基于超声波的电池内部健康状态检测装置和方法与流程

本发明涉及电池技术领域，具体涉及基于超声波的电池内部健康状态检测装置和方法。该检测装置和方法尤其可应用于筛选退役锂离子电池以进行二次利用。

背景技术：

随着新能源汽车市场迎来井喷式发展，其最核心部件锂离子动力电池开始进入大规模报废退役期。退役动力电池本身仍保留80％左右的电池容量，将其回收后进行二次利用，可节约大笔经济成本并可解决环境污染问题。动力电池在服役期间可能产生鼓胀、发软、漏液、性能衰减、温度过高等各类失效问题，所以首先需要对退役锂离子电池的内部健康状态进行检测，剔除存在受损和缺陷的坏电池，回收有二次利用价值的电池。其次，由于服役环境的差异，退役锂离子电池的健康状态和剩余寿命一致性低，若对退役锂离子电池不加甄别而直接重组在一起进行二次利用，将导致短板效应和安全问题。因此在退役锂离子电池二次利用之前，必须进行检测筛选，挑选出综合性能良好且较为一致的退役锂离子电池进行二次利用。

电池由正极、负极和隔膜层叠或卷绕而成，电池内部包括正负极活性材料、粘合剂、电解质、导电剂等各种材料，种类繁多，结构复杂精细，要准确地评估电池的健康状态和剩余寿命，通常耗时耗力，十分困难。目前对锂离子电池的检测主要方法有恒电流测试法、恒功率测试法、脉冲测试法、阻抗测试法、电流积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法等。这些方法主要针对锂离子电池的电学参数变化进行分析与处理，存在成本高、耗时长、损耗大等问题。随着全球对锂离子电池的研究投入增加，锂离子电池技术发展迅速，制备锂离子电池的工艺不断优化，能量密度不断提高，成本不断降低。如果在退役锂离子电池的检测和筛选阶段耗费大量人力物力，成本上升，与新生产的锂离子电池的相比不具备竞争力，则在经济上失去了电池回收二次利用的意义。但是，如果不回收利用退役锂离子电池，则在环保上失去了电池回收二次利用的应有之义。

超声波检测法是利用超声波与试件的相互作用，通过研究透射、反射的超声波，对试件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征的检测技术。超声波穿透能力强，可对较大厚度范围内的试件内部缺陷进行无损检测，不需要对试件进行拆解，具有方便快速、成本低的优点。已有将超声波检测法应用于电池检测的现有技术，例如中国专利申请cn106772063a(名称“一种监测锂离子电池荷电状态和健康状态的方法及其装置”，公开日2017年5月31日)和中国专利申请cn106979761a(名称“一种锂离子电池内部各层级厚度及表面形貌的检测方法”，公开日2017年7月25日)。但这些电池超声波检测技术没有考虑到电池各部位对超声波响应的差异，因此，现有的技术仍有待改进。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于超声波的电池内部健康状态检测装置和方法，通过比较电池中央区域的超声波透射或反射信号与电池中央周边区域的超声波透射或反射信号的差异，来判断电池的电池内部健康状态。

因此，在第一方面，本发明提供一种基于超声波透射的电池内部健康状态检测装置，该装置包括：

超声波探头、电池承载与移动单元和计算机单元，该超声波探头包括超声波发射探头和超声波接收探头；

该超声波发射探头被布置成朝向待测电池的第一检测面，用于向待测电池发射超声波信号，该超声波接收探头被布置成朝向待测电池的与第一检测面相对的第二检测面，用于接收从待测电池透射的超声波信号；

该电池承载与移动单元用于承载该电池并且使该电池相对于该超声波发射探头和该超声波接收探头移动或转动，使得该超声波发射探头沿设定的检测路径对第一检测面上的多个检测点发射超声波信号，并且该超声波接收探头沿设定的检测路径从第二检测面上相应的多个检测点接收透射的超声波信号；

该计算机单元与该超声波发射探头、该超声波接收探头和该电池承载与移动单元构成电通信连接，用于控制该超声波发射探头和该超声波接收探头分别发射超声波信号和接收透射的超声波信号，控制该电池承载与移动单元沿设定的检测路径移动，并且对接收到的透射超声波信号进行统计学分析。

待测电池的第一检测面和第二检测面为根据电池形状而定最易体现电池内部均匀性的检测面。对于矩形和袋状电池电池，第一检测面和第二检测面分别为电池的两个相对的最大矩形表面。第一检测面上的多个检测点和第二检测面上相应的多个检测点的连线与第一检测面和第二检测面大体上垂直。

对于圆柱形电池，第一检测面和第二检测面分别为电池的圆柱侧面的两个相对的半侧面。第一检测面上的多个检测点和第二检测面上相应的多个检测点的连线大体上位于圆柱的直径方向。

电池的中央是指电池的几何中心。对于矩形和袋状电池电池，电池的中央大约位于长方体形状的电池本体的对角线交点。对于圆柱形电池，电池的中央大约位于圆柱形电池本体的上下两圆面圆心所连线段的中点。

对第一检测面上的多个检测点和第二检测面上相应的多个检测点的数量和分布没有限制。这些检测点的具体数量根据电池的检测面的面积大小和需要的检测精度而定。这些检测点的具体分布也根据电池的检测面的面积大小和需要的检测精度而定，但通常在检测面上均匀分布形成检测点阵列。

根据这些检测点与待测电池的中央的距离，可以将这些检测点定义为靠近待测电池的中央的检测点和偏离待测电池的中央的检测点。具体哪些检测点定义为靠近待测电池的中央的检测点，哪些检测点定义为偏离待测电池的中央的检测点，可根据检测的需要而设置，但是一般地，越接近检测面边缘的检测点，越偏离待测电池的中央。

在第二方面，本发明提供一种基于超声波反射的电池内部健康状态检测装置，该装置包括：

超声波探头、电池承载与移动单元和计算机单元，该超声波探头兼具超声波发射功能和超声波接收功能；

该超声波探头被布置成朝向待测电池的检测面，用于向待测电池发射超声波信号并接收从待测电池反射的超声波信号；

该电池承载与移动单元用于承载该电池并且使该电池相对于该超声波探头移动或转动，使得该超声波探头沿设定的检测路径对该检测面上的多个检测点发射超声波信号并接收反射的超声波信号；

该计算机单元与该超声波探头和该电池承载与移动单元构成电通信连接，用于控制该超声波探头发射超声波信号和接收反射的超声波信号，控制该电池承载与移动单元沿设定的检测路径移动，并且对接收到的反射超声波信号进行统计学分析。

待测电池的检测面为根据电池形状而定最易体现电池内部均匀性的检测面。对于矩形电池和袋状电池，检测面为电池的两个相对的最大矩形表面之一。对于圆柱形电池，检测面为电池的圆柱侧面。

电池的中央是指电池的几何中心。对于矩形电池，电池的中央大约位于长方体形状的电池本体的对角线交点。对于圆柱形电池，电池的中央大约位于圆柱形电池本体的上下两圆面圆心所连线段的中点。

对检测面上的多个检测点的数量和分布没有限制。这些检测点的具体数量根据电池的检测面的面积大小和需要的检测精度而定。这些检测点的具体分布也根据电池的检测面的面积大小和需要的检测精度而定，但通常在检测面上均匀分布形成检测点阵列。

根据这些检测点与待测电池的中央的距离，可以将这些检测点定义为靠近待测电池的中央的检测点和偏离待测电池的中央的检测点。具体哪些检测点定义为靠近待测电池的中央的检测点，哪些检测点定义为偏离待测电池的中央的检测点，可根据检测的需要而设置，但是一般地，越接近检测面边缘的检测点，越偏离待测电池的中央。

在第三方面，本发明提供一种使用本发明第一方面的基于超声波透射的电池内部健康状态检测装置评估电池内部健康状态的方法，该方法包括以下步骤：

s1：将待测电池置于该电池承载与移动单元上；

s2：通过该计算机单元选择该待测电池的第一检测面上的多个检测点和第二检测面上相应的多个检测点，根据这些检测点与待测电池的中央的距离，将这些检测点定义为靠近待测电池的中央的检测点和偏离待测电池的中央的检测点，并设置该待测电池的第一检测面上的多个检测点和第二检测面上相应的多个检测点的检测路径；

s3：通过该计算机单元使该电池承载与移动单元移动或转动，以使该待测电池相对于该超声波发射探头和该超声波接收探头移动或转动，使得该超声波发射探头沿设定的检测路径对第一检测面上的多个检测点发射超声波信号，并且该超声波接收探头沿设定的检测路径从第二检测面上相应的多个检测点接收透射的超声波信号；

s4：通过该计算机单元对从第二检测面上相应的多个检测点接收到的透射超声波信号进行统计学分析，得出靠近待测电池的中央的检测点接收到的透射超声波信号和偏离待测电池的中央的检测点接收到的透射超声波信号在超声波波形、超声波飞行时间和超声波强度方面的超声波数据离散程度，该数据离散程度指示待测电池的电池内部健康状态，其中该数据离散程度越大，待测电池内部健康状态越差。

在第四方面，本发明提供一种使用本发明第二方面的基于超声波反射的电池内部健康状态检测装置评估电池内部健康状态的方法，该方法包括以下步骤：

s1：将待测电池置于该电池承载与移动单元上；

s2：通过该计算机单元选择该待测电池的检测面上的多个检测点，根据这些检测点与待测电池的中央的距离，将这些检测点定义为靠近待测电池的中央的检测点和偏离待测电池的中央的检测点，并设置该待测电池的检测面上的多个检测点的检测路径；

s3：通过该计算机单元使该电池承载与移动单元移动或转动，以使该电池相对于该超声波探头移动或转动，使得该超声波探头沿设定的检测路径对该检测面上的多个检测点发射超声波信号并且接收反射的超声波信号；

s4：通过该计算机单元对从检测面上相应的多个检测点接收到的反射超声波信号进行统计学分析，得出靠近待测电池的中央的检测点接收到的反射超声波信号和偏离待测电池的中央的检测点接收到的反射超声波信号在超声波波形、超声波飞行时间和超声波强度方面的超声波数据离散程度，该数据离散程度指示待测电池的电池内部健康状态，其中该数据离散程度越大，待测电池内部健康状态越差。

在本发明的评估电池内部健康状态的方法中，根据需要而定，所用的超声波可以为纵波，也可以为横波。所用的超声波频率、超声波换能器种类、超声波探头种类、超声波探头与待测电池检测面接触与否可根据电池特性来选择，以达到最优效果。检测路径通常选择为最短路径，即检测时间最小的路径。待测电池包括圆柱形、矩形、软包等各类封装方式的电池，也包括二元材料、三元材料等各类材料的电池。待测电池可以为各种类别的电池，优选地为锂离子电池。超声波信号的统计分析可通过商用的分析软件或者专门开发的分析软件来实现。

在本发明的评估电池内部健康状态的方法的优选实施方案中，还包括通过相同的步骤检测新电池的所述超声波数据离散程度，并将待测电池的所述超声波数据离散程度与新电池的所述超声波数据离散程度进行比较，其中两种超声波数据离散程度差异越大，表明待测电池内部健康状态越差。

在本发明的评估电池内部健康状态的方法的优选实施方案中，还包括识别超声波信号显著异常的检测点，该检测点代表待测电池内部严重缺陷的部位，例如漏液、气泡、断裂等缺陷，并在排除偶然与检测误差的基础上，判定该待测电池为不合格电池。

在本发明的评估电池内部健康状态的方法的优选实施方案中，还包括验证试验，取部分待测电池进行电学、化学、材料学检测，更精准地获得荷电状态、健康状态、剩余寿命等数据，并将这些数据与待测电池的所述超声波数据离散程度建立关联，以便后续更精确地评估电池内部健康状态。

在本发明的评估电池内部健康状态的方法的优选实施方案中，还包括根据二次利用场景与需求，确定筛选标准，将达不到二次利用要求的健康状态的电池进行剃除，将达到健康状态的电池进行二次利用。

本发明的有益效果：

第一、本发明提出了崭新的检测思路，通过靠近待测电池的中央的检测点接收到的超声波信号和偏离待测电池的中央的检测点接收到的超声波信号在超声波波形、超声波飞行时间和超声波强度方面的超声波数据离散程度来指示待测电池的电池内部健康状态，可以直接用于定性或定量判断废旧电池的内部健康状态，包括不同废旧电池的内部状态一致性，为废旧电池的分级和梯次利用提供指导。

第二、超声波穿透力强，灵敏度高，能够精确地反映电池内部材料的结构变化，以材料结构本身的变化来判断电池内部健康状态更准确和精确。

第三、本发明的基于超声波技术的电池内部健康状态检测装置和方法，具有不损伤电池的优点，而传统检测方法对电池进行充放电将折损电池寿命。

第四、超声波检测设备与电学检测设备相比结构简单，成本低。

第五、超声波检测速度快，检测过程简单，操作方便，适用性广。

附图说明

图1为根据本发明的基于超声波透射的电池内部健康状态检测的原理图；

图2为根据本发明一个实施例的矩形锂离子电池超声波检测示意图；

图3为根据本发明一个实施例的圆柱形锂离子电池超声波检测示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步详细说明。

出厂电池内部正负极等材料分布均匀。在电池服役过程中，电池不断充放电，电池内部离子和电子的电化学运动会导致电池材料的机械性能发生变化。当电池经过长时间服役时，内部还可能会出现气泡、缺陷、漏液、老化衰退等情况，加之服役时电池温度分布不均匀，导致材料不均匀性进一步加大。因此退役电池的内部材料均匀性下降，电池内部健康状态恶化。一般地，电池中央区域比中央周边区域容量损失快，材料受损程度和速度比边缘快。这是由于电池工作时，电流在电池内部分布不均匀，电池中间的电场更大，因此中央区域的温度更高，更易引起材料成分与形态的变化，导致中央区域的容量损失更多。

根据弹性波传播理论，超声波的传播速度与材料内的体积模量、剪切模量和密度密切相关。因此，可通过超声波的波形差异、飞行时间(tof)、总信号强度等超声波信号与电池的内部健康状态建立关联。

基于此，本发明提供了基于超声波的电池内部健康状态检测装置和方法，通过统计学比较电池中央区域的超声波信号与电池中央周边区域在超声波波形差异、飞行时间(tof)、总信号强度等超声波信号数据的差异，来判断电池的电池内部健康状态，是一种无损检测方法。

本文所用的术语“电池内部健康状态”是指使用过的待测电池与其未使用前相比，内部的化学成分和/或物理结构的改变，例如电池内部缺陷、材料密度和弹性模量改变、材料组成和物相改变、电池容量损失等。

由于超声波遇到试件如电池时会发生透射和/或反射，因此本发明的基于超声波的电池内部健康状态检测装置和方法具体地可以基于超声波的透射或者基于超声波的反射。

本发明的基于超声波透射的电池内部健康状态检测的原理如图1所示。图中显示电池的截面图，超声波发射探头t和超声波接收探头r分别靠近并朝向电池上下表面，可以分别沿检测点a-b-c-d和a'-b'-c'-d'的移动线路在电池表面上移动进行检测。超声波发射探头t发出适宜频率的超声波穿透过电池，超声波接收探头r接收透射波，得到超声波波形、超声波飞行时间(tof)和超声波强度等超声波数据。本发明的基于超声波反射的电池内部健康状态检测的原理也类似，但超声波发射探头t和超声波接收探头r合二为一，称为超声波探头，其同时具有发射超声波和接收超声波的功能。

如图1所示，中部灰色区域示意性表示受损区域，颜色越深则受损越严重，呈中部向周围变小的趋势。图中所示的电池内部a区域(代表电池中央周边区域)与b区域(代表电池中央区域)由于受损程度不同，材料组成和物相有所不同，材料密度和弹性模量发生改变。因此，当超声波从电池表面传播至电池内部时，透过a和b区域的超声波的波形、飞行时间和强度均不同。退役的废旧电池容量损失越大，a、b区域的超声波信号差别越明显。通过对a、b区域的超声波信号数据进行统计学分析得出超声波数据离散程度。该超声波数据离散程度指示待测电池的电池内部的一致性，即指示电池内部健康状态，该超声波数据离散程度越大，待测电池内部健康状态越差。通常，新电池的超声波数据离散程度很低，因此，废旧电池的中央区域和中央周边区域超声波数据离散程度可以直接用于定性或定量判断废旧电池的内部健康状态，包括不同废旧电池的内部状态一致性，为废旧电池的分级和二次利用提供指导。也可以获得新电池的超声波数据离散程度，并与待测电池的超声波数据离散程度进行比较，其中两种超声波数据离散程度差异越大，表明待测电池内部健康状态越差。

在一些情况中，废旧电池内部可能出现明显缺陷、气泡、锂枝晶等严重受损情况，如图1中c区域所示，超声波信号将发生显著异常。所为“显著异常”可根据需要进行定义，例如定义为超声波信号值超过正常值10％、20％、50％或更高。在超声波信号发生所定义的显著异常时，可以判断该废旧电池为不合格电池。另外，d区域为极耳区域，其组成和结构与电池本体材料相差较大，因此从位于极耳区域的检测点获得的超声数据不用于数据离散程度的分析，但可以将其超声数据与健康电池进行比较，若差别较大，则极耳区域可能出现故障，也可以判断电池为不合格电池。

以下通过非限制性实施例对本发明作示例性说明。

实施例1：退役矩形锂离子电池的超声波检测

参见图2，其中示出了退役矩形锂离子电池的超声波检测示意图。

检测装置包括超声波探头、电池承载与移动单元和计算机单元，超声波探头包括超声波发射探头和超声波接收探头，但为简明起见，图2未显示电池承载与移动单元和计算机单元，而是显示了待测电池及超声波发射探头t和超声波接收探头r，以及相关的超声波脉冲发射-接收器。超声波发射探头t和超声波接收探头r与超声波脉冲发射-接收器连接，分别发射超声波和接收从待测电池透射的超声波。而超声波脉冲发射-接收器与计算机单元连接构成电通信连接(图2未显示)，由计算机单元对其控制以使超声波发射探头t和超声波接收探头r分别发射超声波和接收从待测电池透射的超声波。

检测者可将待测电池置于电池承载与移动单元上。电池承载与移动单元与计算机单元构成电通信连接(图2未显示)，能沿x、y、z轴移动，根据设定的检测路径并采用适宜的移动速度，对电池进行超声检测。检测者操纵计算机单元使电池承载与移动单元在x轴、y轴和/或z轴移动，和/或适当调整超声波发射探头t和超声波接收探头r的上下距离，以使超声波发射探头t和超声波接收探头r上下相对地靠近并朝向电池的上下主表面，即第一检测面(如图2的虚线框所示)和第二检测面(图2未显示)。

检测者可通过计算机单元选择待测电池的第一检测面上的多个检测点(图2显示)和第二检测面上相应的多个检测点(图2未显示)。如图2所示，这些检测点形成阵列均匀分布在检测面上。检测者可按检测需求，通过计算机单元，根据这些检测点与待测电池的中央的距离，将这些检测点定义为靠近待测电池的中央的检测点和偏离待测电池的中央的检测点。检测者可设置待测电池的第一检测面上的多个检测点和第二检测面上相应的多个检测点的检测路径。如图2所示，检测路径设置为从右上角的检测点开始往左沿多个s形移动到左下角的检测点。当然，也可以设置其他的检测路线，例如从右上角的检测点开始往下沿多个s形移动到左下角的检测点。通常的原则是检测路径最短，检测时间最少。

然后，检测者操纵计算机单元使电池承载与移动单元在x和y轴移动，以使待测电池相对于超声波发射探头t和超声波接收探头r移动，使得超声波发射探头t沿设定的检测路径对第一检测面上的多个检测点发射超声波信号，并且超声波接收探头r沿设定的检测路径从第二检测面上相应的多个检测点接收透射的超声波信号。

最后，检测者通过计算机单元对从第二检测面上相应的多个检测点接收到的透射超声波信号进行统计学分析。计算机单元显示出靠近待测电池的中央的检测点接收到的超声波信号和偏离待测电池的中央的检测点接收到的超声波信号在超声波波形、超声波飞行时间和超声波强度方面的超声波数据离散程度。检测者由数据离散程度可以评估待测电池的电池内部健康状态。数据离散程度越大，待测电池内部健康状态越差。

本实施例显示的是基于超声波透射的检测，在检测装置和检测方法作适当修改的情况下也适用于基于超声波反射的检测。

另外，图2显示邻近极耳的一列检测点(黑色点)，检测者可以通过这些检测点的透射超声波信号是否明显异常来判断极耳区域是否出现故障。

实施例2

参见图3，其中示出了退役矩形锂离子电池的超声波检测示意图。

检测原理与实施例2相同，也是基于超声波透射。检测装置与检测方法与实施例2相似。但有以下的不同之处。超声波发射探头t和超声波接收探头r分别位于电池的圆柱表面上，并且径向相对。第一检测面和第二检测面分别为电池的圆柱侧面的两个相对的半侧面，第一检测面上的多个检测点和第二检测面上相应的多个检测点的连线大体上位于圆柱的直径方向。检测者操纵计算机单元使电池承载与移动单元转动，以使待测电池相对于超声波发射探头t和超声波接收探头r转动，使得超声波发射探头t沿设定的检测路径对第一检测面上的多个检测点发射超声波信号，并且超声波接收探头r沿设定的检测路径从第二检测面上相应的多个检测点接收透射的超声波信号。

本实施例显示的是基于超声波透射的检测，在检测装置和检测方法作适当修改的情况下也适用于基于超声波反射的检测。

另外，图3显示邻近上下极耳的一列检测点(虚线以外)，检测者可以通过这些检测点的透射超声波信号是否明显异常来判断极耳区域是否出现故障。

以上应用了具体实例对本发明进行了阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员依据本发明的构思，还可以做出若干简单推演、变形或替换。这些推演、变形或替换方案也落入本发明的权利要求范围内。