基于超聲導波的鋰離子電池碰撞監測方法

關鍵詞：鋰離子電池；超聲導波；碰撞；變形；狀態監測

鋰離子電池由于其能量密度高、循環壽命長、自放電倍率低等優點廣泛應用于電動汽車消費電子、儲能等行業，是一種重要的儲能器件[1-3]。然而，隨著電動汽車占有率的增長，動力電池碰撞安全性問題日益突出。在電動汽車碰撞工況下，一方面，電池的變形會導致直接的起火爆炸，另一方面，碰撞導致的電池未知變形，對后續的使用帶來安全隱患，這些安全問題嚴重阻礙了鋰離子電池的發展及應用[4-9]。

針對鋰電池的碰撞安全問題，研究者在數值模擬和實驗測試方面已開展了一系列的研究工作。在實驗測試方面，相關研究者首先通過壓縮[10-12]、壓痕[10-11，13]、三點彎曲[10-11]和針刺[13-14]等準靜態工況研究電池在力學濫用下的基本失效過程。進一步研究者通過落錘實驗等動態測試方法研究了電池的動態響應和失效過程。Kisters等[15]、Pan等[16]和Chen等[17]通過不同的沖擊速度對鋰離子電池進行動態沖擊實驗，分析電池的失效過程。進一步地，研究者開展了不同方向[18]、不同老化程度的電池[19]和不同加載條件[20-21]等針對鋰離子電池的動態測試，分析各因素對動態行為的影響。在數值模擬方面，Xu等[22]、Jia等[23]、Avdeev等[24]開發了電池的均質化力學模型用于預測電池單體/模組在沖擊載荷下的短路失效行為，進一步Zhang等[25]、Zhu等[26]和Wang等[27-28]建立了考慮組分材料的細致化力學模型，意圖建立組分失效與單體失效的多尺度聯系。Liu等[6]和李紅剛等[29]的綜述對這部分實驗和模型有更為系統的總結。

針對電池的損傷和失效評估，一方面研究者結合仿真模型和實驗方法更好地揭示了電池損傷到短路的過程。力學失效方面，研究者通過均質化模型發現電池短路失效和應力狀態的關系，并建立了基于最大主應力[30-31]、摩爾-庫倫[11]、統一強度理論[32]的短路失效準則。Yuan等[33]通過細致化模型發現了隔膜失效與短路的定量關系，Wang等[34]進一步厘清了短路失效模式與電池短路模式的定量關系。在多物理場失效方面，Jia等[35]、Liu等[3]和Li等[36]開發了一種高效的鋰離子電池力-熱耦合模型，用于研究電池在機械濫用下的多物理場失效過程。Yang等[37]提出了一種基于交互式多模型算法的電池損傷檢測方法來評估預測電池過充或過放的受損情況，Jia等[38]在多物理場模型的基礎上進一步研究了損傷電池的老化行為。

另一方面，研究者通過結合無損檢測的技術分析電池的失效機理。這些方法主要包括X射線計算機斷層掃描[39-41]、中子衍射[42-43]和中子成像技術[44-45]等。然而這些無損檢測方法造價昂貴，并且在使用過程中可能需要保護措施，難以實現電池使用工況下的安全狀態實時監測。超聲檢測作為一種成熟的無損探傷技術，因其準確、實時、高效等特點，已經被廣泛地應用于工業工程中進行工件缺陷的探傷和狀態檢測以及醫療領域中醫療成像進行診斷[46-49]。超聲檢測同樣在鋰離子狀態監測方面已經開展了初步的應用，證實了超聲在監測鋰離子電池的潛力[50-51]。Ladpli等[52]首次利用超聲導波監測充放電的鋰離子電池，發現飛行時間（timeofflight，TOF）信號與電池充放電之間的關聯性。Popp等[53]測量超聲導波通過電池的TOF，從而監測鋰離子電池的荷電狀態。Zhao等[54]利用超聲導波信號幅度（signalamplitude，SA）、TOF、功率譜密度3個導波參數，綜合評價鋰離子電池的充電狀態（stateofcharge，SOC）和健康狀態（stateofhealth，SOH）。Liu等[55]量化了充放電速率對鋰離子電池的影響，利用超聲導波TOF信號，建立了動態充放電條件下電池荷電狀態的預測方法。Li等[56]利用超聲導波的多特征指標實現對鋰離子電池狀態的監測。Tian等[57]利用啁啾信號激發超聲導波進行鋰離子電池SOC的估計，并能夠簡單高效地獲取超聲最優激勵頻率。Reichmann等[58]利用超聲導波建立了一個預測模型，用于預測鋰離子電池的SOC、SOH和溫度。目前的研究仍然缺乏利用超聲信號對鋰離子變形狀監測相關的技術應用。

為了彌補這一不足，本文中，利用小型壓電片，基于超聲導波，實現鋰離子電池形變和碰撞的監測。首先，搭建針對鋰離子電池不同加載的實驗平臺，開展準靜態、微碰撞實驗；然后，對實驗結果進行討論，闡明在不同加載下超聲信號的變化規律；最后，建立大變形下超聲與電池變形失效監測的映射關系，提出碰撞變形下基于超聲傳感器的判定方法。

1實驗

1.1樣品與設備

選取了一款磷酸鐵鋰軟包電池開展實驗，實驗設備如圖1所示。實驗中所用磷酸鐵鋰軟包電池的正極和負極分別為LiFePO4和石墨。該電池的尺寸為78.5mm×63.1mm×4.4mm，額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.65V，放電截止電壓為2.0V，額定容量為2400mAh。對電池試樣進行充放電處理得到不同SOC的電池。具體的充放電操作在藍電平臺（圖1（b））上進行。為了保證實驗樣品狀態一致，首先通過1C（設置2400mA的電流進行1h放電操作）的放電倍率將電池的電壓放到截止電壓2.0V。靜置10min后，同樣以1C的充電倍率將電池充電到充電截止電壓3.65V，再靜置10min后，通過不同放電時間（1.0、0.9、0.8和0.7h）對電池進行放電操作，得到不同SOC（0%、10%、20%和30%，由于安全問題采用了較低SOC狀態）的電池樣本。根據Li等[59]和Gao等[60]的研究可知，不同SOC會導致電池材料性能發生一定的變化，但這些少量的材料性能改變不會導致更高SOC結果的規律性變化。為了減少溫度對電池的影響，電池充放電都在恒溫箱（圖1（g））中進行。

在超聲傳感器的布置連接上，利用AB膠（Ergo1309）將小型壓電片粘接在電池左右距離中心點25mm的位置處。在整個實驗過程中，2個壓電片持續不斷地向電池發出和接收超聲信號，再通過KickStart2軟件實時收集實驗過程中的超聲數據。實驗通過信號發生器（圖1（e））發射中心頻率為105kHz、最大振幅為20V的5周期正弦超聲波脈沖信號。將示波器（圖1（f））的帶寬限度設置為500MHz，并且通過帶寬為500MHz、采樣頻率為2×108s?1的射頻線連接到壓電傳感器，這使得攜帶電池信息的超聲導波可以以最短的延遲采集。在準靜態加載實驗中，將示波器的信號采集模式設置為“平均”模式（計算512次采集數據的平均值），從而減少隨機噪聲的干擾。在微碰撞實驗上，使用示波器的邏輯觸發功能，利用激光傳感器作為觸發的條件，從而達到邏輯觸發條件并進行波形截取。采用“取樣”信號采集模式進行波形的采集，雖然利用這個模式會有一定隨機噪聲的干擾，但是更有利于獲取碰撞瞬間超聲信號的變化。

1.2準靜態加載實驗

將電池超聲傳感系統搭建完成后，針對該電池開展了壓痕、壓縮等實驗，在過程中記錄了溫度、電壓和超聲信號，并開展了分析。

1.2.1壓痕實驗

在壓痕實驗中，測試設備及實驗設置如圖1所示。首先，將電池與超聲壓電傳感器、溫度傳感器、電壓表（圖1（d））相連接，設置各儀器參數。隨后，將連接好的電池樣品放置于力學試驗機（圖1（a））上開展壓痕實驗（壓頭直徑為5mm）。實驗設置為：首先給電池施加5N的預載，然后以0.5mm/min的速度勻速加載，直至電池失效（具體現象為載荷出現下降）。在實驗過程中，分別使用上述傳感器記錄載荷、位移、溫度和超聲信息。

1.2.2壓縮實驗

壓縮實驗的實驗過程與壓痕實驗一致，同樣為準靜態加載。為了考慮不同加載方向的影響，模擬電池在組裝及在使用過程中可能會受到的擠壓情況，在厚度方向（后續稱壓縮）、寬度方向（后續稱橫壓）和長度方向（后續稱豎壓）開展實驗，如圖2所示。由于這3個方向不容易發生短路失效，因此，在厚度、寬度和長度方向設置預載均為5N，截止載荷分別為2000、200和100N。在進行寬度和長度方向的壓縮實驗時，對試件施加預載，讓其固定于接觸盤之間，也能避免在壓縮過程中發生滑移現象。在長度方向截止載荷較小是因為在實際應用中，電池在此方向上能夠承受的擠壓強度和變形相對較小。同樣利用各個傳感器記錄實驗數據。

1.3小球碰撞實驗

為了研究電池在使用過程中遭遇不同飛濺物沖擊時的超聲信號變化，開展了對電池的動態沖擊實驗，如圖3所示，模擬電池在使用過程中可能遇到的各種意外碰撞情況。

實驗中，選用直徑均為10mm的2種材料的小球，即硬質球（304不銹鋼）和軟質球（橡皮泥），模擬不同的撞擊物；小球的下落高度選擇20和40cm；利用直徑為32mm的玻璃導軌來保證小球下落時的高度和落點，并且確保小球在下落過程中不與管道產生摩擦。導波的信號頻率選擇100、150和200kHz這3個頻率，觀察不同頻率的實驗結果，超聲平臺的連接同1.1節。利用激光傳感器與示波器的配合，觸發示波器截取波形。當小球下落并遮擋住激光時，激光傳感器會在示波器上產生一個下降沿信號。示波器在接收到這個下降沿信號的瞬間，會立即截取波形數據，從而記錄下沖擊瞬間的信號變化。激光傳感器放置于電池長度方向中心位置，間隔45mm。小球下落位置（導軌放置位置）布置在激光傳感器相間的中心點。由于導軌直徑大于小球直徑，所以在小球下落時，其沖擊點位置誤差范圍在以中心點為圓心的半徑2.5mm的圓內。

2結果

電池壓痕前后的超聲導波波形對比如圖4所示，可以看到，在壓痕實驗前后，超聲信號會發生較大的變化，尤其是幅值信號。為了便于后續分析，提取了信號幅值（SA，）、飛行時間（TOF，tf）和超聲波形能量積分等信號特征做進一步分析。幅值，為波形圖中的最大值，為波形圖中的最小值。超聲飛行時間，為超聲原始波形中達到波形最大值的時刻，為接收波形中達到波形最大值的時刻。能量積分，其中為波形圖中每個時刻所對應的波形數值，為波形持續總時間。

進一步對比了3種信號特征SA、TOF、E在壓痕工況下的結果，如圖5所示，可以看出，E和SA對電池變形都比較敏感，TOF與電池變形沒有明顯的映射關系。由于幅值信號SA計算更便捷，在后續分析中均采用幅值信號。

超聲波在介質中的傳播過程受多種因素影響，其中包括介質的密度、各項模量和孔隙率等。而超聲波在介質中傳播時，介質的吸收、超聲波束路徑中的不均勻性以及顆粒的散射會導致超聲波的能量衰減、振幅下降。根據聲阻抗以及聲速，可得，其中為密度，為楊氏模量。如果界面間聲阻抗相似，則聲信號會被大量傳輸進介質內，否則會被反射衰減[50，61]。在電池的準靜態實驗中，電池在受到小球持續下壓的過程中，其受壓區域密度逐漸變大。受壓過程中電池局部聲阻抗增大，根據反射系數（Z1和Z2分別代表空氣和鋰離子電池的聲阻抗）和透射系數以及兩者之間的關系，可以推出電池的反射系數增大透射系數減小，從而使得超聲更多是被反射而不是透射進入到電池內部，這也是導致超聲幅值下降的主要原因。而又由于鋰離子電池獨特的多層多孔結構以及包括其楊氏模量的非線性因素[62-63]，超聲波在其內部傳播還會發生一些波重疊現象等，所以在受壓過程中可能會由于這些因素導致幅值并不是隨著載荷的增大而線性下降，是一種非線性的負相關關系。因此，從理論上通過超聲的幅值信號監測電池的形變是可行的。

具體的實驗結果如圖6所示，包含壓痕過程中電池電壓和溫度結果。可以看到，在對電池施加載荷使之產生形變的起始階段，如圖6中①處所示，信號幅值開始產生變化，并且隨著載荷的逐步增大，信號幅值持續下降。與此同時電壓和溫度并未產生任何變化，所以在監測電池受載和形變方面，超聲信號優于電壓和溫度信號。在電池失效瞬間，如圖6中②處所示，在電壓信號大幅下降以及溫度信號大幅度上升的同時，超聲信號幅值發生大幅下降，這說明超聲信號可以準確判斷電池發生失效的瞬間。綜上所述，超聲幅值是能夠作為優于電壓、溫度信號之外的電池變形失效判斷依據。

進一步，不同方向的加載實驗結果如圖7所示。從圖7（a）可以看到，在電池受壓縮的過程中，超聲信號幅值與載荷同樣也呈負相關關系，且在卸載后，超聲信號幅值出現了一定的回彈。橫壓實驗結果如圖7（b）所示，可以看出，在橫壓實驗過程中，隨著力學試驗機以恒定速度逐漸增加載荷，超聲信號的幅值出現了明顯的下降。這說明，當電池承受的橫向壓力增加時，超聲信號幅值下降。豎壓實驗結果如圖7（c）所示，與橫壓實驗類似，在豎壓實驗中，隨著載荷的增加，超聲信號幅值出現了下降的趨勢。

通過對不同方向加載實驗數據分析，可以得出結論：電池在受到不同方向擠壓時，其超聲信號幅值都會隨著載荷的增加而下降，并且在受到可恢復的擠壓后，超聲信號可能會發生恢復的情況。這一發現提供了電池在復雜受力環境下行為特性的重要信息，有助于更全面地理解電池在復雜受力環境下超聲信號的變化特性。

在鋰離子電池使用的過程中，其荷電狀態（SOC）是十分重要的一個指標，且電池SOC的變化，會影響到其內部的各項性能參數，從而影響到超聲的傳播[55]。因此，為了探討電池SOC對壓痕失效實驗結果的影響，取SOC不同的電池樣品進行實驗，觀察不同電池SOC對超聲檢測其變形的影響，結果如圖8所示。不難看出，在不同SOC下，超聲信號幅值的初始值會有不同。這是因為，SOC不同時，電池的比模量不同而導致阻尼不同，會影響超聲在電池中的傳播，從而導致超聲信號幅值初始值不同[55]。同樣，超聲信號幅值與電池受載荷形變仍存在負相關的關系，不同的SOC對受壓過程中幅值信號下降這一趨勢的影響不大，超聲幅值信號隨著電池形變而發生下降的規律依舊可以得到保證。而在電池失效后由于電池能量的釋放導致電池產氣和脹氣，影響超聲對電池的后續檢測。需要注意是，本文中主要觀測在電池受壓以及受壓失效瞬間這個過程中超聲信號的變化，對后續電池產生脹氣等劇烈現象超聲的規律性需要進一步研究。

綜上所述，超聲幅值是能夠作為電壓和溫度信息之外的電池失效判斷依據，且更優于這些物理信號。從目前的實驗來說，已經得到了超聲信號與電池形變的關聯性，即在加載時，超聲幅值會實時隨著載荷的增大而減小，且在不同的磷酸鐵鋰電池上都有較好的普適性。

3討論

3.1電池單體失效映射模型

根據第2節的實驗結果，在鋰離子電池準靜態受壓至失效的過程中，超聲信號會隨著電池的形變而變化，從而可以實現對電池形變以及失效的監測。為了更深入地理解電池的性能和預測其潛在的失效點，采用非線性曲面擬合方法對電池的實驗結果進行了擬合，構建了一個能夠根據電池的SOC和超聲信號的幅值來預測電池電壓的模型，從而預測電池失效。

在擬合過程中，選取了電池SOC（βc）分別為0%、10%、20%和30%時的數據作為模型的輸入進行擬合，公式為，其中U為電池電壓，a=?0.0025V，b=5.028×104V?1，c=8.46，d=0.17V，e=975.80，f=1.72V。模型擬合結果如圖9所示，可以看出，由于低SOC狀態下電池內部發生的物理過程較復雜，且未進行高SOC狀態的準靜態實驗缺少相應數據，導致模型在預測電壓失效時存在一定的偏差，但模型可以及時預測電池失效的瞬間。這一結果證明了模型能夠準確地捕捉到電池失效時的電壓變化特征，為預測電池的失效提供了有力的支持。同時需要說明的是，對于不同款型的磷酸鐵鋰電池，可能需要對模型參數重新標定。

3.2電池單體碰撞微變形判定方法

由第2節可知電池產生變形形變會對超聲信號產生顯著影響，因此通過超聲信號也能嘗試對電池微小碰撞進行監測。根據1.3節設計的碰撞實驗，提取碰撞前后的超聲信號進行對比分析，在電池受到沖擊的瞬間，超聲信號幅值會發生下降，超聲TOF信號變化較小保持穩定，超聲信號能量積分增大。在不同信號頻率下都有相似的結論，頻率不會對電池受沖擊后的上述規律產生較大的影響。單用幅值信號（圖10（a））難以直觀反映電池受沖擊后信號（幅值信號跳動重疊）的變化，因此將幅值與能量積分信號結合，如圖10（b）所示，通過對比電池在受硬質球沖擊前后的信號幅值-能量積分圖可以看到，不同高度下小球沖擊導致的電池響應變化程度是有所區別的。在圖中，圈出的部分代表了原始的波形位置，通過對比沖擊前后的波形，可以更直觀地理解沖擊對電池的影響。經過實驗驗證，超聲信號能夠監測至少為0.01J的沖擊能量。因此，通過超聲信號可以有效地監測電池的微碰撞，可為電池的安全狀態監測提供重要信息。

4結論

通過對磷酸鐵鋰電池進行多種工況的實驗，分析了電池在準靜態和動態實驗下的超聲信號響應。實驗結果表明，準靜態實驗下，電池在受壓變形失效的過程中，超聲信號幅值會持續下降，與侵入深度呈反相關關系，且在電池機械失效后超聲信號也會發生大幅度下降，可以作為電池在受壓的實時監測表征量。進一步根據所得結果建立了一個能夠預測電池電壓變化失效的映射模型，可以優于電壓、溫度等信號提前且準確判斷電池是否受壓及失效。動態實驗中，得到了碰撞前后超聲信號變化規律，提出了通過超聲信號判斷電池受到碰撞的方法，有助于更好地理解電池在沖擊作用下的響應機制。這些研究結果表明利用超聲信號可以對電池狀態進行更好的監測，為電池在實際應用中的擠壓與沖擊的實時安全監測提供有效的方法。需要說明的是，在實際的工程應用中仍然需要考慮電磁干擾、環境因素等問題，需要進一步的實驗驗證。