锂离子电池内应力的检测装置和测量方法与流程

本发明属于锂离子电池技术领域，更确切地说，本发明涉及一种锂离子电池内应力的检测装置和测量方法。

背景技术：

锂离子电池由于具有高的功率密度和能量密度、无记忆效应、自放电小、循环寿命长以及无污染等优异特点，是目前电动汽车的理想电源。同时，锂离子电池在航天设备、手机、笔记本电脑和电动自行车等领域均展现出了广阔的应用前景。

在使用过程中，锂离子电池会产生化学反应、产热传热和内应力等，且彼此之间相互影响。其中，内应力的产生对锂离子电池的性能有着重要影响。外载荷、扩散诱导应力与热应力等均会使锂离子电池产生内应力，当内应力增大到一定程度可能会致使电极破裂和隔膜失效，进而使锂离子电池的性能降低，缩短锂离子电池的使用寿命，从而导致短路等安全问题。近几年锂离子电池的应力分析得到研究者们的重视，对锂离子电池应力的研究主要为：锂离子迁移时引起的内应力，因温升和温度梯度而引起的热应力，以及外载荷加载条件下锂离子电池变形的研究等。

但内应力对锂离子电池所造成的危害如因电极材料膨胀不均匀或者膨胀受约束而产生的内应力超过临界值致使的电极材料粉化失效；隔膜压缩变形可导致孔径以及孔隙率减小，进而使锂离子电池的内阻增大和引起锂离子迁移不均匀；以及因外载荷作用而引起的内部短路等问题尚未解决，也影响着锂离子电池的安全，因此锂离子电池的内应力必须得到有效控制。目前关于锂离子电池内应力的研究主要为采用数值计算的方法进行研究，且数值计算的方法计算量大、耗时长，无法在实车上应用，无法为锂离子电池内应力的控制提供准确的信息，使得锂离子电池存在一定的危险性。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的数值计算方法测量锂离子电池内应力计算量大、耗时长，无法在实车上应用的问题，提出一种锂离子电池内应力的检测装置和测量方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的锂离子电池内应力的检测装置包括应变传感器探头组件、应变传感器探头光纤组件、箱体、模数转换器、单片机与上位机。

所述的应变传感器探头组件的一端布置在锂离子电池的内部，应变传感器探头组件的输出端和应变传感器探头光纤组件的一端绞合连接，应变传感器探头光纤组件的另一端和箱体内各个应变传感器的输入端绞合连接，箱体内各个应变传感器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端和单片机的输入端连接，单片机的输出端通过RS232串口和上位机连接。

技术方案中所述的应变传感器探头组件的一端布置在锂离子电池的内部是指：所述的应变传感器探头组件包括6～14个应变传感器探头，即包括第一应变传感器探头、第二应变传感器探头、第三应变传感器探头、第四应变传感器探头、第五应变传感器探头、第六应变传感器探头、……与第十四应变传感器探头；第一应变传感器探头布置在锂离子电池容易出现应力集中的负极和隔膜的转角处，即负极的内层负极涂层与隔膜的转角处；第二应变传感器探头、第三应变传感器探头、第四应变传感器探头、第五应变传感器探头、第七应变传感器探头、第八应变传感器探头、第九应变传感器探头、第十应变传感器探头、第十一应变传感器探头、第十二应变传感器探头、第十三应变传感器探头与第十四应变传感器探头布置在锂离子电池充放电过程中热膨胀造成应力集中的侧边中心区域；第六应变传感器探头布置在锂离子电池的中心区域。

技术方案中所述的第一应变传感器探头、第二应变传感器探头、第三应变传感器探头、第四应变传感器探头、第五应变传感器探头、第六应变传感器探头、……与第十四应变传感器探头(14)均为光纤应变传感器探头，探头外径为0.1mm～0.125mm。

技术方案中所述的应变传感器探头组件的输出端和应变传感器探头光纤组件的一端绞合连接是指：所述的应变传感器探头组件包括6～14个应变传感器探头，即包括第一应变传感器探头、第二应变传感器探头、第三应变传感器探头、第四应变传感器探头、第五应变传感器探头、第六应变传感器探头、……与第十四应变传感器探头；所述的应变传感器探头光纤组件包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、……与第十四光纤；第一应变传感器探头、第二应变传感器探头、第三应变传感器探头、第四应变传感器探头、第五应变传感器探头、第六应变传感器探头、……与第十四应变传感器探头的输出端依次和第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、……与第十四光纤的一端绞合连接。

技术方案中所述的第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、……与第十四光纤均采用低损耗的单模光纤，尺寸为9/125μm，即光纤芯径为9μm，包层后直径为125μm。

技术方案中所述的应变传感器探头光纤组件的另一端和箱体内各个应变传感器的输入端绞合相连接是指：所述的应变传感器探头光纤组件包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、……与第十四光纤；所述的箱体内设置有6～14个应变传感器，即箱体内设置有第一应变传感器、第二应变传感器、第三应变传感器、第四应变传感器、第五应变传感器、第六应变传感器、……与第十四应变传感器；第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、……与第十四光纤的另一端依次和第一应变传感器、第二应变传感器、第三应变传感器、第四应变传感器、第五应变传感器、第六应变传感器、……与第十四应变传感器的输入端绞合连接。

一种采用锂离子电池内应力的检测装置测量锂离子电池内应力的方法，步骤如下：

1)制作锂离子电池

(1)使用GC-200加强芯剪断钳裁取应变传感器探头组件，使应变传感器探头组件的另一端和电池封装结构外表面平齐，对应变传感器探头组件的另一端以及应变传感器探头光纤组件的一端端面进行抛光研磨处理，将应变传感器探头光纤组件的一端端面对准一端布置在锂离子电池内部的应变传感器探头组件的另一端并进行绞合连接；

(2)用聚四氟乙烯薄膜将应变传感器探头组件和应变传感器探头光纤组件进行包裹或将应变传感器探头组件和应变传感器探头光纤组件的外侧镀有抗氢氟酸腐蚀的金属材料；

(3)将应变传感器探头组件的一端布置于锂离子电池内部；

(4)在锂离子电池上盖处设置一直径大于应变传感器探头组件的直径的通孔；

(5)通过通孔将应变传感器探头光纤组件引出锂离子电池,再将通孔用焊锡密封；

(6)对锂离子电池进行包胶、封装、注液，完成锂离子电池的制作；

2)将布置有应变传感器探头组件的锂离子电池和所述的锂离子电池内应力的检测装置的其它设备连接，即将应变传感器探头光纤组件的另一端和箱体内各个应变传感器的输入端绞合连接，箱体内各个应变传感器的输出端与模数转换器的输入端连接，模数转换器的输出端和单片机的输入端连接，单片机的输出端通过RS232串口和上位机连接；

3)测量锂离子电池的内应力。

技术方案中所述的测量锂离子电池内应力的步骤如下：

1)当外载荷作用于锂离子电池或锂离子电池内部的锂离子迁移时以及有热应力产生时，光纤在应力作用下发生微弯扰动，光信号从光源发出，应变传感器探头组件接收光源的辐射检测到光信号，应变传感器探头组件检测到的光信号分别通过应变传感器探头光纤组件传至锂离子电池外部的箱体内的应变传感器；

2)光信号经箱体内的应变传感器将光信号处理转变成电压信号并进行放大，之后对放大的电压信号进行低通滤波处理，处理后的电压信号传至模数转换器；

3)模数转换器将接收到的各个电压信号转变为可以处理和运算的数字信号，数字信号经模数转换器的输出端传至单片机；

4)单片机对数字信号进行程序运算、处理和标定后，通过RS232串口发送至上位机；

5)上位机处理后即显示锂离子电池各个部位内应变的数值，将测得的锂离子电池各个部位内应变的数值乘以其弹性模量，通过数学方法计算出锂离子电池各个检测部位的内应力值。

技术方案中所述的应变传感器探头组件包括6～14个应变传感器探头，即包括第一应变传感器探头、第二应变传感器探头、第三应变传感器探头、第四应变传感器探头、第五应变传感器探头、第六应变传感器探头、……与第十四应变传感器探头；所述的应变传感器探头光纤组件包括第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤、……与第十四光纤。

技术方案中所述的将应变传感器探头组件的一端件布置在锂离子电池内部是指：第一应变传感器探头布置在锂离子电池出现应力集中的负极和隔膜的转角处，即负极的内层负极涂层与隔膜的转角处；第二应变传感器探头、第三应变传感器探头、第四应变传感器探头、第五应变传感器探头、第七应变传感器探头、第八应变传感器探头、第九应变传感器探头、第十应变传感器探头、第十一应变传感器探头、第十二应变传感器探头、第十三应变传感器探头和第十四应变传感器探头布置在锂离子电池充放电过程中热膨胀造成应力集中的侧边中心区域；第六应变传感器探头布置在锂离子电池的中心区域。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置和测量方法在锂离子电池制备过程中，将应变传感器探头均匀布于锂离子电池内部容易出现应力集中的负极与隔膜的转角处，即负极内层负极涂层与隔膜的转角处、锂离子电池充放电过程中热膨胀易造成应力集中的侧边中心区域,具体可根据需要在每组(每组的各层组成由外到内依次为隔膜、负极涂层、负极集流体、负极涂层、隔膜、正极涂层、正极集流体、正极涂层)靠近内层负极涂层的侧边中心位置布置应变传感器探头，以及锂离子电池的中心区域，从而能实时、准确的测得锂离子电池内应力的分布情况。

2.本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置和测量方法通过将应变传感器探头埋入锂离子电池内部，当锂离子电池受到外载荷作用或锂离子电池内部的锂离子迁移时以及有热应力产生时，将应变传感器探头组件通过应变传感器探头光纤组件连接至锂离子电池外部箱体内的各个应变传感器、模数转换器、单片机和上位机，从而能实时测试锂离子电池各个部位内应变的变化情况，将测得的锂离子电池各个部位内应变的数值乘以其弹性模量，通过数学方法计算出锂离子电池各个检测部位的内应力值，提供了一种简便易行、便于采集、能实时准确、多点测量锂离子电池内应力的检测装置和测量方法，能实时判断出锂离子电池内应力过高的部位，进而优化锂离子电池的工艺和结构设计；此外，还能更为精确的获取锂离子电池内应力的三维分布情况，为锂离子电池内应力三维模型的建立提供更有效的数据。

3.本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置和测量方法中采用的应变传感器探头为光纤应变传感器探头，探头外径可细至0.1mm，具有尺寸小，灵敏度高、耐高温、耐腐蚀、防爆、较好的抗电磁干扰和原子辐射干扰的能力等优点，能使用在强电磁干扰、易燃易爆和有害等恶劣环境中。

4.本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置和测量方法中采用的应变传感器探头的光纤均为单模光纤，是一种优良的低损耗传输线，能用于长距离传输，具有低损耗与无线量带宽的特性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1为本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置和测量方法中应变传感器探头的放置位置和通孔的位置的轴测投影视图；

图2为本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置和测量方法中电芯卷绕前的截面图；

图3为本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置的结构组成示意框图；

图4为采用本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置测量锂离子电池内应力的测量方法的流程框图；

图中：1.第一应变传感器探头，2.第二应变传感器探头，3.第三应变传感器探头，4.第四应变传感器探头，5.第五应变传感器探头，6.第六应变传感器探头，……，14.第十四应变传感器探头，15.第一光纤，16.第二光纤，17.第三光纤，18.第四光纤，19.第五光纤，20.第六光纤，……，28.第十四光纤，29.箱体，30.模数转换器，31.单片机，32.上位机，33.锂离子电池，34.正极，35.隔膜，36.负极，37.正极涂层，38.负极涂层，39.正极极耳，40.负极极耳，41.正极集流体，42.负极集流体。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

一个锂离子电池主要由正极34、负极36、电解液及隔膜35组成，外加正负极引线、安全阀、PTC(正温度控制端子)和电池壳等。正极34是由活性物质(LiCoO₂/LiMnO2/LiNixCo1-xO2/LiFeO4)加导电剂和粘合剂混合均匀后涂覆在正极集流体41上，一般采用的正极集流体41是铝箔，可以充当电池内外部电荷转移的桥梁；负极36是由活性物质(石墨、MCMB、CMS)加导电剂和粘合剂混合均匀后涂覆在负极集流体42上，一般采用的负极集流体42是铜箔，可以充当电池内外部电荷转移的桥梁；隔膜35是一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜具有微孔结构可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。将正极34、隔膜35、负极36以及正极极耳39、负极极耳40、保护胶带、终止胶带等物料固定在设备上，通过卷绕或者叠片的工艺完成电芯的制作。虽然锂离子电池种类繁多，但其工作原理大致相同。充电时，锂离子从正极涂层37中脱嵌，经过隔膜35和电解液嵌入到负极涂层38中；放电时以相反过程进行。

本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置包括应变传感器探头组件、应变传感器探头光纤组件、箱体29、模数转换器30、单片机31与上位机32。

所述的应变传感器探头组件包括6～14个应变传感器探头，即包括第一应变传感器探头1、第二应变传感器探头2、第三应变传感器探头3、第四应变传感器探头4、第五应变传感器探头5、第六应变传感器探头6、……与第十四应变传感器探头14；

所述的应变传感器探头光纤组件包括第一光纤15、第二光纤16、第三光纤17、第四光纤18、第五光纤19、第六光纤20、……与第十四光纤28，各个光纤的长度根据需要进行截取。

所述的第一应变传感器探头1、第二应变传感器探头2、第三应变传感器探头3、第四应变传感器探头4、第五应变传感器探头5、第六应变传感器探头6、……与第十四应变传感器探头14均为光纤应变传感器探头，探头外径为0.1mm～0.125mm；应变传感器探头实际上是光纤应变片，是标准件。

所述的第一应变传感器探头1、第二应变传感器探头2、第三应变传感器探头3、第四应变传感器探头4、第五应变传感器探头5、第六应变传感器探头6、……与第十四应变传感器探头14在锂离子电池33制作过程中均匀地布置在锂离子电池33内部，个数为6～14个。

应变传感器探头组件具体位置为：第一应变传感器探头1布置在锂离子电池33容易出现应力集中的负极36和隔膜35的转角处，即图2所示的负极36的内层负极涂层38与隔膜35的转角处；第二应变传感器探头2、第三应变传感器探头3、第四应变传感器探头4、第五应变传感器探头5、第七应变传感器探头7、第八应变传感器探头8、第九应变传感器探头9、第十应变传感器探头10、第十一应变传感器探头11、第十二应变传感器探头12、第十三应变传感器探头13与第十四应变传感器探头14布置在锂离子电池33充放电过程中热膨胀易造成应力集中的侧边中心区域，具体可根据需要在每组(每组的各层组成由外到内依次为隔膜35、负极涂层38、负极集流体42、负极涂层38、隔膜35、正极涂层37、正极集流体41、正极涂层37)靠近内层负极涂层38的侧边中心位置布置应变传感器探头；第六应变传感器探头6布置在锂离子电池33的中心区域；按14个布置。

所述的第一光纤15、第二光纤16、第三光纤17、第四光纤18、第五应力光纤19、第六光纤20、……与第十四光纤28均为单模光纤，尺寸为9/125μm，(光纤芯径为9μm，包层后直径为125μm)，是一种低损耗传输线。

所述的箱体29内设置有6～14个应变传感器，即包括第一应变传感器、第二应变传感器、第三应变传感器、第四应变传感器、第五应变传感器、第六应变传感器、……与第十四应变传感器；用于将各个应变传感器探头检测到的光信号转变为电压信号。

所述的箱体29内的14(>6)个应变传感器均是型号为SFO-W的光纤应变传感器，具有灵敏度高，高空间分辨率，不受电磁、射频和闪电的干扰，以及体积小、可靠性高、耐腐蚀等优异特点，适用于动、静态测量，能超长距离、实时动态检测作用于光纤上的应变变化情况，并且光纤的弯曲不会干扰信号的远距离传输，用于将检测到的光信号转变为电压信号。

所述的通孔设置在锂离子电池33的上盖处，通孔的直径略大于所有应变传感器探头导线直径的总和。

所述的模数转换器30设在锂离子电池外部，采用型号为ADC0809的模数转换器，是一款CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式的A/D模数转换器，转换时间为128μs，可以实现8路模拟量转换，用于将接收的电压信号转变为可以处理和运算的数字信号。

所述的单片机31为型号是89S51的单片机，对模数转换器30发出的数字信号进行程序运算、处理和标定。

所述的上位机32用于完成数据信号的接收、处理、计算、存储和显示等。

将应变传感器探头组件的另一端和电池33的封装结构外表面平齐，将应变传感器探头组件的另一端和应变传感器探头光纤组件一端端面进行适当的抛光研磨处理，并将应变传感器探头光纤组件的一端端面对准一端布置在锂离子电池33内部的应变传感器探头组件的另一端并进行绞合连接，应变传感器探头光纤组件的另一端经适当的抛光研磨处理后分别绞合连接至箱体29内各个应变传感器的接口端，箱体29内各个应变传感器的输出端分别连接至集成模数转换器30的输入端IN0～IN7，模数转换器30输出端的D0～D7分别与单片机31的8个引脚P0.0～P0.7连接，单片机31的输出端通过RS232串口连接至上位机32。

采用本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置测量锂离子电池内应力的方法：

本发明的锂离子电池内应力的测量方法为将应变传感器探头组件布置在锂离子电池33内部容易出现应力集中的负极36和隔膜35的转角处、锂离子电池33充放电过程中热膨胀造成应力集中的侧边中心区域和锂离子电池33的中心区域，通过通孔将应变传感器探头光纤组件引出锂离子电池33，当有外载荷作用于锂离子电池33或锂离子电池33内部的锂离子迁移时以及有热应力产生时，应变传感器探头组件的输出端通过应变传感器探头光纤组件和箱体29内各个应变传感器的输入端绞合相连，箱体29内各个应变传感器的输出端连接至模数转换器30的输入端，并将模数转换器30的输出端和单片机31的输入端连接，单片机31的输出端通过RS232串口连接至上位机32，即可实时测试锂离子电池33各个部位内应变的变化情况，将测得的锂离子电池各个部位内应变的数值乘以其弹性模量，通过数学方法计算出锂离子电池各个检测部位的内应力值。具体步骤如下：

1.制作锂离子电池33

1)使用GC-200加强芯剪断钳裁取应变传感器探头组件，使应变传感器探头组件的另一端和电池33封装结构外表面平齐，对应变传感器探头组件的另一端以及应变传感器探头光纤组件的一端端面进行抛光研磨处理，将应变传感器探头光纤组件的一端端面对准一端布置在锂离子电池33内部的应变传感器探头组件的另一端并进行绞合连接。

2)用聚四氟乙烯薄膜将应变传感器探头组件和应变传感器探头光纤组件进行包裹或将应变传感器探头组件和应变传感器探头光纤组件的外侧镀有抗氢氟酸腐蚀的金属材料。

3)将应变传感器探头组件的一端布置于锂离子电池33内部，具体位置为：第一应变传感器探头1布置在锂离子电池33内部容易出现应力集中的负极36和隔膜35的转角处，即图2所示的负极36的内层负极涂层38与隔膜35的转角处；第二应变传感器探头2、第三应变传感器探头3、第四应变传感器探头4、第五应变传感器探头5、第七应变传感器探头7、第八应变传感器探头8、第九应变传感器探头9、第十应变传感器探头10、第十一应变传感器探头11、第十二应变传感器探头12、第十三应变传感器探头13和第十四应变传感器探头14布置在锂离子电池33充放电过程中热膨胀易造成应力集中的侧边中心区域，具体可根据需要在每组(每组的各层组成由外到内依次为隔膜35、负极涂层38、负极集流体42、负极涂层38、隔膜35、正极涂层37、正极集流体41、正极涂层37)靠近内层负极涂层38的侧边中心位置布置应变传感器探头；第六应变传感器探头6布置在锂离子电池33的中心区域。

4)在锂离子电池33的上盖处设置一直径略大于应变传感器探头组件直径的通孔。

5)通过通孔将应变传感器探头光纤组件引出锂离子电池33,再将通孔用焊锡密封。

6)对锂离子电池33进行包胶、封装、注液，完成锂离子电池33的制作。

2.将布置有应变传感器探头组件的锂离子电池33和本发明所述的锂离子电池内应力的检测装置的其它设备连接，即将应变传感器探头光纤组件的另一端和箱体29内各个应变传感器的输入端绞合连接，箱体29内各个应变传感器的输出端与模数转换器30的输入端连接，模数转换器30的输出端和单片机31的输入端连接，单片机31的输出端通过RS232串口和上位机32连接。

3.测量锂离子电池33的内应力

1)当外载荷作用于锂离子电池33或锂离子电池33内部的锂离子迁移时以及有热应力产生时，光纤在应力作用下发生微弯扰动，光信号从光源发出，应变传感器探头组件接收光源的辐射检测到光信号，应变传感器探头组件检测到的光信号通过应变传感器探头光纤组件传至锂离子电池外部箱体29内的应变传感器；

2)光信号经箱体29内的应变传感器将光信号处理转变成电压信号并进行放大，之后对放大的电压信号进行低通滤波处理，处理后的电压信号传至模数转换器30；

3)模数转换器30将接收到的各个电压信号转变为可以处理和运算的数字信号，数字信号经模数转换器30的输出端传至单片机31；

4)单片机31对数字信号进行程序运算、处理和标定后，通过RS232串口发送至上位机32，

5)上位机32处理后即可显示锂离子电池33各个部位内应变的数值，将测得的锂离子电池各个部位内应变的数值乘以其弹性模量，通过数学方法计算出锂离子电池各个检测部位的内应力值。

本发明在锂离子电池33制备过程中，将应变传感器探头埋入锂离子电池内部容易出现应力集中的负极36和隔膜35的转角处，即负极36的内层负极涂层38与隔膜35的转角处、锂离子电池充放电过程中热膨胀造成应力集中的侧边中心区域，具体可根据需要在每组(每组的各层组成由外到内依次为隔膜35、负极涂层38、负极集流体42、负极涂层38、隔膜35、正极涂层37、正极集流体41、正极涂层37)靠近内层负极涂层38的侧边中心位置布置应变传感器探头，以及锂离子电池33的中心区域，当锂离子电池受到外载荷作用或锂离子电池内部的锂离子迁移时以及有热应力产生时，将应变传感器探头组件通过应变传感器探头光纤组件连接至锂离子电池外部箱体29内的各个应变传感器、模数转换器30、单片机31和上位机32，从而能实时测试锂离子电池各个部位内应变的变化情况，将测得的锂离子电池各个部位内应变的数值乘以其弹性模量，通过数学方法计算出锂离子电池各个检测部位的内应力值。提供了一种简便易行、便于采集、能实时准确、多点测量锂离子电池内应力的检测装置和测量方法，能实时判断出锂离子电池内应力过高的部位，进而优化锂离子电池的工艺和结构设计；此外，还能更为精确的获取锂离子电池内应力的三维分布情况，为锂离子电池内应力三维模型的建立提供更有效的数据。