一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置

本发明属于智能制造仪器领域，主要涉及一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置。

背景技术：

1、传统能源主要包括煤炭、石油、天然气等化石燃料。尽管这些能源在过去的工业化进程中发挥了核心作用，但它们的开采和使用带来了一系列弊端，如燃烧煤炭、石油和天然气会释放大量的二氧化碳和其他温室气体，加剧全球变暖和气候变化。此外，传统能源的开采和运输过程也常常导致水体、土壤和空气的污染。此外，化石燃料是不可再生资源，随着持续的消耗，其储量在不断减少，未来将面临枯竭的风险。鉴于这些弊端和挑战，全球正在逐步向可再生能源过渡，如风能、太阳能、地热能和水能等，寻求更加可持续、环境友好的能源解决方案。随着新能源资源的开发和利用的不断推进，能源基础设施的动力正在经历深刻转变。从依赖传统的热能发电向新兴能源框架占主导地位的范式转移正在稳步进行。

2、作为电池能量储存技术的核心关键，电化学蓄电器已从最初的铅酸电池和镍镉/镍氢电池演变到当代先进的锂离子电池化学和燃料电池技术。在这一领域内，因其优越的功率和能量密度，锂离子电池已成为首选的能量储存方式。锂离子电池(lithium-ionbattery，简称li-ion battery)是一种充电式电池，因其能量密度高、寿命长且自放电率低而受到青睐，并被广泛应用于便携式电子设备和电动车辆。目前锂离子电池通常由正极、负极、电解质、隔膜等部分组成，锂离子电池的工作原理是在充电和放电过程中锂离子在正极和负极之间往返移动。在充电时，来自正极的锂离子通过电解质和隔膜迁移到负极并嵌入其中。在放电时，储存在负极的锂离子释放出来，经过隔膜和电外盖体回到正极，同时电子通过外部电路流动产生电流。尽管锂离子电池拥有巨大的潜力，但能源安全的实现成为一个新兴的挑战。以新能源汽车系统为例，锂离子电池作为汽车性能特性和耐用性的直接影响因素，在汽车的核心组件中扮演着不可或缺的角色。因此，锂离子电池需要具备相当的储能容量、高可靠性和长寿命等特性。然而，包括环境温度波动、充放电循环性、电化学通量和机械应力等一系列因素在实际运行过程中对锂离子电池的功能性能产生了显著影响，导致最终退化。为了对基于锂的电池系统的能量保持效率和安全性进行细致评估，需要采用有效的、精确的诊断方法来确定包括电池健康状态、充电状况和电池内部热量指标在内的重要参数。

3、国内外关于锂离子电池测试方法的调查主要分为两种不同的方式：侵入式测试和非侵入式测试。侵入式检测电池损伤的方法涉及直接拆开观察分析电池的内部结构，以评估其性能和识别潜在的缺陷或损害。这种检测方式要求对电池进行拆解或在电池内部安装特定的传感器。通过物理方式打开电池壳体，可以对电池的内部组件进行直观的检查，这样有助于更精确地识别电池中的物理损坏、电化学不稳定性或制造上的缺陷。同时，内置传感器的使用可以在电池操作过程中实时监测其温度、压力、电压等关键参数，从而提供关于电池健康状况的重要信息。然而，侵入式检测方法可能会破坏电池的结构完整性，导致不可逆的损害。因此，侵入式方法不仅影响锂离子电池的使用，而且在实际应用中的可行性有限。相反，非侵入式测试方法展示了更广泛的适用性、增强的速度和更优的效率。鉴于锂离子电池完全被外部包装材料所包裹，这阻止了肉眼直接识别电池内部微小缺陷。因此，采用相关的技术方法来描绘内部结构的变化变得非常重要。目前，在锂离子电池的非侵入式诊断领域部署的技术套件主要包括x射线、中子、磁共振成像技术。该技术也存在一些缺点：1)经过中子束处理的样品具有放射性，长期使用会对身体造成威胁。2)中子成像和x射线成像一样都不能被电场或磁场聚集，因此其成像空间分布率不高。但磁共振技术仍然存在一些缺点：1)检测时间较长。2)当锂沉积物仅发生微小的结构变化，仅用该技术对锂沉积物微观结构性质进行定性分析不够充分。因此，急需寻找一门新的手段实现锂离子电池内部性能无损检测。

4、弱磁探伤技术是一种利用材料磁导率变化来检测材料表面或内部缺陷的无损检测技术。该技术主要应用于铁磁性材料的缺陷检测，因为铁磁性材料具有较强的磁性，适合通过其磁性变化来发现缺陷。在弱磁探伤中，首先需要对待测铁磁性材料进行磁化，磁化后，材料内部将形成稳定的磁场分布。若材料中存在裂纹、夹杂、脱碳等缺陷，则会在这些缺陷处导致材料磁导率的不连续，形成局部的磁场畸变。然后使用特殊的检测设备(如霍尔元件、磁敏传感器或磁力线描迹仪等)来探测这些畸变的磁场，转换成电信号输出，通过分析这些信号就可以确定缺陷的位置和大小等信息。与目前现有的检测手段相比，弱磁探伤技术具有操作简单、对待测样品无损、环境友好等优点。

5、本发明公开了一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置，地磁信号屏蔽线圈，电池充放电设备，锂离子电池，弱磁信号探测器，锂离子电池状态检测管理系统等部分共同构成。其中，地磁信号屏蔽线圈用于屏蔽外界地磁信号等对内部锂离子电池产生磁源信号干扰，电池充放电设备用于为锂离子电池提供充放电过程中的电力供应并实现有效以及可控的锂离子电池充电和放电操作。高精度数据采集系统有效分辨1μv以下的电压信号，目的是实现对弱磁信号的有效采集。

技术实现思路

1、本发明旨在解决现有锂离子电池检测过程中存在的相关问题，本发明设计并公开了一种基于弱磁信号的无损的锂离子电池检测装置。

2、根据本发明的一些实施例一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置，其中地磁屏蔽线圈为一个三维亥姆霍兹线圈，中心区域可制造小范围均匀磁场用来屏蔽地磁效应。

3、根据本发明的一些实施例一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置，其中电池充放电设备可为锂离子电池提供电能。并且其开关状态受控于锂离子电池状态检测管理系统。

4、根据本发明的一些实施例一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置，其中锂离子电池为待测目标，外缠励磁线圈，其中励磁线圈缠绕在一个以peek(聚醚醚酮塑料)为材质的零磁空心圆柱上。其中，励磁线圈提供的励磁强度根据精密电流源发出电流大小不同产生变化，而精密电流源发出电流大小又受控于锂离子电池状态检测管理系统发出的控制电压信号。

5、根据本发明的一些实施例一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置，其中弱磁信号探测器根据发明中的一些实例，采用超高灵敏的原子磁力仪，建立空间分辨力＜10mm的高空间分辨力的传感器测量阵列，开展锂离子电池的磁特性的精密测量技术与表征方法的研究。

6、根据本发明的一些实施例一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置，其中锂离子电池状态检测管理系统为一块单独设计的氧化铝陶瓷电路板，其上集成了高精度信号采集模块、供电模块、高速信息处理运算模块、上位机通讯模块、信号指令发送模块、显示模块等。根据发明中的一些实例，高精度信号采集模块采用精度为32位的ad转换芯片用于适配原子磁力仪的信号采集。根据发明中的一些实例，供电模块用于给整块电路板供电，供电模块主要由经典的ac-dc模块及ams1117芯片共同构成，可为电路板上的mcu及各有源芯片供电。根据发明中的一些实例，高速信息处理运算模块，mcu选择现场可编程门阵列，根据一些实例选择xilinx kintex7系列可以告诉处理由ad转换芯片采集到的弱磁探测传感器采集的信号并处理。根据发明中的一些实例，上位机通讯模块选择232通讯方式实现上位机与电路板间得通信。

7、根据本发明的一些实施例一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置，其中锂离子电池状态检测管理系统其中励磁线圈是用来给锂离子电池一个激励磁场，且励磁线圈内产生的磁场大小受锂离子电池状态检测管理系统控制。与现有技术相比，本发明的特点是：

8、(1)本发明所公开的一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置能够实现锂离子电池的非侵入式无损检测。

9、(2)本发明所公开的一种基于弱磁测量的锂离子电池内部性能无损检测装置具备较高的空间分辨力和探测精度，可根据磁源反演的相关算法推算出损伤的类型以及具体为位置。