阅读说明：本技术 一种基于逆压电效应的锂离子动力电池内部参量检测方法 (Lithium ion power battery internal parameter detection method based on inverse piezoelectric effect ) 是由 魏学哲 陈思琦 戴海峰 张广续 徐雅慧 张少哲 于 2021-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于逆压电效应的锂离子动力电池内部参量检测方法,包括以下步骤：1)通过预置在电池内部的压电陶瓷薄片的逆压电效应在电池内部反应电场变化作用下产生动态激振；2)通过光纤位移传感器的光纤探头检测电池表面的光强度；3)根据初始状态的光强度与动态激振后检测到的光强度得到锂离子动力电池内部参量,即电压的实时变化情况。与现有技术相比,本发明具有检测精度高、无损实时检测、无需对电池外壳进行钻孔植入等优点。(The invention relates to a method for detecting internal parameters of a lithium ion power battery based on an inverse piezoelectric effect, which comprises the following steps: 1) dynamic excitation is generated under the action of the change of a reaction electric field in the battery through the inverse piezoelectric effect of a piezoelectric ceramic sheet preset in the battery; 2) detecting the light intensity of the surface of the battery through an optical fiber probe of the optical fiber displacement sensor; 3) and obtaining internal parameters of the lithium ion power battery, namely the real-time change condition of the voltage according to the light intensity in the initial state and the light intensity detected after dynamic excitation. Compared with the prior art, the invention has the advantages of high detection precision, nondestructive real-time detection, no need of drilling and implanting the battery shell and the like.)

一种基于逆压电效应的锂离子动力电池内部参量检测方法

技术领域

本发明涉及锂离子动力电池技术与检测领域，尤其是涉及一种基于逆压电效应与光纤传感的锂离子动力电池内部参量检测方法。

背景技术

在化石燃料大量消耗、全球变暖的当今世界，资源、环境问题日趋严峻，相较于传统内燃机等动力源，锂离子动力电池在功率密度与清洁性上具有较大优势。

然而高比能、长续航、快充、全气候应用等技术趋势在推广的过程中给锂离子动力电池的车载应用提出了严苛的安全性要求，在低温、快充、过热、物理挤压、内短路等情况下内部电化学反应及机理较为复杂，现有外部检测手段所测得的参量十分有限，且与内部参量存在较大的差异性，而现有的植入热电偶等手段需在电池壳体表面钻孔，植入后胶封，在实际使用过程存在着内部产气、过压等破坏封口处密封胶的风险。

因此，探究前期放置、无线传输的内部反应参量检测手段将成为锂离子动力电池内部反应探究的迫切需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于逆压电效应的锂离子动力电池内部参量检测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于逆压电效应的锂离子动力电池内部参量检测方法，包括以下步骤：

1)通过预置在电池内部的压电陶瓷薄片的逆压电效应在电池内部反应电场变化作用下产生动态激振；

2)通过光纤位移传感器的光纤探头检测电池表面的光强度；

3)根据初始状态的光强度与动态激振后检测到的光强度得到锂离子动力电池内部参量，即电压的实时变化情况。

所述的步骤1)中，在锂离子动力电池生产时，将压电陶瓷薄片预置在软包电芯或电池内部片层材料之间并压紧处理。

所述的步骤1)中，所述的压电陶瓷薄片的厚度为毫米级以下。

所述的压电陶瓷薄片的制作方法如下：

将锆钛酸铅材料制成的压电陶瓷片粘贴在圆形黄铜片上制成压电陶瓷薄片。

所述的步骤1)中，当电池内部反应电场产生变化，电压施加到压电陶瓷薄片两端时，根据逆压电效应在垂直方向上产生位移量，此位移量在与施加在压电陶瓷薄片两端的电压呈线性关系，则有：

Δy＝kU

其中，Δy为压电陶瓷薄片在垂直方向上的位移量，U为施加在压电陶瓷薄片两端的电压，k为逆压电效应的比例系数。

所述的步骤2)中，光纤位移传感器的光纤探头垂直布置于电池表面1mm处，且与地线相连。

所述的步骤3)中，初始状态的光强度的表达式为：

F＝k'd

其中，F为初始状态的光强度，d为光纤探头距电池表面的间距，k’为比例系数。

当由逆压电效应产生动态激振后，光纤探头与电池表面的间距变为d'＝d₀+Δy＝d₀+kU，此时的光强度为F'＝k'(d₀+kU)，其中，d₀为光纤探头与电池表面的间距变化量，据此得到电池内部电压的变化情况。

所述的光纤位移传感器为反射式光纤位移传感器。

所述的步骤3)中，通过光纤位移传感器实时接收光强变化，通过解码得到锂离子动力电池内部压电陶瓷薄片两端电压变化情况，进而得到不同工况下电池内部反应与电压变化间的关系，实现电池内部电压模型构建以及电池各工况下失效、反应的检测与预警。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、目前还没有电池内部参数的有效无损在线的测量方法，本发明创造性的采用了压电陶瓷的逆压电效应，巧妙的将电压变化转变为间距变化，并通过光纤位移传感器进行检测，能够无损实时检测锂离子动力电池内部反应情况，在保证电池完整性的情况下实现检测参量的无线传输。

二、本发明可用于实现锂离子动力电池在各类失效、反应下的参量测量，避免现有内置传感器方法可能承受的电信号屏蔽带来的测量、传输损失。

三、具有较高的线性度、准确度与稳定性。

四、本发明的电池内部反应参量检测方法对现有锂离子动力电池内部反应参量、机理模型进行修正，为电池安全防护与设计提供理论支撑。

附图说明

图1为本发明内部反应参量的检测流程图。

图2为基于逆压电效应和光纤传感的锂离子动力电池内部反应检测系统示意图。

图中标记说明：

1、电池，2、压电陶瓷薄片，3、光纤位移传感器，4、解码器，5、计算机接收终端。

具体实施方式

为使本专业领域技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细阐述。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于逆压电效应与光纤传感的锂离子动力电池内部参量检测方法，包括以下步骤：

第一步，通过预先设置在电池1内部的压电陶瓷薄片2的逆压电效应在电池1内部反应电场变化作用下产生动态激振；

第二步，通过光纤位移传感器3接收和调制在动态激振作用下所产生的光相位和光强变化；

第三步，检测光经光纤进入光纤位移传感器3；

第四步，经解码器4获得被测参数，实现解码。

在第一步中，压电陶瓷薄片2在电池生产、加工过程中预先放入电池内部，无需对电池外壳进行钻孔植入，锂离子动力电池封壳成型前，将压电陶瓷薄片放入后再进行封装、烘干、注液化成等后续工序。

本例中的压电陶瓷薄片2为毫米级尺寸以下，且与所夹软包电芯或内部片层材料紧贴处理。

本例中采用的压电陶瓷由锆钛酸铅(PZT)材料制成，将PZT材料制成的压电陶瓷片粘在圆形黄铜片上构成压电陶瓷薄片，该压电陶瓷薄片具有明显的压电效应与逆压电效应，沿电介质极化方向施加电场便会引起晶体的机械变形，在无电场作用下，电介质的变形随即消失。

第二步中，本例采用反射式光纤位移传感器，其光纤探头垂直布置于电池表面约1mm处，与地线相连。

本发明的检测原理如下：

当电池内部电场产生变化，生成的电压施加到压电陶瓷薄片2两端时，根据逆压电效应，会有垂直方向的位移量产生，此位移量在一定范围内与施加在压电陶瓷薄片2两端的电压呈线性关系，则有：

Δy＝kU

式中，Δy为压电陶瓷薄片2在垂直方向上的位移量；U为压电陶瓷薄片两端的电压；k为比例系数。

逆压电效应实质是电能转化为机械能的过程，描述为：

S＝eE

式中，S为晶体杨氏模量；e为压电常数；E为电场强度。

检测时，初始状态所接收的光强度为：

F＝k'd

式中，F为光强度；d为光纤探头距反射面的间距；k’为比例系数。

经逆压电效应的位移变化，光纤探头与反射面(电池表面)的间距变为：

d'＝d₀+Δy＝d₀+kU

由此光强度变为：

F'＝k'(d₀+kU)

式中，d₀为光纤探头与电池表面的间距变化量。

通过接收实时光强变化，可解码得出电池内部压电陶瓷传感器两端电压变化情况。通过实验探究不同工况下电池内部反应与电压变化间的关系、规律，可实现电池内部电压模型构建，实现电池各工况下失效、反应的检测与预警。

如图2所示，图为实现本发明检测方法的检测系统，由电池1、压电陶瓷薄片2、光纤位移传感器3、解码器4和计算机接收终端5构成，其中，压电陶瓷薄片2预设在电池1的电芯或电池内部片层材料间。

本发明提供的一种基于逆压电效应与光纤传感的锂离子动力电池内部参量检测方法，能够无损地检测锂离子动力电池内部反应情况，实现检测参量的无线传输，对锂离子动力电池各工况反应机理模型构建和安全保障具有重要意义。

以上所述仅为本发明的具体实施方法而已，并不能限制本发明，凡是在本发明的精神与原则之内，均包含在本发明的保护范围之内。