一种锂离子电池超声监测装置的制作方法

1.本发明属于锂离子电池技术领域，具体涉及一种锂离子电池超声监测装置。


背景技术：

2.在电化学储能技术中，锂离子电池作为核心技术具有高能量密度、循环寿命长、无记忆效应等优点目前广泛应用于电网储能、新能源汽车、电子设备等领域。然而，由于电池一致性不足、环境滥用等因素，电池在服役过程中会发生不断的老化和衰减，如未及时发现并处理，容易导致热失控事故发生。目前，传统的基于电池的电压、电流、内阻、温度等参数预测电池老化和失效的分析方法往往不能有效评估电池的实际状态，无法有效预防热失控事故。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种锂离子电池超声监测装置，以对锂离子电池健康状态进行准确评估，提升锂离子电池实时预警能力。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种锂离子电池超声监测装置，包括：
5.对称设置在锂离子电池底面的固定外壳；
6.分别安装在所述固定外壳内的楔块；
7.分别安装在所述楔块的斜面上的超声发射晶元和超声接收晶元；所述超声发射晶元用于发射超声脉冲，所述超声脉冲从锂离子电池底面以一定角度入射，在锂离子电池内部经过多次反射后由所述超声接收晶元接收；
8.信号收发处理模块，与所述超声接收晶元电连接，用于对由所述超声接收晶元接收的超声脉冲进行经验模态分解，计算得到电池健康状态值。
9.进一步地，所述信号收发处理模块具体用于：
10.对由所述超声接收晶元接收的超声脉冲进行经验模态分解，得到本征模态函数imf；
11.根据本征模态函数imf计算得到超声晶元中心频率下对应超声脉冲的能量；
12.根据所述超声脉冲的能量、所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距，计算电池健康因子；
13.根据所述电池健康因子和电池初始健康因子计算得到所述电池健康状态值。
14.进一步地，当所述电池健康状态值小于或等于第一阈值时，锂离子电池为不健康状态；当所述电池健康状态值大于第一阈值同时小于或等于第二阈值时，锂离子电池为健康状态。
15.进一步地，计算电池健康因子的方式是：将超声晶元中心频率下对应超声脉冲的能量与所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距相除。
16.进一步地，计算电池健康状态值的方式是：将所述电池健康因子与所述电池初始健康因子相除。
17.进一步地，所述超声发射晶元具有斜入射探头，其与锂离子电池底面的夹角范围为15
°
～45
°
。
18.进一步地，所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距满足以下关系式：
[0019][0020]
其中，l为所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距，n为正整数，f为发射的超声脉冲频率、θ为入射角、v为声速。
[0021]
进一步地，当所述电池健康状态值小于或等于第一阈值时，n取1或2；当所述电池健康状态值大于第一阈值同时小于或等于第二阈值时，n取大于或等于3的正整数。
[0022]
进一步地，所述超声发射晶元和超声接收晶元的中心频率介于50khz～300khz。
[0023]
进一步地，所述楔块由聚苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙1010、聚砜中的一种或几种制成。
[0024]
实施本发明具有如下有益效果：本发明提供的锂离子电池超声监测装置具有非侵入式、实时性强、准确度高、成本低等优点，能够对锂离子电池的健康状态进行有效评估和预警。该装置利用本征模态函数对电池内部特定频率超声波的监测分析，可以获取更加详细和准确的电池状态信息，避免传统参数分析方法中存在的误差和盲区，有效降低电池热失控风险。
附图说明
[0025]
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要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，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获得其他的附图。
[0026]
图1是本发明实施例一种锂离子电池超声监测装置的结构示意图。
具体实施方式
[0027]
以下各实施例的说明是参考附图，用以示例本发明可以用以实施的特定实施例。
[0028]
在电池在充放电循环过程中，其固态电解质界面膜会不断生长，电解液逐步会发生损耗，电解质界面膜或电解液损耗引起的界面声阻抗发生改变，电池老化的界面演变会引起声信号不同程度的衰减，因此，可以通过声特征值来评估电池内部老化状态。
[0029]
由此，请参照图1所示，本发明实施例提供一种锂离子电池超声监测装置，包括：
[0030]
对称设置在锂离子电池底面的固定外壳7；
[0031]
分别安装在所述固定外壳7内的楔块6；
[0032]
分别安装在所述楔块6的斜面上的超声发射晶元8和超声接收晶元9；所述超声发射晶元8用于发射超声脉冲，所述超声脉冲从锂离子电池底面以一定角度入射，在锂离子电池内部经过多次反射后由所述超声接收晶元9接收；
[0033]
信号收发处理模块，与所述超声接收晶元9电连接，用于对由所述超声接收晶元9接收的超声脉冲进行经验模态分解，计算得到电池健康状态值。
[0034]
具体地，锂离子电池以硬壳锂离子电池3为例，其具有正极极耳1和负极极耳2，超声发射晶元8为超声发射换能器，超声接收晶元9为超声接收换能器，超声发射换能器和超
声接收换能器置于锂离子电池的底面同侧。在超声发射晶元8和超声接收晶元9远离楔块6的斜面的一面设置有阻尼块4，用于增大晶元的振动阻尼，并吸收晶元背面发出的超声波。
[0035]
超声发射晶元8和超声接收晶元9均与楔块6连接，通过固定外壳7进行组装。超声发射晶元8发出超声脉冲后，从硬壳电池3的底面以一定角度入射，在电池内部经过多次反射后，被超声接收晶元9接收，再经由电缆线5传输至信号收发处理模块，由信号收发处理模块对接收的超声脉冲进行经验模态分解，得到本征模态函数(imf)：
[0036][0037]
模态分解的信号，其本征模态函数分量的频率是从高到低依次分解的，且各个频段内的频率成分是不同的。原始信号是所有固有模态分量和余项之和，即x(t)为：
[0038][0039]
其中，rn()是分解后的残余量，ci()为第i个本征模态函数分量，由此可以得到超声晶元中心频率下对应超声脉冲的能量e(i)：
[0040][0041]
其中，t是采样点总数量；
[0042]
求解超声晶元中心频率下对应超声脉冲的能量e(即对应某个本征模态的函数的能量)，记录超声发射晶元8和超声接收晶元9的探头间距为l时电池健康因子电池初始健康因子记为δ0，计算电池健康状态值并根据计算出的电池健康状态值，判断锂离子电池是否健康，具体来说：当时，电池为不健康，当时，电池为健康状态。
[0043]
本实施例中，硬壳锂离子电池3的长度大于60 cm。超声发射晶元8具有斜入射探头，其与硬壳锂离子电池3底面的夹角范围为15
°
～45
°
。
[0044]
进一步地，入射超声波频率f、入射角θ、声速v、探头间距l、满足如下关系：其中n为正整数，可实现最佳超声传播效果。入射角θ与探头间距l可调，进而可以获得电池内部多个方向的缺陷信息。
[0045]
由于随着电池健康状态的下降，探头间距l也相应减小，探头间距l与电池健康状态值满足以下关系：当时，n取1～2；当时，n≥3。
[0046]
优选地，超声发射晶元8和超声接收晶元9的中心频率介于50 khz～300khz。
[0047]
楔块6的材料为聚苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙1010、聚砜中的一种或几种，可以与电池声阻抗进行良好配合。
[0048]
以下结合同批次长条形磷酸铁锂方形硬壳电池对本发明进行详细说明，电池长宽厚分别为80 cm、15 cm、3 cm。采用1-3型复合陶瓷片作为超声换能器晶元材料，楔块6的材质为聚苯乙烯。将探头置于电池底面，声波入射方向与电池底面夹角为30
°
，电池内部平均声速为1500m/s，超声换能器中心频率为100khz，通过计算可得电池内部声波波长为15mm。
[0049]
当声程为波长的整数倍时，可以达到较好的声信号接收效果。根据声程与波长关系：经计算可得探头最小间距为12.99mm，测量不同状态下超声信号，并进行处理和分析，其结果如下表所示：
[0050][0051]
从上表可以发现，采用本发明获得的电池健康状态预测结果与电池实际健康状态较为接近，表明本发明具有较高精度。
[0052]
通过上述说明可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的锂离子电池超声监测装置具有非侵入式、实时性强、准确度高、成本低等优点，能够对锂离子电池的健康状态进行有效评估和预警。该装置利用本征模态函数对电池内部特定频率超声波的监测分析，可以获取更加详细和准确的电池状态信息，避免传统参数分析方法中存在的误差和盲区，有效降低电池热失控风险。
[0053]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.一种锂离子电池超声监测装置，其特征在于，包括：对称设置在锂离子电池底面的固定外壳；分别安装在所述固定外壳内的楔块；分别安装在所述楔块的斜面上的超声发射晶元和超声接收晶元；所述超声发射晶元用于发射超声脉冲，所述超声脉冲从锂离子电池底面以一定角度入射，在锂离子电池内部经过多次反射后由所述超声接收晶元接收；信号收发处理模块，与所述超声接收晶元电连接，用于对由所述超声接收晶元接收的超声脉冲进行经验模态分解，计算得到电池健康状态值。2.根据权利要求1所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，所述信号收发处理模块具体用于：对由所述超声接收晶元接收的超声脉冲进行经验模态分解，得到本征模态函数imf；根据本征模态函数imf计算得到超声晶元中心频率下对应超声脉冲的能量；根据所述超声脉冲的能量、所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距，计算电池健康因子；根据所述电池健康因子和电池初始健康因子计算得到所述电池健康状态值。3.根据权利要求2所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，当所述电池健康状态值小于或等于第一阈值时，锂离子电池为不健康状态；当所述电池健康状态值大于第一阈值同时小于或等于第二阈值时，锂离子电池为健康状态。4.根据权利要求2所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，计算电池健康因子的方式是：将超声晶元中心频率下对应超声脉冲的能量与所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距相除。5.根据权利要求4所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，计算电池健康状态值的方式是：将所述电池健康因子与所述电池初始健康因子相除。6.根据权利要求1所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，所述超声发射晶元具有斜入射探头，其与锂离子电池底面的夹角范围为15
°
～45
°
。7.根据权利要求2所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距满足以下关系式：其中，l为所述超声发射晶元和超声接收晶元的探头间距，n为正整数，f为发射的超声脉冲频率、θ为入射角、v为声速。8.根据权利要求7所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，当所述电池健康状态值小于或等于第一阈值时，n取1或2；当所述电池健康状态值大于第一阈值同时小于或等于第二阈值时，n取大于或等于3的正整数。9.根据权利要求1所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，所述超声发射晶元和超声接收晶元的中心频率介于50khz～300khz。10.根据权利要求1所述的锂离子电池超声监测装置，其特征在于，所述楔块由聚苯乙烯、聚碳酸酯、尼龙1010、聚砜中的一种或几种制成。

技术总结
本发明公开一种锂离子电池超声监测装置，包括：对称设置在锂离子电池底面的固定外壳；分别安装在所述固定外壳内的楔块；分别安装在所述楔块的斜面上的超声发射晶元和超声接收晶元；所述超声发射晶元用于发射超声脉冲，所述超声脉冲从锂离子电池底面以一定角度入射，在锂离子电池内部经过多次反射后由所述超声接收晶元接收；信号收发处理模块，与所述超声接收晶元电连接，用于对由所述超声接收晶元接收的超声脉冲进行经验模态分解，计算得到电池健康状态值。本发明具有非侵入式、实时性强、准确度高、成本低等优点，能够对锂离子电池的健康状态进行有效评估和预警。康状态进行有效评估和预警。康状态进行有效评估和预警。


技术研发人员：怡勇 陈思琳 杜进桥 李艳 黄锴 沈越
受保护的技术使用者：深圳供电局有限公司
技术研发日：2023.05.20
技术公布日：2023/8/14