鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法
【專利摘要】本發明公開了一種鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法，該方法包括：對鋰電池內部視電阻率進行測試，獲取鋰離子動力電池內部視電阻率分布；根據鋰電池內部視電阻率分布確定內部溫度場，并跟蹤高溫異變區域；獲取鋰電池內部不同溫度下隔膜伸縮量的變化，確定內部溫度與隔膜伸縮量關系；確定隔膜伸縮量，并通過隔膜伸縮量評判動力鋰電池內部性能狀態；對隔膜損傷定位及形變程度預測。本發明從鋰離子動力電池內部視電阻率變化推導出內部隔膜的損傷狀態，實現了針對高溫環境下鋰離子電池內部隔膜結構的熱損失定位及形變程度預測，突破了傳統電池使用安全監測方式的技術瓶頸，對鋰離子動力電池壽命預測、負載控制，新能源等領域研究具有指導作用。
【專利說明】鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋰離子動力電池內部狀態監測【技術領域】，尤其涉及一種鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法。
【背景技術】
[0002]隨著經濟繁榮和生活水平的提高，人們對汽車的需求越來越多，節能減排和綠色環保也開始受到人們的關注和重視。大量汽車排放的廢氣和噪聲給環境造成了很大的污染，導致空氣質量變差，汽車尾氣排放標準不斷升級，全球對環境保護的呼聲日益高漲。同時，國際原油價格持續上漲引發了能源危機。在環境污染和能源危機愈演愈烈的時代背景下，可替代的新能源汽車脫穎而出，成為了汽車產業未來的發展方向，全球各大知名汽車企業都投入大量資源進行新能源汽車的技術研發和產業化發展。其中，電動汽車成為了世界公認的21世紀汽車工業改造和發展的主要方向。與此同時，人們對電動汽車的性能提出了更高要求，然而受電池技術的限制，短時間內難以取得突破性發展。因此，急需對電動車的動力電池進行重點研究突破，促進電動汽車行業的快速發展。
[0003]目前的電池技術問題阻礙了電動汽車的發展和應用，其中電池是引發電動汽車安全事故的一個最大誘因。鋰離子動力電池在動力汽車領域具有很大的市場，鋰離子動力電池一般由正負電極、電解液和隔膜組成，其中隔膜一般采用聚烯烴多孔膜，其作用是將電池正負極隔開，防止兩極短路。一旦電池短路，電池內電解液溫度、內部氣壓均將升高，若氣壓值超過電池蓋帽耐壓值，電池將漏液，如果安全閥失效，甚至會引起爆炸。由于隔膜為聚烯烴多孔膜，容易發生熱氧老化，釋放氣體，一旦氣體聚集則會造成電池內壓過大或者遭遇靜電等火花從而引起其他更大傷害如爆炸等。電動汽車用鋰離子動力電池都是成組使用，電池單體爆炸將會造成連鎖反應，直接危害人員生命和財產安全。因此，研究針對汽車鋰離子動力電池內部隔膜安全的檢測方法是亟待解決的問題。
[0004]國內(發明專利)號CN202582526U的“電池隔膜的檢測裝置”公開了一種電池隔膜的檢測裝置，用于檢測電池隔膜表面是否平整。該裝置包括吸風單元，設置于電池隔膜的一側，對該電池隔膜表面產生吸附力；檢測單元，對應于該吸風單元設置于該電池隔膜的一偵牝用于檢測該電池隔膜至該檢測單元的垂直距離；判斷單元，通過將檢測單元所測的數據與基準值進行比較，判斷該電池隔膜表面是否平整。該專利未涉及動力電池內部隔膜健康狀態檢測。
[0005]國內(發明專利)號CN202471632U的“電池隔膜閉孔溫度和破膜溫度的檢測裝置”公開了一種電池隔膜閉孔溫度和破膜溫度的檢測裝置，該裝置包括兩個內嵌加熱棒的熱臺，所述的每個熱臺內表面依次貼合有鎳箔層和聚四氟乙烯片，所述的聚四氟乙烯片的中部開有放置隔膜的窗口。隔膜浸潰電解液后，與外界裝置相連后構成一個簡單的回路，通過測定隔膜內阻隨溫度的變化來測定兩個溫度點。該專利只檢測了兩個溫度，未涉及動力電池內部隔膜變化檢測。
[0006]國內(發明專利)號CN101576607的“鎳氫電池隔膜濕電阻檢測方法和裝置”公開了一種電池隔膜濕電阻檢測方法和裝置。模擬電池隔膜材料處于電池結構中在擠壓受力狀態下，并浸入電解液中進行電池隔膜濕電阻的檢測方法。檢測裝置由下電極支承體、導流淺溝槽、多孔下電極板、多孔上電極板、導流淺溝槽、上電極支承體、施壓砝碼和汽缸構成夾持樣品隔膜的檢測平臺。在下電極支承體上設有環型儲液槽，由此處注入電解液，浸濕隔膜進行濕電阻測量。該專利未涉及動力電池內部隔膜健康狀態檢測。
[0007]國內(發明專利)號CN203396878U的“一種鋰電池隔膜微短路檢測儀”公開了一種鋰電池隔膜微短路檢測儀，電機的軸固定于設有豎向導軌的底座上，并與絲杠連接，絲母套設在所述絲杠上，懸臂與所述絲母連接，此懸臂的一端設有與所述導軌相滑配的滑塊，所述懸臂的另一端設有刺針套，此刺針固定在所述刺針套內，此刺針的上端與設在刺針套中的加熱器連接，此刺針的下端與設在底座上的凸臺孔相對，所述加熱器與電源連接，刺針套內設有溫度傳感器，此溫度傳感器與設在加熱電路上的溫控器連接。該專利未涉及動力電池內部隔膜健康狀態檢測。
【發明內容】
[0008]為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法。
[0009]本發明的目的通過以下的技術方案來實現:
[0010]一種鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法，該方法包括:
[0011]對鋰電池內部視電阻率進行測試，獲取鋰離子動力電池內部視電阻率分布；
[0012]根據鋰電池內部視電阻率分布確定內部溫度場，并跟蹤高溫異變區域；
[0013]獲取鋰電池內部不同溫度下隔膜伸縮量的變化，確定內部溫度與隔膜伸縮量關系;
[0014]確定隔膜伸縮量，并通過隔膜伸縮量評判動力鋰電池內部性能狀態；
[0015]對隔膜損傷定位及形變程度預測。
[0016]與現有技術相比，本發明的一個或多個實施例可以具有如下優點:
[0017]該方法能夠對鋰離子動力電池局部溫度異常引發的隔膜損傷進行在線監測，特別是針對動力電池組局部單體電池短路或者局部區域損傷而產生的異常高溫有很好識別效果。集成在車載設備中，可以實時在線監控動力電池組運行過程中的電池的安全情況，主動識別高溫危險信號并發出預警。同時，結合該方法突破傳統檢測方式的技術瓶頸，對評判動力鋰電池內部性能狀態具有優勢，還可以為動力電池組壽命預測、負載控制等提供依據。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是基于電阻層析成像技術的動力電池隔膜安全檢測方法流程圖；
[0019]圖2是高溫隔膜伸縮量變化示意圖；
[0020]圖3是ERT三維柔性傳感器結構圖；
[0021]圖4是電極測量原理原理圖；
[0022]圖5是基于電阻層析成像(ERT)中的視電阻率測量系統平臺示意圖；
[0023]圖6是基于電阻層析成像技術的動力電池隔膜安全檢測方法應用圖。
【具體實施方式】
[0024]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述。
[0025]如圖1所示，為鋰離子動力電池內部隔膜安全在線檢測方法流程圖，該方法包括:
[0026]步驟101建立鋰電池模型。
[0027]步驟102對鋰電池內部視電阻率進行測試，獲取鋰離子動力電池內部視電阻率分布。
[0028]步驟103獲取鋰電池內部溫度與內部視電阻率關系。
[0029]上述步驟101-103的實現過程中，將ERT傳感器貼在動力電池表面，通過給電池表面電極陣列提供激勵，采集相應電極上的不均勻電學信號，對其進行放大濾波及進一步處理獲取被測介質內部電阻率的不均勻分布，最終轉換為相應的溫度場數據，可以獲取動力電池組內部不同區域在不同內部溫度時刻對應的視電阻率值，從而得到鋰電池內部溫度與內部視電阻率關系曲線。那么，在實際動力電池組充放電等工作過程中，就能對其內部溫度進行實時動態監測，獲取電池組不同區域溫度分布情況。
[0030]步驟104通過鋰電池隔膜熱特性實驗，獲取鋰電池內部不同溫度下隔膜伸縮量的變化。
[0031]步驟105根據不同溫度下隔膜伸縮量的變化，確定內部溫度與隔膜伸縮量關系。
[0032]參見圖2，鋰電池內部視電阻率隨溫度非線性增大；其隔膜伸縮量隨溫度非線性遞減。確定了隔膜四個變化臨界條件:初次變形90°C，二次變形120°C，三次變形140°C，熔破斷臨界點180°C，此時隔膜產生裂紋。
[0033]步驟106確定隔膜收縮量，評估隔膜損傷。
[0034]通過測量電池內部局部溫度場，可對電池局部溫度異常引發的隔膜損傷進行在線監測。
[0035]步驟107對隔膜損傷定位及形變程度預測。
[0036]參見圖3，ERT三維柔性傳感器主要由高可靠性柔性線路板(FPC)和電極陣列組成。圖中301為電池表面，302為電纜接插件。柔性傳感器采用5X5電極陣列焊接于FPC303上實現，其中電極片304采用高電導率的紫銅材料。將預先優化設計的傳感電極直接焊接在FPC上最大程度消除了兩者間非必要的摩擦阻抗。僅Imm厚度的FPC線路板將電極片與信號線路集成簡化，有效降低成本和使用空間，可靈活裝配到動力電池組內部進行集成設計。
[0037]參見圖4，ERT新型柔性傳感器采用四電極測量原理，當在供電電極片A、B持續施加脈沖激勵，電池內部形成穩定電場，測量電極片M、N兩點電勢差可反映探測區域的視電阻率情況，調整電極間距可有效改變探測深度。定義電極距AM與麗之比η為電極間距因子，保持測量電極Μ、Ν的位置不變,而供電電極Α、Β等間隔向兩邊移動，η依次取η = 1,2,3，…，N每移動一次供電電極Α、Β，測量一次電極Μ、Ν的電位差。改變測量電極間距MN，以相同方式移動供電電極Α、B進行測量可以增加探測深度。
[0038]當η = I時，Α、Μ、Ν、Β4個電極排列方式如圖中，整體從左側依次向右走位，獲取第一層數據點；當11 = 2時，同樣從左向右走位，獲取第二層數據。以此類推，η取值不同得到不同層數據。層數i表示探測深度，定義AB為勘探線長度，探測深度經驗公式如下:
[0039]d = (1/6 ?1/4)AB， (I)
[0040]當被測介質淺層電阻率較大時，式(I)中的系數取較大值，反之取較小值。該方法測量獲得的數據總數為:s =X 2 -1)
1=1.
[0041](2)
[0042]其中，電極數量m，數據層數i(i = 1,2,3,…，N)，每一層的測量數據個數為m —iX2 — I。
[0043]向A、B電極提供激勵，建立電場后，測量M、N兩點的電位差。根據點電源場電位公式(3)和(4)，M、N兩點的電位為:
[0044]Um = (I P /2 31).(I/AM-1/BM)， (3)
[0045]Un = (I P /2 31).(I/AN-1/BN)， (4)
[0046]其中，I為供電電流強度；P為電池實際電阻率；UM和UN分別為M、N兩點的電位；AM、BM、AN、BN分別為電極間距。
[0047]由以上式子可以得到M、N兩點的電位差值:
[0048]AUw = (I P /2 31).(I/AM-1/BM-1/AN+1/BN)， (5)
[0049]定義K為動力電池電極裝置系數，為
[0050]K = 2 31 /(I/AM-1/BM-1/AN+1/BN)，
[0051]ERT中，電池的電阻率計算公式為:
[0052]P = K.(AUmnA).
[0053](6)
[0054]測量得到的電壓值通過以上公式經Matlab推導出電阻率分布。
[0055]基于上述原理，三維測量中電極以面陣列形式分布，測量順序:先逐行測量，后逐列測量。
[0056]參見圖5，電池內部隔膜安全監測系統擬采用ERT傳感模塊、硬件檢測模塊與上位機的檢測結構。根據動力電池組的結構特點，選取合適的多電極排列，研制基于ERT的多電極陣列柔性傳感模塊。硬件檢測模塊選擇具有優越性能的雙極性脈沖電流作為激勵電流；使用DAC芯片將單片機輸出的數字信號轉換為模擬電壓信號，再通過壓控電流源將電壓信號轉換為電流源信號；而對于激勵電極和測量點擊的選通則通過邏輯開關來實現；測量得到的電壓都是十分微小的信號，通過兩級信號調理對他們進行放大，然后再由數據采集系統進行采集。將經過處理的數據通過CAN總線傳輸至上位機。上位機集成圖像軟件系統，可以對各子系統輸入數據進行轉換，即:電壓-電阻率-溫度-隔膜位移。最后通過圖像反演算法，對各小型電池組的內部溫度進行三維圖像重建，并構造整體電池組內部溫度的三維效果圖。根據對溫度反演圖像的在線監控，實時顯示溫度最高點區域的隔膜損傷情況。
[0057]參見圖6，在實際應用中，通過在車用動力電池組61表面布置電極傳感模塊62，并將硬件檢測模塊63進一步集成嵌入到具有自主知識產權的車載多媒體系統64中，可以實現對整個電池內部溫度場直觀、方便的監控，可有效發現隔膜局部區域溫度異常點，并判別隔膜損傷程度，預防汽車65安全事故的發生。
[0058]雖然本發明所揭露的實施方式如上，但所述的內容只是為了便于理解本發明而采用的實施方式，并非用以限定本發明。任何本發明所屬【技術領域】內的技術人員，在不脫離本發明所揭露的精神和范圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作任何的修改與變化，但本發明的專利保護范圍，仍須以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
【權利要求】
1.鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法，其特征在于，所述方法包括: 對鋰電池內部視電阻率進行測試，獲取鋰離子動力電池內部視電阻率分布； 根據鋰電池內部視電阻率分布確定內部溫度場，并跟蹤高溫異變區域； 獲取鋰電池內部不同溫度下隔膜伸縮量的變化，確定內部溫度與隔膜伸縮量關系； 確定隔膜伸縮量，并通過隔膜伸縮量評判動力鋰電池內部性能狀態； 對隔膜損傷定位及形變程度預測。
2.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法，其特征在于，所述鋰離子動力電池內部視電阻率分布是通過基于電阻層析成像中的視電阻率測量技術獲取，且測量過程中采用基于高可靠性柔性線路板FPC和電極陣列結合設計的ERT三維柔性傳感器。
3.根據權利要求2所述的鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法，其特征在于，所述基于柔性線路板FPC的柔性傳感器以柔性電路板FPC為基底；電極陣列以面陣列形式分布，并采用紫銅圓片作為電極材料，且FPC集成傳輸線路及電極焊盤。
4.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法，其特征在于，在電池一側表面設置電極陣列并提供激勵，采集相應電極上的不均勻電學信號，并對電學信號進行放大濾波處理獲得被測介質內部視電阻率的不均勻分布，最終轉換為相應的溫度場數據，進一步對出現溫度過高區域進行定位識別，發出預警信號。
5.根據權利要求1所述的鋰離子動力電池內部隔膜安全監測方法，其特征在于，通過分段式測定電池內部隔膜實物熱特性，獲取電池內部隔膜隨溫度變化產生的伸縮量變化。
【文檔編號】G01N25/12GK104280418SQ201410597012
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年10月29日 優先權日:2014年10月29日
【發明者】洪曉斌, 謝爍熳, 李年智 申請人:華南理工大學