超聲阻尼：鋰離子電池荷電狀態(tài)無損檢測(cè)新方法
2022-11-03 18:28 ·四川 ·四川省特種設(shè)備安全管理協(xié)會(huì)
超聲檢測(cè)技術(shù)在鋰離子電池健康狀態(tài)檢測(cè)上的應(yīng)用為鋰離子電池健康檢測(cè)提供了一種快速、低成本并能原位進(jìn)行的無損檢測(cè)方法。然而，當(dāng)前的超聲檢測(cè)鋰離子電池健康狀態(tài)的研究多仍處于研究在輸入特定頻率的脈沖波信號(hào)下，鋰離子電池在不同健康狀態(tài)所產(chǎn)生的外部輸出信號(hào)的變化，而較少對(duì)超聲波在電池內(nèi)部傳播機(jī)理的分析。
而在不同時(shí)間、不同地方進(jìn)行的超聲檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)得的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)受到所選擇的探頭質(zhì)量、電池表面粗糙度、探頭和電池距離，耦合劑使用質(zhì)量等一系列因素影響，因此目前采用的外部超聲檢測(cè)手段則對(duì)檢測(cè)條件有著較為嚴(yán)格的要求。這使得當(dāng)下研究所使用的外部超聲信號(hào)分析方法無法得到穩(wěn)定而適用性強(qiáng)的數(shù)據(jù)支持，而限制了其在工程實(shí)際中的應(yīng)用。
近期，國(guó)際能源類著名期刊《Journal of Power Sources》在線發(fā)表了一篇文章，從鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)層面闡明超聲波在鋰離子電池中的傳播機(jī)理，提出了一種新的基于鋰離子電池內(nèi)部超聲阻尼的荷電狀態(tài)檢測(cè)方法，突破了常規(guī)超聲研究局限于外部檢測(cè)的現(xiàn)狀，為鋰離子電池安全檢測(cè)提供新的參數(shù)和方法。文章第一作者是寧波工程學(xué)院孟康培副教授，寧波工程學(xué)院的陳曉平教授為通訊作者。
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該研究的對(duì)象為一個(gè)3.8Ah的三元鋰離子軟包電池，將電池充電到一定的荷電狀態(tài)，分兩次使用中心頻率分別是1MH和2.5MHz的兩對(duì)接觸式探頭錄0.5MHz到3.5MHz的簡(jiǎn)諧波掃頻結(jié)果。對(duì)記錄的超聲信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行無量綱化處理之后，不同荷電狀態(tài)下的信號(hào)強(qiáng)度隨頻率的變化形式如圖1所示。
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圖1 不同荷電狀態(tài)下超聲信號(hào)強(qiáng)度的無量綱化結(jié)果
從圖中我們可以看到四個(gè)變化規(guī)律：
(1) 隨著電池荷電狀態(tài)（SOC）的增加，信號(hào)強(qiáng)度逐漸增加；
(2) 隨著輸入波頻率的增加，信號(hào)強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)；
(3) 信號(hào)強(qiáng)度隨著輸入波頻率的增加，在周期性波動(dòng)之外也呈現(xiàn)出一個(gè)逐漸減小的趨勢(shì)；
(4) 隨著電池SOC的增加，信號(hào)強(qiáng)度的峰值頻率有些微小的向左偏移，即峰值頻率略有減小。
為了解釋這些變化發(fā)生的原因，基于鋰離子電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，從細(xì)觀機(jī)理上分析了超聲波穿過鋰離子電池的傳播過程。整個(gè)過程可以分為如圖2所示的三個(gè)部分。
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圖2 不同荷電狀態(tài)下超聲信號(hào)強(qiáng)度的無量綱化結(jié)果
首先，當(dāng)超聲波從激發(fā)端的超聲探頭產(chǎn)生，穿過軟包電池的表面時(shí)會(huì)受到表面粗糙度，耦合劑質(zhì)量等因素的影響而產(chǎn)生超聲波的耗散，這部分被稱為表面耗散；
其次，在鋰離子電池內(nèi)部，正負(fù)極與隔膜的周期性排布會(huì)導(dǎo)致特定頻率的波無衰減通過或者無法通過的現(xiàn)象，即波禁帶效應(yīng)，這部分由于周期性結(jié)構(gòu)排布導(dǎo)致的效應(yīng)被稱為層間耗散；
最后，正負(fù)極的活性層本身就是多孔結(jié)構(gòu)，在超聲波在穿過時(shí)會(huì)發(fā)生很強(qiáng)的散射效應(yīng)，這可以當(dāng)作是活性層的材料阻尼，這部分超聲波的能量耗散被稱為阻尼耗散。
為了驗(yàn)證上述分析是否成立并量化各部分耗散的程度，該研究基于波動(dòng)力學(xué)方程和全局矩陣方法建立了一個(gè)超聲波在無阻尼狀態(tài)下傳播的層合解析模型。模型中各組分的厚度通過XCT掃描的結(jié)果計(jì)算得到，而各組分的力學(xué)性能通過文獻(xiàn)中的材料力學(xué)試驗(yàn)得到。
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圖3 無阻尼狀態(tài)下超聲波在鋰離子電池內(nèi)部傳播的解析模型
在解析模型的左端施加不同頻率的簡(jiǎn)諧波，提取右端得到的輸出波信號(hào)強(qiáng)度，即可得到無阻尼狀態(tài)下鋰離子電池內(nèi)部組分周期性排布產(chǎn)生的超聲波層間透射率，結(jié)果如圖4所示。
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圖4 無阻尼狀態(tài)下超聲波傳播解析模型的層間透射率
我們將圖4中的解析結(jié)果和圖1處理后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，圖1中的波峰與波峰之間的平均間距是0.92MHz，而圖4中解析結(jié)果的波峰間距是0.91 MHz。隨著電池SOC的增加，圖1中的波峰間距從0.92MHz逐漸到0.91MHz，而圖4中解析結(jié)果的波峰間距從0.91MHz逐漸減小到0.90MHz。因此，可以說解析模型的結(jié)果和試驗(yàn)的結(jié)果非常吻合，這驗(yàn)證了解析模型的有效性，說明解析模型計(jì)算出的超聲波層間透射率能恰當(dāng)?shù)胤磻?yīng)超聲波在鋰離子電池內(nèi)部傳播的層間透射率。不同的是，由于沒有阻尼耗散，層間透射率隨著輸入波頻率的增加，并沒有明顯的衰減趨勢(shì)。
到此，我們總結(jié)一下，超聲檢測(cè)記錄到的輸出信號(hào)幅值|Vout|，和輸入信號(hào)幅值|Vin|的關(guān)系可以總結(jié)為：
|Vout|=|Vin|·fs·fg·fd
式中：f s 是超聲波表面耗散后的透射率；f g 是周期性結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的層間耗散透射率；f d 是超聲波阻尼耗散的透射率。
f s 受電池表面粗糙度、耦合劑質(zhì)量和探頭與電池接觸壓力等外部因素影響；而f g 和f d 不受外部因素影響，只和電池內(nèi)部的電化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。f g 可以通過計(jì)算解析模型計(jì)算得到。
如果將圖1中的試驗(yàn)結(jié)果與圖4中的解析結(jié)果進(jìn)行組合，計(jì)算f g ·f d ，結(jié)果如圖5(a)所示。隨著輸入波頻率的增加，f g ·f d 呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì)。對(duì)這個(gè)衰減的趨勢(shì)進(jìn)行指數(shù)化擬合：
fs ·fd=A·e-αω
(2)
即可得到一個(gè)衰減指數(shù)α。α隨鋰離子電池SOC的變化趨勢(shì)如圖5(b)，可以用一條直線進(jìn)行擬合。α同樣不受外界因素影響，只和鋰離子電池內(nèi)部的電化學(xué)變化相關(guān)，且和鋰電池荷電狀態(tài)呈線性變化關(guān)系。那么，α就是我們找到的一個(gè)滿足我們期待的新參數(shù)。
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圖5 無阻尼狀態(tài)下超聲波傳播解析模型的層間透射率
最后，我們重新梳理一下得到α這個(gè)新參數(shù)的過程。
第一步，我們組合了兩對(duì)探頭的試驗(yàn)結(jié)果，得到了一個(gè)較寬范圍的簡(jiǎn)諧波掃頻測(cè)試結(jié)果。對(duì)不同SOC下的結(jié)果進(jìn)行無量綱化之后，我們得到了無量綱信號(hào)強(qiáng)度隨收入波頻率變化的震蕩衰減趨勢(shì)。
第二步，結(jié)合鋰離子電池內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和排布方式，我們將超聲波通過鋰離子電池傳播中的衰減過程分為電池表面上的表面耗散、各組分周期性排布導(dǎo)致的層間耗散和正負(fù)極活性層超聲阻尼導(dǎo)致的阻尼耗散。
第三步，根據(jù)文獻(xiàn)中的各組分的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，以及X射線CT掃描出的各組分厚度尺寸，基于波動(dòng)方程和全局矩陣方法，建立無阻尼狀態(tài)下超聲波在鋰離子電池層合結(jié)構(gòu)中傳播的解析模型，并計(jì)算超聲波的層間透射率fg。
第四步，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和解析結(jié)果，計(jì)算新參數(shù)fs·fd，之后用一個(gè)指數(shù)化衰減的方程進(jìn)行擬合，得到衰減系數(shù)α。最后，線性擬合衰減系數(shù)α和電池SOC的關(guān)系。
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圖6 阻尼衰減系數(shù)檢測(cè)鋰離子電池SOC的方法
結(jié)論
從超聲波在鋰離子電池中的傳播機(jī)理出發(fā)，闡明了超聲波傳播中的衰減過程，最后提出了一個(gè)新的只與鋰離子電池內(nèi)部電化學(xué)性質(zhì)變化相關(guān)的阻尼參數(shù)，用來檢測(cè)鋰離子電池的荷電狀態(tài)。該研究工作為鋰離子電池的狀態(tài)檢測(cè)提供了一種新的思路，可以與TOF(傳播時(shí)間)和信號(hào)幅值結(jié)合，擴(kuò)展到鋰離子電池健康狀態(tài)的檢測(cè)以及鋰枝晶生長(zhǎng)的檢測(cè)。
來源： 汽車能源與安全實(shí)驗(yàn)室VESL
