基于超声波的锂离子动力电池无损检测技术

基于超声波的锂离子动力电池无损检测技术

梁志伟

中车齐齐哈尔车辆有限公司 黑龙江齐齐哈尔 161002

摘要：电池内部材料物理特性的变化与电池性能状态直接相关，所以基于超声波技术检测电池性能状态得到相关学者的关注，并获得一定的成果。研究结果表明，该技术具有相对简单、成本低的特点，在实际生产中具有很强的应用价值。论文针对基于超声波锂电池无损检测技术的理论基础、技术关键、存在的问题、发展趋势等内容展开综述性研究。

关键词：超声波；锂离子；无损检测

1 理论基础

1.1 弹性波理论

超声波是一种振动频率高于人耳听觉上限（20 k Hz）的声波，因其具有频率高、方向性好、容易获取较为集中的声能、穿透能力强等特点，经常将其应用在无损检测中。为了得到传播速度，可以通过在特定介质长度下，测量波的传播时间来间接计算求取。另外，超声波传播的速度与介质的体积模数、密度等物理性质有关：

式（1）中，Vp是速度，K是体积模数，μ是剪切系数，ρ是介质密度。

超声波在孔隙介质中的传播，容易受到孔隙介质的物理化学性质和固相的相互作用等影响。孔隙介质中的声学参数与介质本身的孔隙度、迂曲度、弹性模量和流体密度等参数有关，在充满流体的孔隙介质有3种波可以在其中传播：慢速纵波、快速纵波和横波。在这之中慢速纵波容易受到孔隙流体的运动影响，同时有存在固体骨架运动对慢速纵波的影响，对于这3种波的波数可表示为:

式（2）和式（3）中，下标ρ和s分别代表纵波和横波，±分别表示快速和慢速纵波，公式中的相关符号表示如下：

式（4)-（8）中，ω为圆频率，K、Kd分别为饱和、干燥（或排水）条件下介质的体积模量，μ为剪切模量，其余的3个参数由下式给出：

式（9)-（11）中，Φ为孔隙度，ρf和Kf分别为流体的密度和体积模量，ρs和Ks分别为介质基质的密度和体积模量。

与孔隙流体波动有关的参数为：

式（13）中k（ω）为Johnson等推导出的动态渗透率：

式（14）中，κ0为达西渗透率，τ为孔隙内流体的弯曲度，η为流体的粘滞系数。

因此，通过以上弹性波理论分析可知，通过检测和分析含不同饱和度流体孔隙介质的声学参数（如超声波的声速、频率、振幅等），就能够反推出孔隙介质相关物理参数（孔隙度、流体饱和度等）。

1.2 锂离子电池的工作原理

锂离子电池是采用储锂化合物作为正、负极材料构成的蓄电池。锂离子电池一般由正极、负极、隔膜、有机电解液组成，其中电池的正负极都浸泡在电解液中。为了避免发生由于电解液导致正负极短路的情况，一般会利用允许离子通过的隔膜将正负极分离。含锂元素的材料一般是锂离子电池正极的重要组成材料，现阶段主要应用有钴酸锂（LiXCo O2）、磷酸铁锂（Li Fe PO4）以及三元锂等含锂材料，而负极材料则是主要有嵌锂材料（石墨）等组成。锂离子电池的充放电过程简单来说是锂离子从正负极上嵌入和脱嵌的过程。当电池充电时，锂离子从正极材料上脱嵌，脱嵌的锂离子经电解液运动到电池的负极，从微观角度上看，由于负极材料中存在许多微孔，这就为锂离子的嵌入提供了条件。电池放电过程则反之。上述锂离子的反应过程可以利用化学反应式表达如下（以正极材料是磷酸锂铁、负极材料是石墨为例）：

（1）充电过程：

（2）放电过程：

1.3 超声波检测原理

锂离子电池充放电中的锂离子嵌入、脱嵌等过程，将导致电池电极及电解液等材料物理特性发生变化，也直接反映了电池的性能状态。超声探头向锂离子电池发送脉冲信号，该信号在经过电池内部传播后，由电池另一侧的超声探头接收。超声波在电池材料中的传播速度等声学参数与波传播通过的介质材料特性相关，所以通过分析处理超声波接收信号，可以评估电池相关性能。

2 电池性能状态检测技术

2.1 基于飞行时间

超声波在固体物质中的声速可以从Newton-Laplace方程中计算出来：

其中，E是弹性模量，ρ是密度。锂电池充放电过程中，电池内部电极材料的嵌锂态不同，导致电池参数和弹性模量变化，从而影响到超声波在电池内部的传播速度，其最直观的表现就是发出超声波信号和接收超声波信号之间的时间差的改变，即超声波飞行时间的变化。因此，首先介绍了使用超声波检测电池内部状态的概念，建立了标准的一维声守恒模型。

其中，p为压力，u为波速，下标x和t分别代表时间和空间，E为弹性系数，ρ为密度。研究发现，随着锂离子电池SOC的改变，超声飞行时间也随着发生改变。另外，在充放电过程中，超声信号的强度会发生一定的变化。当电池充电时，声强度随着相变的逆转而略微降低，随后强度随着荷电状态的增加而稳定增加。另外，超声信号的频率对实验结果产生一定的影响。研究者认为这是在电化学过程中电池内材料性质变化的结果导致了这种关系，表明电化学-声学方法应用于电池SOC估计的可行性，但是该方法只能观察到一般效应，如波速的变化。

2.2 基于超声导波

除了上述直接利用超声波来检测电池的性能状态外，超声导波可以利用结构的几何边界来引导波的传播。这允许应力波在各种尺寸和复杂性的结构中长距离传播，同时能量损失最小。使用弹性导波代替超声波来确定锂离子电池的充电状态和健康状态（SOH）。压电传感器附着在电池表面，在恒定的环境条件下循环使用。另外，通过利用导波来检测锂离子电池的荷电状态和健康状态，发现由导波信号偏移引起的飞行时间（To F）和信号幅度的变化与电化学充放电循环和老化密切相关。通过使用差分电压和差分飞行时间分析，他们能够在锂离子电池中检测嵌入阶段的相变。此外，生成了电池的分析模型，并验证了循环期间实验飞行时间的标称幅度和范围。在此基础上更进一步地进行研究，分别研究两个传感器之间不同的距离对导波的幅值和飞行时间（To F）的影响，实验表明振幅和相位与SOC之间的明显相关性，随着循环次数的增加，观察到振幅和飞行时间有明显的偏移现象，这显示了利用弹性导波来确定锂离子电池的SOC和SOH的潜力。

3 结论

论文研究了基于超声波的锂离子动力电池性能状态无损检测技术的意义、基本理论及相关研究成果。研究结果表明，基于超声波直接检测电池性能状态的方法虽然取得了一些成果，但其起步较晚，目前技术不是非常成熟。主要有以下几个方面：

（1）现阶段基于超声波无损检测主要用于对电池SOC与SOH性能状态检测，而对于电池的能量状态（SOE）、安全状态（SOS）和剩余寿命等性能状态的研究还没有相关成果，而后者对电池的应用也非常重要，值得深入研究。

（2）目前，超声波检测设备体积过大，这不利于将超声波检测装置集成在动力锂离子电池的电池管理系统（BMS）上。虽然有一些研究成果将压电圆盘作为超声波的发射和接收装置，能够减小设备体积，但这只是在实验室验证了其可行性。

（3）对于锂电池的性能状态检测一般需要对其进行充放电全周期循环测试，其存在着耗时久、对电池造成不可逆伤害等缺点，因此对锂离子电池的性能状态快速和准确评价估计就变得尤为重要，特别是研究区域性短流程的电池性能状态测试方法，以提升电池性能参数检测速度，满足商用动力锂电池生产与应用的实际需求。

（4）目前的研究成果只是针对单一电池性能状态进行相关研究。为有效评估荷电状态（SOC）、能量状态（SOE）、健康状态（SOH）、温度状态（SOT）等反映电池性能的状态量，研究电池性能状态量与超声波检测信号的相关性，通过检测数据的信号特征量的优选，电池性能状态互相关联性分析，研究多电池性能状态协同估计模型构建也非常有必要。

参考文献

[1] 工信部.新能源汽车动力蓄电池回收利用调研报告[J].广西节能，2019（1):22-23.

[2] 工信部.2019年1-12月电池行业运行情况[EB/OL].