CN115356641A - 一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池过充电状态评估当中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导出电池循环过程中超声波振铃计数与应力、应变和损伤变量之间的关系方程组，通过捕捉超声波振铃计数在过充电过程中的变化趋势，利用超声波振铃计数与声衰减之间的关联关系，通过测量超声波振铃计数来反映材料内部微观结构变化，并通过在线测量装置验证振铃计数检测锂离子电池过充电状态的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法。
背景技术
当前世界电池工业发展的三个特点，一是绿色环保电池迅猛发展，包括锂离子蓄电池、氢镍电池等；二是一次电池向蓄电池转化，这符合可持续发展战略；三是电池进一步向小、轻、薄方向发展。在商品化的可充电池中，锂离子电池的比能量最高，特别是聚合物锂离子电池，可以实现可充电池的薄形化。正因为锂离子电池的体积比能量和质量比能量高，可充且无污染，具备当前电池工业发展的三大特点，因此在发达国家中有较快的增长。电信、信息、新能源市场的发展，特别是移动电话、笔记本电脑、系能源汽车的大量使用，给锂离子电池带来了市场机遇。而锂离子电池中的聚合物锂离子电池以其在安全性的独特优势，将逐步取代液体电解质锂离子电池，而成为锂离子电池的主流。锂离子电池凭借着自身能量密度高、循环寿命长等优点在近年来得以迅速发展。
但是随着锂离子电池在各个领域快速的发展，随之带来的安全问题也愈发严重，过充电是导致电池失效和储能安全事故的主要原因之一。准确及时的识别电池过充电对于提高锂离子电池的安全性有着重要的意义。现有的检测技术无法同时满足精度和效率的要求，且对电池本身造成了一定程度上的不可逆损伤。超声波检测技术被广泛应用于材料内部的无损检测，通过对声传播特性进行分析研究，可以对材料内部损伤和结构完整性进行实时准确的评估，将超声波技术应用于电池内部材料特性的状态检测，可以提供电池故障早期的预警信息。基于上述陈述，本发明提出了一种基于超声特征的锂离子电池过充电实时检测方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中检测手段未能同时满足精度和效率方面的要求，且对电池产生了一定程度上的不可逆损伤，而提出的一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，本发明在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池过充电状态评估当中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导出电池循环过程中超声波振铃计数与应力、损伤变量之间的关系方程组，通过捕捉超声波振铃计数在过充电过程中的变化趋势，提出基于超声特征的锂离子电池过充电实时检测方法，利用超声波振铃计数与声衰减之间的关联关系，通过测量超声波振铃计数来反映材料内部微观结构变化，并通过在线测量装置验证振铃计数检测锂离子电池过充电状态的可行性。
一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，包括锂离子电池、电池循环测试仪、发射电路、接收电路、阈值电路、下位机控制电路、上位机、压电探头、夹具、温度传感器、电压传感器、电流传感器，由锂离子电池、电池循环测试仪、发射电路、接收电路、阈值电路、下位机控制电路、上位机、压电探头、夹具组成锂离子电池过充电检测***来实现超声波振铃计数，通过超声波振铃计数来表征锂离子电池充电状态的变化，由夹具夹住压电探头固定在锂离子电池的两侧，下位机控制电路向发射电路传输激励脉冲，发射电路控制发射端的压电探头向锂离子电池发送超声波，由接收端的压电探头接收穿过锂离子电池的超声波，并将接收到的信号传输至接收电路处理后传输至阈值电路，由阈值电路提取出超声波的特征，再传输至下位机控制电路中进行处理，电池循环测试仪用于对锂离子电池进行充电处理，温度传感器安装在锂离子电池表面，用于检测锂离子电池的温度，并将检测到的信息传输至下位机控制电路中进行处理，电压传感器连接在锂离子电池的正负极上，电流传感器串联在锂离子电池的正极上，电压传感器和电流传感器分别检测锂离子电池的电压电流，并将检测到的信息传输至下位机控制电路中进行处理，下位机控制电路将接收处理后的信息传输至上位机中进行锂离子电池的状态检测和故障分析。
所述的发射电路为多通道窄脉冲发生器，包括光耦隔离电路、MOSFET驱动电路、单边推动发射电路、阻抗匹配电路、高压模拟开关，下位机控制电路发出的激励脉冲经过光耦隔离电路后，发射至MOSFET驱动电路，再经过单边推动发射电路和阻抗匹配电路来提高激励脉冲的传输性能，并由高压模拟开关传输至发射端的压电探头后转换为超声波发射出去。
所述的接收电路包括检波电路、带通滤波电路、程控增益放大电路、前置放大电路、高压模拟开关，接收端的压电探头接收到超声波信号后转换为电信号，经过高压模拟开关后传输至前置放大电路和程控增益放大电路进行信号放大，再经过带通滤波电路进行滤波去噪处理，在检波电路中计算出超声波信号的均方根，再发送至阈值电路中提取出超声波的特征。
所述超声波振铃计数表征锂离子电池充电状态变化方法的具体操作步骤如下：由夹具夹住超声波发射端和接收端的压电探头，采用电池循环测试仪对锂离子电池进行0.5C恒流充电处理；在充电的同时，下位机控制电路控制发射电路向锂离子电池发送超声波，控制接收电路接收穿过锂离子电池的超声波，由此可测量锂离子电池纵向深度方向接收到的超声纵波；并将锂离子电池以及夹具放置于恒温箱中，以降低由外部环境温差影响产生的实验误差；在上位机中将获取到的数据进行分析处理得到振铃计数与锂离子电池充电状态的变化关系，结合电压、电流、温度对锂离子电池过充电故障进行实时在线检测。
优选的，所述电池循环测试仪主要由新威高精度电池性能***提供，包括下位机(CT-4008-5V20A-A)和中位机(CT-ZWJ-4′S-T-1U)。
优选的，所述上位机用于实时显示锂电离子池充电过程中的电压、电流、温度变化以及控制超声波发射电路和接收电路的参数设置和启停操作。
优选的，所述压电探头一侧装有压力传感器，保证每次实验过程中固定在夹具上的锂离子电池所受到的压力恒定。
优选的，所述压电探头选取频率为5MHz的压电探头(A405A-SB，日本奥林巴斯)以激发和接收透射波。在压电探头与电池接触表面涂有油性耦合剂(B2甘油耦合剂，日本奥林巴斯)以增强波传输效率，维持长时间的在线测量。
本发明提出的一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，具有以下有益效果：
本发明在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池过充电状态评估当中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导出电池循环过程中超声波振铃计数与应力、损伤变量之间的关系方程组，通过捕捉超声波振铃计数在过充电过程中的变化趋势，利用超声波振铃计数与声衰减之间的关联关系，通过测量超声波振铃计数来反映材料内部微观结构变化，并通过在线测量装置验证了振铃计数检测锂离子电池过充电状态的可行性。能够同时满足锂离子电池故障检测的精度和效率方面的要求，并解决了现有内部探伤检测技术无法实现在线测量的问题。
附图说明
图1为本发明中一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法的锂离子电池过充电的结构示意图；
图2为本发明中一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法的锂离子电池过充电检测***图；
图3为本发明中一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法的锂离子电池过充电过程中的声学响应图；
图4为本发明中一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法的锂离子电池过充电过程中的振铃计数变化图；
图5为本发明中一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法的锂离子电池过充电过程中的电压温度变化图；
图6为本发明中一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法的超声波振铃计数提取示意图。
主要元件符号说明。
| 锂离子电池 | 1 | 电池循环测试仪 | 2 |
| 发射电路 | 3 | 接收电路 | 4 |
| 阈值电路 | 5 | 下位机控制电路 | 6 |
| 上位机 | 7 | 压电探头 | 8 |
| 夹具 | 9 | 温度传感器 | 10 |
| 电压传感器 | 11 | 电流传感器 | 12 |
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
请参阅图1至图6所示为本发明中的一种基于超声特征的锂离子电池1过充电检测方法。
一种基于超声特征的锂离子电池1过充电检测方法，包括锂离子电池1、电池循环测试仪2、发射电路3、接收电路4、阈值电路5、下位机控制电路6、上位机7、压电探头8、夹具9、温度传感器10、电压传感器11、电流传感器12。
如图2所示，由所述的锂离子电池1、电池循环测试仪2、发射电路3、接收电路4、阈值电路5、下位机控制电路6、上位机7、压电探头8、夹具9组成锂离子电池1过充电检测***来实现超声波振铃计数，通过超声波振铃计数来表征锂离子电池1充电状态的变化，由夹具9夹住压电探头8固定在锂离子电池1的两侧，下位机控制电路6向发射电路3传输激励脉冲，发射电路3控制发射端的压电探头8向锂离子电池1发送超声波，由接收端的压电探头8接收穿过锂离子电池1的超声波，并将接收到的信号传输至接收电路4处理后传输至阈值电路5，由阈值电路5提取出超声波的特征，再传输至下位机控制电路6中进行处理，电池循环测试仪2用于对锂离子电池1进行充电处理，温度传感器10安装在锂离子电池1表面，用于检测锂离子电池1的温度，并将检测到的信息传输至下位机控制电路6中进行处理，电压传感器11连接在锂离子电池1的正负极上，电流传感器12串联在锂离子电池1的正极上，电压传感器11和电流传感器12分别检测锂离子电池1的电压电流，并将检测到的信息传输至下位机控制电路6中进行处理，下位机控制电路6将接收处理后的信息传输至上位机7中进行锂离子电池1的状态检测和故障分析。
如图2所示，所述的发射电路3为多通道窄脉冲发生器，包括光耦隔离电路、MOSFET驱动电路、单边推动发射电路3、阻抗匹配电路、高压模拟开关，下位机控制电路6发出的激励脉冲经过光耦隔离电路后，发射至MOSFET驱动电路，再经过单边推动发射电路3和阻抗匹配电路来提高激励脉冲的传输性能，并由高压模拟开关传输至发射端的压电探头8后转换为超声波发射出去。
如图2所示，所述的接收电路4包括检波电路、带通滤波电路、程控增益放大电路、前置放大电路、高压模拟开关，接收端的压电探头8接收到超声波信号后转换为电信号，经过高压模拟开关后传输至前置放大电路和程控增益放大电路进行信号放大，再经过带通滤波电路进行滤波去噪处理，在检波电路中计算出超声波信号的均方根，再发送至阈值电路5中提取出超声波的特征。
所述的超声波振铃计数表征锂离子电池1充电状态变化方法的具体操作步骤如下：由夹具9夹住超声波发射端和接收端的压电探头8，采用电池循环测试仪2对锂离子电池1进行0.5C恒流充电处理；在充电的同时，下位机控制电路6控制发射电路3向锂离子电池1发送超声波，控制接收电路4接收穿过锂离子电池1的超声波，由此可测量锂离子电池1纵向深度方向接收到的超声纵波；并将锂离子电池1以及夹具9放置于恒温箱中，以降低由外部环境温差影响产生的实验误差；在上位机7中将获取到的数据进行分析处理得到振铃计数与锂离子电池1充电状态的变化关系，结合电压、电流、温度对锂离子电池1过充电故障进行实时在线检测。
所述的电池循环测试仪2主要由新威高精度电池性能***提供，包括下位机(CT-4008-5V20A-A)和中位机(CT-ZWJ-4′S-T-1U)，为了防止电池充电过程中的电流变化和电流过大引起的电池击穿和锂镀层的影响，选择0.5C恒流充电方式，对电池进行过充电检测测试。
所述的上位机7用于实时显示锂电离子池充电过程中的电压、电流、温度变化以及控制超声波发射电路3和接收电路4的参数设置和启停操作。
所述的压电探头8一侧装有压力传感器，保证每次实验过程中固定在夹具9上的锂离子电池1所受到的压力恒定，且压力传感器具有数显功能，能够直观的查看夹具9施加在锂离子电池1上的压力大小，并与操作人员根据压力值调节夹具9的夹紧力。
所述的压电探头8为避免由于波长过大引起的波的叠加以及保证波的传输效率，选取频率为5MHz的压电探头(A405A-SB，日本奥林巴斯)以激发和接收透射波。在压电探头8与电池接触表面涂有油性耦合剂(B2甘油耦合剂，日本奥林巴斯)以增强波传输效率，维持长时间的在线测量。
所述的锂离子电池1选用3435mAh软包锂离子电池(SP376080SI，天津力神)，正极材料为钴酸锂(LiCoO2,LCO)，负极材料为石墨，尺寸80*60*3.76mm。
本发明的实验数据获取与处理步骤如下：
S1.选择恒温箱设定为25℃条件下，对锂离子电池1进行0.5C恒流充放电，下位机控制电路6中控制发射电路3每30秒激发一次超声波信号，对应接收电路4每30秒采集一次超声波信号，夹具9对压电探头8施加5N的压力，上位机7对每次激发的超声信号进行采集和保存，根据100％SOC下的超声波信号幅值的10％作为门槛电压，对超声波振铃计数进行提取；如图6所示，通过设定阈值电路5的阈值电压Vr，将超声波信号转换为方波信号输出后，通过接收电路4来接收超声波信号，并通过下位机控制电路6提取振铃计数特征；
S2.将获取的实验数据首先进行高斯滤波处理，以滤掉实验过程中由恒温箱、电池循环测试仪2引起的环境噪声信号，再进行去趋势处理，以消除压电探头8在获取数据时产生的偏移对幅值的量值和振铃计数阈值选取的影响；
S3.在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池过充电状态评估当中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导出电池循环过程中超声波振铃计数与应力、损伤变量之间的关系方程组，通过捕捉超声波振铃计数在过充电过程中的变化趋势，研究超声特征与过充电状态之间的对应关系，利用超声波振铃计数与声衰减之间的关联关系，振铃计数N与声衰减β之间的关系为：
F0为探头频率，Vp为信号峰值电压，Vr为阈值电压，β为声波衰减系数；
通过测量超声波振铃计数来反映材料内部微观结构变化，并通过在线测量装置验证振铃计数检测锂离子电池过充电状态的可行性；
S4.振铃计数与应力、损伤变量之间的关系方程组如下：
σ为有效应力，D为损伤变量，E为弹性模量，ε为应变，材料完整时，D＝0，当材料完全失效后，D＝1，m为材料的比例参数，A1、B1、C1为拟合系数，由实验确定，过充电过程中由于内部气泡的产生以及电极层状氧化物材料损失，改变了材料的声阻抗，致使超声的传播速度以及声衰减程度受到影响，由方程组(2)可知，声衰减的改变会引起振铃计数的变化，这样声信号就与电池微观结构状态相关联，以上分析可知，可通过振铃计数对过充电过程中材料的变化进行检测，结合声波幅值和ToF可更加精准表征电池状态。
如图1所示过充电会引起锂枝晶生长，当锂枝晶生长到一定长度时，会刺破隔膜，导致电池正负极直接接触，从而形成局部短路。过充导致了电解液分解，产生了二氧化碳、甲烷和乙烯等气体，在过充电过程中，锂的过度脱插会导致阴极结构坍塌，从而导致巨大的热量和气泡，当温度上升到一定值时，电池开始膨胀凸起，当达到最大值时，锂离子电池1由于内部压力无处释放导致最终破裂。
如图3所示，在过充电过程中，随着锂离子的不断嵌入使得SOC不断增加，电池刚度逐渐增加，超声波信号逐渐前移，TOF变短，随着锂离子电池1SOC的不断增减，声学响应波形不断前移，表示着声传播速度不断增加。
如图4所示，正负电极之间的间隙气泡越来越多，电极之间距离增加，材料损伤，声衰减随之改变，由振铃计数与声衰减的关系式可知，振铃计数发生改变，呈现下降趋势，0.5C恒流充电，电池理论满电时刻为7200s，当继续充电后，振铃计数出现下降趋势，表明电池内部出现了不可逆的损伤改变声学传播特性，可以将振铃计数的下降作为过充电的标志，在其下降时刻切断电源，可以保证电池不会发生热失控危险。
如图5所示，随着过充电的进行，电池表面温度以及自身电压并没有出现明显的故障信号，因此无法及时准确的反映出电池的安全状态。因此使用振铃计数特征来指示电池的过充电行为相比于传统的电热参数具有灵敏度更高、反应更迅速的优点。
所述的振铃计数的原理是通过设定门槛电压来统计单次超声激励信号超过门槛值的次数，来表达材料的衰减特性，振铃计数的变化实际上是由于在过充电期间电解质的分解反应产生的气泡，使得材料的声阻抗增加，振铃计数将开始呈现下降趋势。
本发明的工作原理与工作过程如下：
在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池过充电状态评估当中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导出电池循环过程中超声波振铃计数与应力、损伤变量之间的关系方程组，通过捕捉超声波振铃计数在过充电过程中的变化趋势，利用超声波振铃计数与声衰减之间的关联关系，通过测量超声波振铃计数来反映材料内部微观结构变化，并通过在线测量装置验证了振铃计数检测锂离子电池1过充电状态的可行性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，其特征在于，包括锂离子电池、电池循环测试仪、发射电路、接收电路、阈值电路、下位机控制电路、上位机、压电探头、夹具、温度传感器、电压传感器、电流传感器，由锂离子电池、电池循环测试仪、发射电路、接收电路、阈值电路、下位机控制电路、上位机、压电探头、夹具组成锂离子电池过充电检测***来实现超声波振铃计数，通过超声波振铃计数来表征锂离子电池充电状态的变化，由夹具夹住压电探头固定在锂离子电池的两侧，下位机控制电路向发射电路传输激励脉冲，发射电路控制发射端的压电探头向锂离子电池发送超声波，由接收端的压电探头接收穿过锂离子电池的超声波，并将接收到的信号传输至接收电路处理后传输至阈值电路，由阈值电路提取出超声波的特征，再传输至下位机控制电路中进行处理，电池循环测试仪用于对锂离子电池进行充电处理，温度传感器安装在锂离子电池表面，用于检测锂离子电池的温度，并将检测到的信息传输至下位机控制电路中进行处理，电压传感器连接在锂离子电池的正负极上，电流传感器串联在锂离子电池的正极上，电压传感器和电流传感器分别检测锂离子电池的电压电流，并将检测到的信息传输至下位机控制电路中进行处理，下位机控制电路将接收处理后的信息传输至上位机中进行锂离子电池的状态检测和故障分析。
2.根据权利要求1所述的基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，其特征在于，所述超声波振铃计数表征锂离子电池充电状态变化方法的具体操作步骤如下：由夹具夹住超声波发射端和接收端的压电探头，采用电池循环测试仪对锂离子电池进行0.5C恒流充电处理；在充电的同时，下位机控制电路控制发射电路向锂离子电池发送超声波，控制接收电路接收穿过锂离子电池的超声波，由此可测量锂离子电池纵向深度方向接收到的超声纵波；并将锂离子电池以及夹具放置于恒温箱中，以降低由外部环境温差影响产生的实验误差；在上位机中将获取到的数据进行分析处理得到振铃计数与锂离子电池充电状态的变化关系，结合电压、电流、温度对锂离子电池过充电故障进行实时在线检测。
3.根据权利要求1、权利要求2所述的基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，其特征在于，实验数据获取与处理步骤如下：
S1.选择恒温箱设定为25℃条件下，对锂离子电池进行0.5C恒流充放电，下位机控制电路中控制发射电路每30秒激发一次超声波信号，对应接收电路每30秒采集一次超声波信号，夹具对压电探头施加5N的压力，上位机对每次激发的超声信号进行采集和保存，根据100％SOC下的超声波信号幅值的10％作为门槛电压，对超声波振铃计数进行提取；如图6所示，通过设定阈值电路的阈值电压Vr，将超声波信号转换为方波信号输出后，通过接收电路来接收超声波信号，并通过下位机控制电路提取振铃计数特征；
S2.将获取的实验数据首先进行高斯滤波处理，以滤掉实验过程中由恒温箱、电池循环测试仪引起的环境噪声信号，再进行去趋势处理，以消除压电探头在获取数据时产生的偏移对幅值的量值和振铃计数阈值选取的影响；
S3.在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池过
充电状态评估当中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导出电池
循环过程中超声波振铃计数与应力、损伤变量之间的关系方程
组，通过捕捉超声波振铃计数在过充电过程中的变化趋势，研究
超声特征与过充电状态之间的对应关系，利用超声波振铃计数与
声衰减之间的关联关系，振铃计数N与声衰减β之间的关系为：
f0为探头频率，Vp为信号峰值电压，Vr为阈值电压，β为声
波衰减系数；
通过测量超声波振铃计数来反映材料内部微观结构变化，并通过在线测量装置验证振铃计数检测锂离子电池过充电状态的可行性；
S4.振铃计数与应力、损伤变量之间的关系方程组如下：
σ为有效应力，D为损伤变量，E为弹性模量，ε为应变，材料完整时，D＝0，当材料完全失效后，D＝1，m为材料的比例参数，A1、B1、C1为拟合系数，由实验确定，过充电过程中由于内部气泡的产生以及电极层状氧化物材料损失，改变了材料的声阻抗，致使超声的传播速度以及声衰减程度受到影响，由方程组(2)可知，声衰减的改变会引起振铃计数的变化，这样声信号就与电池微观结构状态相关联，以上分析可知，可通过振铃计数对过充电过程中材料的变化进行检测，结合声波幅值和ToF可更加精准表征电池状态。
4.根据权利要求1、权利要求2所述的基于超声特征的锂离子电池过充电检测方法，其特征在于，过充电导致了电解液分解，产生了二氧化碳、甲烷和乙烯等气体，在过充电过程中，锂的过度脱插会导致阴极结构坍塌，从而导致巨大的热量和气泡，当温度上升到一定值时，电池开始膨胀凸起，当达到最大值时，锂离子电池由于内部压力无处释放导致最终破裂；随着锂离子的不断嵌入使得SOC不断增加，电池刚度逐渐增加，超声波信号逐渐前移，TOF变短，随着锂离子电池SOC的不断增加，声学响应波形不断前移，表示着声传播速度不断增加；正负电极之间的间隙气泡越来越多，电极之间距离增加，材料损伤，声衰减随之改变，由振铃计数与声衰减的关系式可知公式1，振铃计数发生改变，呈现下降趋势，0.5C恒流充电，电池理论满电时刻为7200s，当继续充电后，振铃计数出现下降趋势，表明电池内部出现了不可逆的损伤改变声学传播特性，可以将振铃计数的下降作为过充电的标志，在其下降时刻切断电源，可以保证电池不会发生热失控危险。
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