設置於對應臂304a至304b內或與對應臂304a至304b一起設置。依與參考圖3B所討論之方式類似之方式，用於調節壓力之替代構件可包含用於施加可調節壓力之機動線性致動器、線性步進馬達、機動導螺桿或其他電腦控制致動器。壓力感測器可再次經設置於傳感器-電池界面處，或替代地，其等可經設置於螺釘322a至322b與各自之傳感器308a至308b之間的界面處，其中該等壓力感測器可用作一回饋迴路之部分以確保傳感器-電池界面處滿足及/或維持適當壓力位準。 圖3D展示另一例示性固持器系統330，其中用於施加壓力之構件及用於調節壓力之構件可經組合至相同機構中。在此情況中，省略圖3A至圖3C中所展示之彈簧306a至306b，且螺釘332a至332b經展示為經組態以直接施加及調節傳感器308a至308b上之壓力。如先前所提及，在用於基於EASI之分析的各種量測過程中，出於施加及維持電池302上之恆壓之目的，替代機構可代替螺釘332a至332b使用或與螺釘332a至332b一同使用。 圖3E展示另一例示性固持器系統340，其中一定位盤經放置於用於調節或施加壓力之構件(或壓力致動機構)與一各自傳感器之後面之間。例如，定位盤344a至344b經放置於用於致動之任何構件或用於施加/調節壓力之構件342a至342b與傳感器308a至308b之各自後面之間。耦合劑346經展示為傳感器308a至308b之面或前面與電池302之間的固持器系統340之一選用特徵。 定位盤344a至344b經組態以維持與各自之傳感器308a至308b之平面後表面之接觸，從而使施加之壓力跨傳感器308a至308b之表面而分佈。已繪示一例示性定位盤342a/b之包含前視圖、側視圖及後視圖之各種視圖。如自後視圖可見，定位盤342a/b在後面具有一槽，其用於容納一活塞或彈簧或壓力致動器之「臂」或各自之用於施加/調節壓力之構件342a/b。另外，定位盤342a/b可與各自之傳感器308a/b具有相同之標定徑向尺寸且在一傳感器固持器凹槽中平穩地滑動。如放大視圖中所展示，定位盤342a/b可具有附件347 (例如，包括如定位盤342a/b之前視圖及側視圖中所見之一環形或圓形夾)，其經組態以配合於附接至各自之傳感器308a/b之電纜夾具348周圍。定位盤342a/b亦可經設計以將各自之傳感器308a/b之至少一後部分安頓或安置於其中。在上述態樣中，定位盤344a至344b可改良各自之傳感器308a至308b與電池342之對準度，且亦改良由各自之傳感器308a至308b發射/接收之聲信號之可重複性/一致性。 在一些態樣中，由於維持電池上之一恆定堆疊壓力(其不隨電池之初始厚度或充/放電循環期間電池厚度之任何變化而改變)，因此本文中揭露可為重力輔助型之例示性固持器系統。 參考圖4，圖中展示另一重力輔助型固持器系統400，其中電池402經放置於一平台上，其中該平台可包括一固定基座418 (例如，在一低成本及靈活實施方案中，使用一3D打印機建構)，其具有由(例如)一金屬塊或金屬板412a形成之一頂面。已展示其中電池402可經放置於金屬板412a之頂部上的槽。 取決於電池之類型或電池之幾何形狀，另一金屬塊或金屬板412b可經組態以與位於不同於金屬板412a之表面(或更特定而言之，與金屬412a之表面相對)的一表面上之電池接觸。在此情況中，如所繪示之一側視圖中，由於包括固定基座418及金屬板412a之平台位於電池402之底側上，因此金屬板412b可經組態以與電池402之頂側接觸。此外，金屬板412b可藉由穿過金屬板412b中之預製孔的潤滑金屬柱414(或替代地，用於為金屬塊412b提供自由運動之其他構件，諸如導軌、桿、軌道等等)來移動。亦可在金屬板412a及固定基座418中製造對應孔以容納金屬柱414之任何剩餘長度。替代地，底部及頂部金屬板414a至414b可具有經機器切割以配合任何幾何形狀之電池402的凹槽，其等包含用於囊式及棱柱形單元之矩形槽及用於圓柱形單元之半圓形片段。藉由此配置，金屬板412b可經組態以藉由重力之輔助提供電池402上之一恆壓。 雖然在所繪示實施方案中可省去用於施加壓力之額外構件，但臂404a至404b經展示為分別附接至或機械耦合至金屬板414a至414b，其中臂404a至404b分別包括傳感器408a至408b及用於施加壓力之額外構件(諸如彈簧406a至406b)。組合而言，固持器系統400可經組態以電耦合及/或機械耦合傳感器408a至408b，其等用於將聲信號發射至電池402中/接收來自電池402之聲信號以用於電池402之EASI。 雖然上文已討論金屬板412a至412b或金屬塊，但用於將一恆重施加於坐落於一固定基座或平台上之一電池之頂部上的任何構件可代替其等使用。在所繪示之固持器系統400之實例中，傳感器408b經貼附至其之金屬塊412b可經組態以沿金屬柱414自由移動。就此組態而言，隨著電池402經歷充/放電循環，(例如)對應地，包括臂404b之恆重可沿金屬柱414移動，且可依此方式維持施加於傳感器-電池界面上之一恆壓。 另外，壓力感測器可經放置於傳感器408a至408b與各自之金屬板412a至412b之間，且用於調節 壓力之構件(諸如螺釘410a至410b)亦為所繪示態樣。就用於調節壓力之替代構件而言，電腦控制致動器、氣動或電磁螺線管、線性或其他類型之機械致動器等等可用於對金屬板412a至412b施加一恆定Ptd 。藉由利用一應變儀或用於量測電池402之厚度變化的其他構件，可獲得(例如)對充/放電循環期間之精確電池厚度之一額外量測。可依各種方式(例如，藉由沿柱414放置且經連接至一電腦之位移感測器)來使此厚度量測自動化。 本文中所討論之例示性固持器系統可為一模組化設計。例如，用於安置傳感器單元之固持器(上文中指稱「臂」)之態樣及容納電池之固持器(或「電池固持器」)之態樣可彼此獨立或可按需要耦合。用於容納電池之固持器之態樣可包括柔性單元(例如，3D打印的)、金屬或塑膠套，其等具有相同(且在一些例項中，同軸)之槽以將電池體或電池表面曝露至傳感器。在一些態樣中，該等槽不必要為同軸的，且可支持其中可執行偏軸傳感器量測的傳感器配置。 該等臂可具有配合至電池固持器上之一夾具，使得傳感器穿過電池固持器上之槽而精確地坐落於電池表面上。 此外，電池固持器亦可經設計以容納應變儀之固持器或濕度、化學種類等等之其他感測器之固持器及諸如熱電偶或壓力感測器之組件之固持器或感測器之任何組合之固持器(例如，3D打印的)。 電池固持器及感測器固持器亦可具有允許將各種感測器固持器精確地貼附至電池固持器之通用夾具。該等通用夾具允許穿過電池固持器中之槽以對電池體進行量測。根據所揭露態樣，可在將電池放置於電池固持器內之前將感測器固持器預先裝載及附接至電池固持器。 上文所描述之固持器系統之模組化設計可經組態以收集長期之充/放電循環資料及透過基於聲信號之分析(諸如EASI)來量測電池之溫度、壓力及內部結構。例示性模組化固持器系統亦可經有利地組態以使用EASI來進行開路電壓、溫度、內部壓力及內部結構之快速短期量測。對一「快照」中之多個物理參數進行量測將允許執行電池測試(例如)以檢查是否所有參數均處於容許度內且可使用。 上文所描述之例示性固持器設計可經組態以將個別電池及(若適用)感測器手動設定/裝載至固持器系統中。然而，手動裝載可引起與使用者有關之低效率及誤差。例如，若對一電池製造線執行EASI，則可藉由自動化裝載及設定程序來實現高產量操作。在此等自動化部署中，(例如)可提前將感測器固持器更有利地設計成一電池固持器，且可將電池固持器設計成自動化致動器臂或單元，該等臂或單元可經高效且快速地放置於測試中之各電池上以用於高產量量測。電池固持器可經附接至具有運動及壓力感測器之機械臂，該等運動及壓力感測器用於偵測一電池之路徑中是否存在該電池及將電池固持器自動關閉或鎖定至適當位置及完成量測。將電池自動對準電池固持器之此等實施方案可用於確保(例如)由傳感器施加之壓力(用於EASI)及應變儀及用於量測電池厚度之其他技術係準確的，此係因為相關設定可經程式化至自動機械臂中。 圖5繪示一例示性自動化固持器系統之各自態樣。更特定而言之，圖中展示一固持器(諸如圖4之固持器400)之一側視圖及一俯視圖。側視圖繪示恆壓致動器或用於調節壓力之構件，諸如螺釘410a至410b，傳感器固持器，諸如金屬板412a至412b (具有可移動固持器或頂部金屬板412b及固定固持器或底部金屬板412a)，其等包括感測器及傳感器408a至408b (在一些態樣中，其可包含傳感器陣列)之槽。俯視圖繪示頂部金屬板412b、臂404b及螺釘410b。在一例示性實施方案中，所繪示之固持器系統400之頂部部分(例如，臂404b及金屬板412b)可(例如)使用一自動化系統來移動，該自動化系統經組態以升高及降低此等頂部部分以在各電池穿過固持器系統400時將相關傳感器機械耦合至各電池。圖中展示各種電池502a、502b、502c、502d、502e，其中電池502c經精確對準於固持器系統400之頂部部分下。電池502a至502e可經放置於傳送帶504 (例如，類似於一生產線)上，且當傳送帶504使電池502a至502e穿過感測器單元時，可快速進行物理量測。 例示性自動化量測系統(諸如圖5中所描繪者)可經併入至用於品質控制/品質保證之一系統中，其中量測感測器之輸出可經饋送至一演算法中，該演算法用於對所測試電池之品質之分級/評級且據此分類或將電池放入箱中。 在習知電池測試設計中，針對不同幾何形狀(諸如矩形、圓柱形等等)可需要單獨之平台設計。然而，例示性固持器系統可經組態為通用固持器系統，就意義而言，其可適用於或容納任何幾何形狀或測試中之電池之形狀。在一些態樣中，例示性通用固持器系統可將機械致動併入至用於固定且定位測試中之電池的電池固持器中。例如，可使用一或多個光學或觸覺或其他類型之近接感測器來在將電池放置至電池固持器中期間測量一電池之形狀及其在電池固持器內之位置。此外，接著，可使用電腦控制機構來致動機械零件以適當地放置、對準及固定電池以用於量測。如本文中所描述，亦可使用具有通用夾具之一類似類型之感測器固持器來使模組化感測器設計成為可能。 在一些態樣中，可使用一流體耦合劑(諸如聚合物凝膠、聚矽氧油、甘油、丙二醇或其等之組合)來確保聲學傳感器與可使用其等測試之物件(例如，上文所描述之態樣中之電池)之間的適當機械耦合。該流體耦合劑可產生或改良機械接觸。然而，在一些例項中，該流體耦合劑可自傳感器(或固持該傳感器之臂)與測試中之電池之間的界面流失或流走，因此流體耦合劑可無法持續多個量測。該流體耦合劑可為特別短壽命的或不適合於高產量環境(如一電池生產線)。 據此，在本發明之一些態樣中，可代替使用一非流體耦合劑，其中該非流體耦合劑可經施加至傳感器(或固持該傳感器之臂)。依此方式施加之非流體耦合劑可可靠地改良傳感器與測試中之電池之間的機械接觸以用於多個量測，而不引起對電池之損壞或遺留任何殘留物。 現參考圖6，圖中展示固持器系統600，其包括先前參考圖2C描述之固持器系統240之諸多特徵，且將避免對相似元件符號之組件之一詳盡重複。簡單而言，如圖中所見，圖6展示一電路之一示意圖，其中臂244a之傳感器251a、252a及253a經組態(例如)以發射聲信號且臂244b之傳感器251b、252b及253b經組態(例如)以接收所發射之聲信號(記住傳感器251b、252b及253b之各者可經組態以接收自任意一或多個傳感器251a、252a及253a發射之聲信號)。來自傳感器251a至251b、252a至252b及253a至253b之電線或互連線可經電耦合至多工器260。超音波脈衝發生器/接收器604可經組態以將信號發射至多工器260以適當地路由至適宜傳感器251a、252a及253a以用於發射，且對應地，多工器260可將自傳感器251b、252b及253b接收之信號路由回超音波脈衝發生器/接收器604以用於進一步分析(其中，應了解，在一些實施方案中，超音波脈衝發生器/接收器604之脈衝發生器及接收器部分可包含於一單一單元內，而在其他實施方案中，該等脈衝發生器及接收器部分可經單獨安置及/或單獨控制)。耦合至超音波脈衝發生器/接收器604之電腦602可藉由(例如)執行與電池242之EASI相關之計算來輔助分析。 圖6中亦展示傳感器251a至251b、252a至252b、253a至253b與電池242之間的耦合劑。各自之傳感器與電池242體之間的耦合劑以元件符號606識別。耦合劑606可為流體耦合劑或非流體耦合劑。在一態樣中，耦合劑606可經組態為如上文所討論之非流體耦合劑或乾耦合劑，且可經施加於所展示之各自界面處以用於在若干測試期間維持各自之傳感器與電池242體之間的良好機械接觸。可依一保護罩或蓋罩之形狀來將乾耦合劑(諸如耦合劑606)施加至各自之傳感器(或安置該等傳感器之臂)或其他感測器。諸多類型之乾耦合劑可用於形成耦合劑606，包含(例如)聚矽氧橡膠、彈性體、蠟、氰基丙烯酸酯、環氧樹脂等等。此等乾耦合劑可(例如，依一保護罩或蓋罩之形狀)施加至傳感器上且經固定至電池固持器(例如，固定至臂244a至244b)。在一些例項中，電池固持器亦可經設計以具有一機械超音波耦合劑傳感器保護罩。 在例示性態樣中，應認識到，設置於例示性固持器系統中之傳感器可不為聲點源，相反，其等可具有有限直徑，其中一傳感器所發射之聲波(例如)可發源於傳感器(例如，經實施為一壓電傳感器(PZT)或聚偏二氟乙烯(PVDF)傳感器等等)之整個表面。經觀察，其面為一平面圓形形狀之一傳感器在該傳感器之前面發射類似於一圓柱形物質之一聲場。由於聲波源於沿傳感器之面的若干點，因此所發射之超音波信號沿該波束之強度受到建設性及破壞性波干擾(亦稱為繞射)影響。此等類型之干擾可導致超音波信號在該源(即傳感器)附近(其指稱傳感器之一「近場」)之強度之大量波動。由於近場內之聲變化，因此當材料(例如電池)經定位於近場內時，準確評估其等之缺陷係有挑戰性的。 近場之外的區域(其中超音波更均勻)指稱傳感器之一「遠場」。在遠場中，經觀察，超音波依源於傳感器之面中心之一圖案向外伸展。近場與遠場之間的過渡發生於一距離N 處，且有時指稱為一平板式(或非聚焦)傳感器之一「自然焦點」。近場/遠場距離N 很重要，此係因為描述近場之特徵的振幅變化在過渡點處變成一平穩下降振幅。經觀察，就該傳感器而言，緊挨著近場外之一區域為其中超音波行為良好且處於其之最大強度之區域。因此，當樣本或測試中之電池經放置於與傳感器之面相距稍微超過距離N 的一距離處時，可獲得最佳偵測結果。在例示性態樣中，一波導可經部署以將樣本或電池緊挨著傳感器之「近場」外定位。 參考圖7，其展示具有電池702及臂704a至704b之固持器系統700之一俯視圖，該等臂分別包括用於EASI量測之傳感器708a至708b、定位盤714a至714b (如參考圖3E所描述)及用於施加/調節壓力之構件712a至712b。在一實例中，傳感器708b可經組態為用於發射超音波之一發射傳感器，且傳感器708a可經組態為一接收器傳感器。圖中亦展示波導720，其經安置於傳感器708b與電池702之間，經組態以將電池702定位於傳感器708b之近場之外。波導720使電池702相對於傳感器708b定位之距離N 可依下式計算：N = D2 f/4c ，其中D 為傳感器708b之一直徑，f 為由傳感器708b發射之聲波或超音波之一頻率，且c 為聲音在介質或波導720之材料中之速度。 波導720可經實施為長度為N 且直徑為D 的一已知材料之一圓柱或塊(其中，c 為聲音在該已知材料中之速度)且經放置於頻率為f 之發射傳感器708b前面以將電池702緊挨著傳感器708b之「近場」外定位。在例示性態樣中，其中波導係由具有極低阻尼之一材料製成的實施方案可看作係有利的。另外，耦合劑(如參考圖2D、圖6所討論)可用於改良固持器系統700之各種組件之間的機械接觸。例如，如所展示，耦合劑716a可經安置於波導720與電池702之間，且耦合劑716b可經安置於傳感器708b與波導720之間。 根據圖7，波導720可經包含為固持器系統700之一部分以改良聲信號之品質，該等聲信號進入電池702且在電池702之另一側上之接收器傳感器708a處被接收。使用波導720可避免或最小化聲波之「近場」波動，且可據此改良聲學量測之可靠性。 應理解，態樣包含用於執行本文中所揭露之程序、功能及/或演算法之各種方法。例如，圖8繪示測試一電池(例如，圖2A之電池202)之一例示性方法800。 方塊802包括將一或多個傳感器(例如，傳感器208a至208b)耦合至電池，該一或多個傳感器經組態以用於電池之電化學聲信號詢問(EASI)。 方塊84包括將至少一臂耦合至電池，其中至少一傳感器經安置於該至少一臂(例如，臂204a至204b)中。 方塊806包括(例如，使用諸如彈簧206a至206b之壓力施加器件)對該至少一傳感器施加壓力以控制該至少一傳感器與電池之間的壓力。 一般技術者將理解，可使用各種不同科技及技術之任何者表示資訊及信號。例如，可貫穿以上描述引用之資料、指令、命令、資訊、信號、位元、符號及碼片可由電壓、電流、電磁波、磁場或磁性粒子、光場或光學粒子或其等之任何組合來表示。 此外，一般技術者應理解，結合本文所揭示之態樣而描述之各種繪示性邏輯區塊、模組、電路及演算法步驟可經實施為電子硬體、電腦軟體或兩者之組合。為清楚繪示硬體與軟體之此互換性，上文一般已根據其功能性而描述各種繪示性組件、區塊、模組、電路及步驟。此等功能性是否經實施為硬體或軟體取決於施加於整體系統上之特定應用及設計約束。熟習此項技術者可針對各特定應用依各種方式實施所描述功能性，但此等實施方案決定不應解譯為造成對本發明之範疇之一背離。 結合本文所揭示之態樣而描述之方法、序列及/或演算法可在硬體中、由一處理器執行之一軟體模組中或二者之一組合中直接體現。一軟體模組可駐存於RAM記憶體、快閃記憶體、ROM記憶體、EPROM記憶體、EEPROM記憶體、暫存器、硬碟、一可移除磁碟、一CD-ROM或技術中已知之任何其他形式之儲存媒體中。一例示性儲存媒體可經耦合至該處理器，使得該處理器可自該儲存媒體讀取資訊及寫入資訊至該儲存媒體。 據此，本發明之一態樣可包含體現使用耦合至電池之傳感器(用於發射/接收聲信號)來分析一電池之一方法的一電腦可讀媒體。據此，本發明不受限於所繪示實例，且本發明之態樣中包含用於執行本文中所描述之功能的任何構件。 儘管前述揭露內容展示本發明之說明性態樣，然應注意，在不背離由隨附申請專利範圍所界定之本發明之範疇的情況下，可在本文中作出各種改變及修改。本文中所描述之根據本發明之態樣的方法技術方案之功能、步驟及/或行動無須按任何特定順序執行。此外，雖然以單數描述或主張本發明之元件，但除非明確指出限於單數，否則亦考慮複數。
100‧‧‧系統
102‧‧‧電池
104a至104b‧‧‧端子
106a至106b‧‧‧螺釘
108a至108b‧‧‧傳感器
110‧‧‧電池循環裝置
112‧‧‧超音波脈衝發生器/接收器
200‧‧‧固持器系統
202‧‧‧電池
204a至204b‧‧‧臂
206a至206b‧‧‧彈簧
208a至208b‧‧‧傳感器
220‧‧‧固持器系統
222‧‧‧電池
224a至224b‧‧‧臂
226a至226b‧‧‧彈簧
228a至228b‧‧‧傳感器
240‧‧‧固持器系統
242‧‧‧電池
244a至244b‧‧‧臂
246a至246b‧‧‧彈簧
247a至247b‧‧‧彈簧
248a至248b‧‧‧彈簧
251a至251b‧‧‧傳感器
252a至252b‧‧‧傳感器
253a至253b‧‧‧傳感器
260‧‧‧固持器系統
261‧‧‧槽
262‧‧‧電池
264a至264b‧‧‧臂
266a至266b‧‧‧彈簧
268a至268b‧‧‧傳感器
270‧‧‧熱電偶
272‧‧‧耦合劑
274‧‧‧槽
300‧‧‧固持器系統
302‧‧‧電池
304a至304b‧‧‧臂
306a至306b‧‧‧彈簧
308a至308b‧‧‧傳感器
310‧‧‧固持器系統
312‧‧‧螺釘/螺栓
314‧‧‧板或槽
320‧‧‧固持器系統
322a至322b‧‧‧螺釘/螺栓
330‧‧‧固持器系統
332a至332b‧‧‧螺釘
340‧‧‧固持器系統
342a至342b‧‧‧構件
344a至344b‧‧‧定位盤
346‧‧‧耦合劑
347‧‧‧附件
348‧‧‧電纜夾具
400‧‧‧重力輔助型固持器系統
402‧‧‧電池
404a至404b‧‧‧臂
406a至406b‧‧‧彈簧
408a至408b‧‧‧傳感器
410a至410b‧‧‧螺釘
412a‧‧‧金屬塊或金屬板
412b‧‧‧金屬塊或金屬板
414‧‧‧潤滑金屬柱
418‧‧‧固定基座
502a至502e‧‧‧電池
504‧‧‧傳送帶
600‧‧‧固持器系統
602‧‧‧電腦
604‧‧‧超音波脈衝發生器/接收器
606‧‧‧耦合劑
700‧‧‧固持器系統
702‧‧‧電池
704a至704b‧‧‧臂
708a‧‧‧接收傳感器
708b‧‧‧發射傳感器
712a至712b‧‧‧構件
714a至714b‧‧‧定位盤
716a至716b‧‧‧耦合劑
720‧‧‧波導
800‧‧‧方法
802‧‧‧方塊
804‧‧‧方塊
806‧‧‧方塊
Ptd‧‧‧壓力
隨附圖式經呈現以輔助描述本發明之各種態樣且其等僅為繪示而非限制而提供。 圖1係繪示用於EASI之例示性硬體之一示意圖。 圖2A至圖2D繪示根據本發明之例示性態樣之用於電池之EASI之例示性固持器系統。 圖3A至圖3E繪示根據本發明之態樣之用於施加及調節傳感器與測試中之電池之間的壓力之例示性機構。 圖4繪示根據本發明之態樣之具有一重力輔助機構之一例示性固持器系統，該重力輔助機構用於在傳感器與測試中之電池之間施加壓力。 圖5繪示根據本發明之態樣之用於電池測試之一例示性自動化程序。 圖6繪示根據本發明之例示性態樣之用於改良傳感器與電池之間的機械接觸之耦合劑之例示性態樣。 圖7繪示根據本發明之例示性態樣之經組態以將電池定位於一傳感器之一近場之外的一距離處之一波導之態樣。 圖8繪示根據本發明之例示性態樣之使用一固持器系統來測試一電池之一方法。

Claims (30)

  1. 一種裝置，其包括： 一固持器系統，其經組態以將一或多個傳感器耦合至一電池，該一或多個傳感器經組態以用於該電池之電化學聲信號詢問(EASI)，該固持器系統包括： 至少一臂，其經組態以安置耦合至該電池之至少一傳感器；及 一壓力施加器件，其經組態以施加壓力至該至少一傳感器以控制該至少一傳感器與該電池之間的壓力。
  2. 如請求項1之裝置，其中該至少一傳感器係聲信號之一發射器或接收器之一者。
  3. 如請求項2之裝置，其進一步包括一超音波脈衝發生器及接收器，該超音波脈衝發生器及接收器經組態以發射穿過經組態以發射聲信號之一第一傳感器之一聲脈衝，且接收穿過經組態以接收聲信號之一第二傳感器之該所發射脈衝。
  4. 如請求項3之裝置，其中該第一傳感器經安置於一第一臂中且該第二傳感器經安置於一第二臂中，其中該第一臂及該第二臂可經獨立地移動，且其中該第一臂及該第二臂經安置成相對於彼此同軸或偏軸之一者。
  5. 如請求項3之裝置，其中該第一傳感器及該第二傳感器經安置於一第一臂中。
  6. 如請求項1之裝置，其中該壓力施加器件包括彈簧、氣動壓力機構、導螺桿、線性致動器或電磁螺線管之一或多者。
  7. 如請求項1之裝置，其進一步包括經組態以調節由該壓力施加器件所施加之該壓力的一壓力調節器件。
  8. 如請求項7之裝置，其中該壓力調節器件包括以下之一或多者： 一螺釘及螺栓總成，其經安置於該至少一傳感器與該電池之間的一界面處；或 一螺釘，其經安置於該至少一傳感器之一外側處，該外側與該至少一傳感器與該電池之間的該界面相對。
  9. 如請求項7之裝置，其進一步包括經組態以判定該至少一傳感器與該電池之間的壓力的至少一壓力感測器，其中該壓力調節器件包括一或多個機動線性致動器、線性步進馬達、機動導螺桿、電腦控制致動器，其等經組態以基於來自該至少一壓力感測器、電腦控制氣動閥、電腦控制活塞或電腦控制螺線管之回饋來施加可調節壓力。
  10. 如請求項1之裝置，其進一步包括經組態以判定該至少一傳感器與該電池之間的一界面處之應變的一應變儀。
  11. 如請求項1之裝置，其中該壓力施加器件包括一重力輔助型器件，該重力輔助型器件包括一固定平台及一可移動平台，該可移動平台經組態以基於重力施加壓力，其中該至少一臂經耦合至該可移動平台。
  12. 如請求項1之裝置，其中該電池包括包含一囊式單元或一圓柱形單元的一或多個幾何形狀之單元。
  13. 如請求項1之裝置，其中該固持器系統進一步包括用於容納該電池之一槽、用於容納該電池之一槽或用於容納一或多個感測器之一或多個槽之一或多者。
  14. 如請求項1之裝置，其進一步包括一器件，該器件用於自動地、藉由機器人地或藉由電腦控制地將該臂相對於該電池放置以精確對準該至少一傳感器。
  15. 如請求項14之裝置，其中該器件包括一傳送帶，其經組態以在測試兩個或兩個以上電池之一程序期間使該兩個或兩個以上電池依一逐步方式與該至少一臂接觸。
  16. 如請求項1之裝置，其進一步包括一非流體耦合劑，其經施加至該至少一傳感器以改良該至少一傳感器與該電池之間的機械接觸。
  17. 如請求項1之裝置，其進一步包括一定位盤，其經組態以維持與該至少一傳感器之一後表面之接觸且使壓力分佈於該至少一傳感器與該電池之間的一界面處。
  18. 如請求項17之裝置，其中該定位盤包括用於容納該壓力施加器件之一活塞的一槽。
  19. 如請求項17之裝置，其中該定位盤經組態以安置該至少一傳感器之至少一後部分，或其中該定位盤包括一附件，該附件經組態以配合於附接至該至少一傳感器之一電纜夾具周圍。
  20. 如請求項1之裝置，其進一步包括安置於該電池與該至少一傳感器之間的一波導，其中該波導經組態以將該電池定位於該至少一傳感器之一近場之外。
  21. 如請求項20之裝置，其中該波導為長度N 且直徑D 之一圓柱，其中聲音穿過該波導之一速度為c ，且該至少一傳感器經組態以依一頻率f 發射聲信號，且其中N = D2 f/4c 。
  22. 一種測試一電池之方法，該方法包括： 將一或多個傳感器耦合至該電池，該一或多個傳感器經組態以用於該電池之電化學聲信號詢問(EASI)； 將該至少一臂耦合至該電池，其中至少一傳感器經安置於該至少一臂中；及 施加壓力至該至少一傳感器以控制該至少一傳感器與該電池之間的壓力。
  23. 如請求項22之方法，其進一步包括判定該至少一傳感器與該電池之間的該壓力且基於該所判定壓力調節施加至該至少一傳感器之該壓力。
  24. 如請求項22之方法，其進一步包括基於自動機構、機器人機構或電腦控制機構來相對於該電池精確對準該臂。
  25. 如請求項24之方法，其包括將兩個或兩個以上電池放置於一傳送帶上且使該兩個或兩個以上電池依一逐步方式與該至少一臂接觸。
  26. 如請求項22之方法，其進一步包括將一耦合劑施加至該至少一傳感器以改良該至少一傳感器與該電池之間的機械接觸。
  27. 如請求項22之方法，其基於組態與該至少一傳感器之一後表面接觸的一定位盤來進一步使壓力分佈於該至少一傳感器與該電池之間的一界面處。
  28. 如請求項22之方法，其進一步包括將一波導安置於該電池與該至少一傳感器之間以將該電池定位於該至少一傳感器之一近場之外。
  29. 一種電池固持器系統，其包括： 用於安置耦合至測試中之一電池的至少一傳感器之構件，該至少一傳感器經組態以用於該電池之電化學聲信號詢問(EASI)；及 用於施加壓力至該至少一傳感器以控制該至少一傳感器與該電池之間的壓力之構件。
  30. 如請求項29之電池固持器系統，其進一步包括用於判定該至少一傳感器與該電池之間的該壓力之構件及基於該所判定壓力調節施加至該至少一傳感器之該壓力的構件。
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