基于光学成像的锂离子电池体积检测装置及其应用制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种光学成像法检测电池体积装置，该装置包括光学成像模块、电池旋转模块、电池充放电模块以及光电同步模块，直流电源给步进电机供电，函数发生器输出同步的波形分别到步进电机控制器和电子耦合元件，使得每当步进电机旋转一个固定角度后，电子耦合元件采集一帧图像，如此循环下去；实时监控模块，其包括一台监视器和一台计算机主机，计算机主机用于实时采集电子耦合元件输送的锂离子电池的投影图像，并通过边缘定位和体积重构方法对图像进行处理，以实时得到待测锂离子电池的体积，并在监视器上实时输出锂离子电池的在充放电过程中的体积演变曲线以及电学变化曲线。过程中的体积演变曲线以及电学变化曲线。过程中的体积演变曲线以及电学变化曲线。

【技术实现步骤摘要】
基于光学成像的锂离子电池体积检测装置及其应用


[0001]本专利技术涉及属于锂离子电池体积检测方法及其在电池电学性能预测中应用，具体而言，涉及电池的光学成像、机械转动、边缘定位和体积重构以及建立电池体积与电学性能参数的相关性。

技术介绍

[0002]锂离子电池的应用给人们的生活带来了极大的便利，2019年诺贝尔化学奖被授予锂离子电池的开发，“它们奠定了无线、无化石燃料社会的基础，极大地推动了人类的发展”。毫不夸张地说，锂离子电池技术是一项推动了人类社会的进步的伟大专利技术。然而，锂离子电池技术并不是一项完美的技术，制约其应用的最大瓶颈是锂离子电池的寿命衰减和安全问题。原因在于，随着充放电循环，锂离子电池内部会发生不可逆的副反应，最终引起电池容量衰减，并伴随着体积膨胀、起火甚至爆炸。
[0003]为了解决这一难题，研究者们希望通过体积变化监测锂离子电池的工作状态，进而对电池寿命和安全性作出预测。传统的电池体积检测方法主要是各种机械方法，借助千分尺或各类压力传感器，对电池的局部体积形变作出响应。其缺点在于，(1)缺乏空间分辨能力，检测的是局部形变而非真正的体积；(2)检测通量低，无法做到多个电池的同时检测；(3)普适性差，适合检测软包电池，对于更常见的硬壳电池如18650电池则难以适用。
[0004]为了解决传统检测方法的不足，南京大学王伟，蒋文轩提出了《一种基于光学成像的电池膨胀实时检测方法及装置》，申请号CN 202111639683.1。该专利技术将光学方法引入体积膨胀的测量，利用了电池横截面的投影进行边缘定位，从而实时获得了电池在充放电过程中的直径演变信息。该方法具有装置简单、检测通量高、空间分辨率高和无损检测等特点。尽管如此，该方法检测的只是电池在某一角度的直径变化。然而，对于锂离子电池而言，体积膨胀并非均匀的，不同角度的膨胀程度大不相同，故无法从某一角度的直径推得锂离子电池真实的体积。因此，如何实时获得锂离子电池在充放电过程中的真实体积演变仍是一个不小的挑战。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种光学成像法检测电池体积装置，该装置包括：
[0006]基于光学成像的锂离子电池体积检测装置，其特征在于，该装置包括：
[0007]光学成像模块，通过发光二极管作为光源，采用投影成像的方式，在电子耦合元件上对电池直径进行实时光学成像；
[0008]电池旋转模块，用于驱使电池按照预设的转速进行持续旋转以，以测量不同角度的电池直径，从而重构出电池的准确体积；
[0009]电池充放电模块，其用于给锂离子电池进行充放电循环并监控电学参数；
[0010]光电同步模块，其包括一台函数发生器、一台直流电源和步进电机控制器；直流电
源给步进电机供电，函数发生器输出同步的波形分别到步进电机控制器和电子耦合元件，使得每当步进电机旋转一个固定角度后，电子耦合元件采集一帧图像，如此循环下去；实时监控模块，其包括一台监视器和一台计算机主机，计算机主机用于实时采集电子耦合元件输送的锂离子电池的投影图像，并通过边缘定位和体积重构方法对图像进行处理，以实时得到待测锂离子电池的体积，并在监视器上实时输出锂离子电池的在充放电过程中的体积演变曲线以及电学变化曲线。
[0011]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0012]本专利在上一代方法(申请号CN 202111639683.1)的基础上进行了迭代升级，由检测电池的直径演变过渡为检测电池的体积演变，实现了在充放电过程中对电池体积的在线检测，这是所有的传统的电池膨胀检测方法都无法完成的任务。除此之外，本专利还具有无损检测、高检测通量和普适性强的特点。在获得电池的体积信息后，接着将其与电池状态，即SOC或SOH建立相关性，以对电池状态进行实时精准评估，最终实现电池老化、电量骤减监控和危险预警，解决行业痛点，推动电池行业安全可靠地发展。
附图说明
[0013]图1为本专利技术的光学成像法检测电池体积的装置示意图；
[0014]图2为电池光学投影成像装置示意图；
[0015]图3为电池边缘定位和体积重构算法示意图；
[0016]图4
‑
6为本专利技术的基于电刷的电池旋转夹具的结构立体视图；
[0017]图7
‑
8为本专利技术提供的另一种小型化电池旋转夹具结构立体视图；
[0018]图9为本专利技术实施例提供的电池体积演变曲线与电压曲线；
[0019]图10为本专利技术实施例提供的电池在充放电测试中的形貌变化；
[0020]图11为本专利技术实施例提供的电池体积和SOH的相关性。
[0021]其中，1
‑
发光二极管光源；2
‑
柱状锂离子电池；3
‑
电荷耦合元件相机；4
‑
电池旋转模块，411
‑
上侧顶板，412
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侧立杆，413
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电刷架，414
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电池正极上垫圈，415
‑
正极铜垫圈，416
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正极下垫圈，417
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负极上垫圈，418
‑
负极铜垫圈，419
‑
负极下垫圈，421
‑
电池导电夹具，422
‑
电池电机联轴器，431
‑
导线，432
‑
步进电机；5
‑
恒温箱；6
‑
监视器；7
‑
电脑计算机主机；8
‑
电池测试系统；9
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函数发生器；10
‑
直流电源。
具体实施方式
[0022]实施例1电池旋转夹具
[0023]如图4
‑
图6所示，本实施例提供一种电池旋转夹具，该夹具包括步进电机、与步进电机电机轴固定连接的下导电圈、与下导电圈轴向对应设置的上导电圈、至少一个与上导电圈电连接的上电刷架以及至少一个与下导电圈电连接的下电刷架，所述电池的上端与下端分别插接上导电圈与下导电圈，所述步进电机通过下导电圈带动锂离子电池与上导电圈与下导电圈发生周向转动；
[0024]所述上电刷架与下电刷架上分别连接有导线，上电刷架与下电刷架由于自身的导电性，导线上的电能够直接通过上电刷架与下电刷架导电至上导电圈与下导电圈，以使得在上导电圈与下导电圈发生旋转时，上电刷架与下电刷架及其上的导线不发生转动即可以
实现电连接，这样避免了导线由于周向转动引起的缠绕混乱的技术问题。
[0025]如图4所示，所述步进电机上安装有竖向延伸的多根侧立杆412，所述多根侧立杆顶端连接有顶板411，所述多根侧立杆与顶板411围合形成的空间用于收容上导电圈、下导电圈以及锂离子电池，所述上电刷架与下电刷架分别贯穿该多根侧立杆412的上侧与下侧以与上导电圈与下导电圈发生电连接。
[0026]基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光学成像的锂离子电池体积检测装置，其特征在于，该装置包括：光学成像模块，通过发光二极管作为光源，采用投影成像的方式，在电子耦合元件上对电池直径进行实时光学成像；电池旋转模块，用于驱使电池按照预设的转速进行持续旋转以，以测量不同角度的电池直径，从而重构出电池的准确体积；电池充放电模块，其用于给锂离子电池进行充放电循环并监控电学参数；光电同步模块，其包括一台函数发生器、一台直流电源和步进电机控制器；直流电源给步进电机供电，函数发生器输出同步的波形分别到步进电机控制器和电子耦合元件，使得每当步进电机旋转一个固定角度后，电子耦合元件采集一帧图像，如此循环下去；实时监控模块，其包括一台监视器和一台计算机主机，计算机主机用于实时采集电子耦合元件输送的锂离子电池的投影图像，并通过边缘定位和体积重构方法对图像进行处理，以实时得到待测锂离子电池的体积，并在监视器上实时输出锂离子电池的在充放电过程中的体积演变曲线以及电学变化曲线。2.根据权利要求1所述的锂离子电池体积检测装置，其特征在于，电池旋转模块包括电池旋转夹具，该电池旋转夹具包括步进电机、与步进电机电机轴固定连接的下导电圈、与下导电圈轴向对应设置的上导电圈、至少一个与上导电圈电连接的上电刷架以及至少一个与下导电圈电连接的下电刷架，所述电池的上端与下端分别插接上导电圈与下导电圈，所述步进电机通过下导电圈带动锂离子电池与上导电圈与下导电圈发生周向转动，所述上电刷架与下电刷架上分别连接有导线，上电刷架与下电刷架由于自身的导电性，导线上的电能够直接通过上电刷架与下电刷架导电至上导电圈与下导电圈，以使得在上导电圈与下导电圈发生旋转时，上电刷架与下电刷架及其上的导线不发生转动即可以实现电连接；优选地，所述步进电机上安装有竖向延伸的多根侧立杆，所述多根侧立杆顶端连接有顶板，所述多根侧立杆与顶板围合形成的空间用于收容上导电圈、下导电圈以及锂离子电池，所述上电刷架与下电刷架分别贯穿该多根侧立杆的上侧与下侧以与上导电圈与下导电圈；更优选地，负极上垫圈、负极铜垫圈与负极下垫圈通过长螺丝组装以构造成下导电圈；将正极上垫圈、正极铜垫圈与正极下垫圈通过长螺丝组装以构造成上导电圈。3.根据权利要求1所述的锂离子电池体积检测装置，其特征在于，电池旋转模块包括电池旋转夹具，该电池旋转夹具包括步进电机、与步进电机电机轴连接的联轴器以及导电夹筒，所述导电夹筒轴向对应联轴器设置，所述锂离子电池的上端与下端分别插接在导电夹筒与联轴器中，由步进电机带动联轴器与导电夹筒一起发生周向转动，所述导电夹筒具有导电顶以及导电侧壁，所述导电顶与导电侧壁分别开设有顶导电孔与侧导电孔，顶导电孔与侧导电孔连接有导线。4.根据权利要求1所述的体积检测装置，其特征在于，利用边缘定位方法得到的d
i
，通过d
i
进一步计算出在任意角度θ
i
下锂离子电池的体积单元计算公式如下：上述公式中，V(d
i
)表示锂离子电池任意角度θ
i
任意高度H
i
的体积，d
i
表示任意角度θ
i
任
意高度H
i
处的锂离子电池2的直径，
△
H代表1个像素；通过测锂离子电池在不同角度的直径，利用这些直径重建出三维形貌，并积分得到待测锂离子电池的体积V，具体的计算公式如下：上述公式中，V表示锂离子电池的体积，θ
i
表示电池在不同角度的直径，随着电池充放电过程的进行，可以得到电池在不同状态下的体积。5.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王伟，蒋文轩，李浩冉，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：