专利名称：用于电连接部的无损评估方法
技术领域：
本发明涉及一种无损评估(NDE)方法，该无损评估(NDE)方法用于电连接部的检验和确认。
背景技术：
为了组装用于电动车辆(EV)的高压(HV)电池组中的电池模块，电池单元端子连接到互联母线(interconnector busbar)。为了检验和确认该电连接部,本发明的发明人已经发明了诸如对连接的试件或者实际的电池模块的进行机械测试的破环性测试方法，并且所述破坏性测试方法已经被成功地使用。然而，期盼NDE方法，更具体地说，期盼在大量生产期间对电连接部的在线检查(in-line inspection)。
发明内容
在一个实施例中，提供一种无损评估形成在电池单元端子和互联母线之间的电连接部的方法，所述方法包括下述步骤:至少部分地将电池单元端子的端子部分和互联母线的母线部分分离，使得端子部分和母线部分彼此分开；测量连接部上的电阻。在另一实施例中，所述测量的步骤包括将连接部的端子部分连接到第一极性的第一夹子，并且将连接部的母线部分连接到电阻测量仪器的相反极性的第二夹子。在又一实施例中，所述方法还包括调换第一夹子和第二夹子，使得端子部分连接到第二夹子，母线部分连接到第一夹子，并且重复测量电阻。在又一实施例中，所述方法还包括获得在调换之前和调换之后的电阻的平均值。在某些情况下，所述方法还包括将所述平均值与预定标准进行比较。在又一实施例中，所述方法还包括使电池单元端子和互联母线的相邻的连接部绝缘。在又一实施例中，所述方法还包括提供将作为平均峰载荷的函数的平均电阻制成的关联表。在某些情况下，所述提供步骤包括:提供作为平均峰载荷(MPL)的函数的平均电阻(MER)制成的关联表，函数被表达为:MER = a+bMPL+cMPL2，其中，a、b和c均为常数。在又一实施例中，所述提供关联表的步骤包括提供将作为平均峰载荷(MPL)的函数的平均电阻(MER)制成的关联表，函数被表达为:MER = a+bMPL+cMPL2，其中，a、b和c均为常数。在又一实施例中，所述方法还可包括提供将作为连接部强度的值的函数的电阻制成的关联表。在又一实施例中，所述部分地分离的步骤包括部分地分离折边剥离构造的连接部。在又一实施例中，所述方法还可包括使电池模块的一个或更多个相邻的连接部绝缘。在又一实施例中，所述绝缘步骤可包括利用绝缘纸进行绝缘。
在另一个实施例中，提供了一种评估电池连接部的方法，包括:将形成在电池单元端子和互联母线之间的连接部的端子部分从形成在电池单元端子和互联母线之间的连接部的母线部分部分地分离；将端子部分连接到第一极性的第一夹子，将母线部分连接到相反极性的第二夹子，从而测量端子部分和母线部分之间的电阻；调换第一夹子和第二夹子，使得端子部分连接到第二夹子，母线部分连接到第一夹子，并且测量端子部分和母线部分之间的电阻，从而获得调换之前和调换之后的电阻的平均值。在又一实施例中，所述方法还可包括将电阻的平均值与基于相应的峰载荷的电阻的预定值进行比较。在又一实施例中，所述方法还可包括提供将作为峰载荷的函数的电阻值制成的关联表。在又一实施例中，所述提供步骤可包括提供将作为平均峰载荷(MPL)的函数的平均电阻(MER)制成的关联表，函数被表达为:MER = a+bMPL+cMPL2，其中，a、b和c均为常数。在另一个实施例中，提供了一种评估位于车辆内的电池连接部的方法，包括:将形成在电池单元端子和互联母线之间的连接部的端子部分从形成在电池单元端子和互联母线之间的连接部的母线部分部分地分离；将端子部分连接到第一极性的第一夹子，将母线部分连接到相反极性的第二夹子，从而测量端子部分和母线部分之间的电阻；调换第一夹子和第二夹子，使得端子部分连接到第二夹子，母线部分连接到第一夹子，并且测量端子部分和母线部分之间的电阻，从而获得调换之前和调换之后的电阻的平均值；提供将作为平均峰载荷(MPL)的函数的平均电阻(MER)制成的关联表，函数被表达为:MER =a+bMPL+cMPL2，其中，a、b和c均为常数；将将电阻的平均值与基于相应的峰载荷的电阻的预定值进行比较。
图1A示意性地描绘了用于评估电连接部的示例性系统，包括搭接剪切(lapshear)试件样本和测量装置；图1B示意性地描绘了用于评估电连接部的示例性系统，包括折边剥离测试(coachpeel)试件样本和测量装置；图2以透视图示意性地描绘了电池模块；图3A示意性地描绘了图2的电池模块的局部透视图；图3B示意性地描绘了图3A的电池模块的另一局部透视图；图4示意性地描绘了用于无损评估电池模块中的电连接部的示例性系统；图5说明性地描绘了作为峰载荷值的函数的电阻值；图6示意性地描绘了用于处理电阻信息的示例性系统；图7说明性地描绘了合格/不合格标准；图8说明性地描绘了平均电阻和平均峰载荷的拟合线图。
具体实施例方式根据需要，在此公开了本发明的详细实施例。然而，应该理解的是，公开的实施例仅仅是本发明的示例，本发明可以以各种和替代形式实施。因此，在此公开的具体结构和功能上的细节不应该被解释为限制，而仅仅作为权利要求的代表性基础和/或用于教导本领域技术人员以各种方式应用本发明的代表性基础。此外，除非另外特别地指出，否则说明书中和权利要求中的所有的数量意在被理解为在描述本发明的较宽的范围时受词语“大约”限定。此外，除非另外特别相反地陈述，否则材料的组或类别的表述适合于结合本发明的给定目的或对于结合本发明的给定目的而言是优选的，意味着所述组或类别的任何两个或更多个构件的混合可以是同等适用的或者同等优选的。在一个或更多个实施例中，本发明的优点在于提供一种无损方法，该无损方法用于评估在电池模块中的电池单元端子和ICB母线之间形成的电池连接部。对用于EV应用的HV电池包的电池模块中的电池单元端子和ICB母线之间的连接部设置目标导电需求。基于组件限制，合格/不合格标准与连接部上的电阻相关。总体来说，连接部上的低界面电阻(lower interfacial resistance)产生低功率损耗并且在连接部周围还产生较少的热量累积。在此公开的无损评估方法达到/超出用于在电池模块上的电连接部的在线检查的需求。在一个或更多个实施例中，术语“无损”指的是一种评估用于车辆车载电池模块的电连接部而不用完全拆开所述连接部的方法，从而所述评估可以在线检查而进行。在某些情况下，术语“NDE”指的是在不损坏连接部的情况下对连接部进行评估的方法，从而所述评估特别适于在线检查。在一个或更多个实施例中，术语“连接部”或“电连接部”指的是在电池单元模块中的连接的电池部件。在某些情况下，连接的电池组件包括形成在一个ICB母线与一个或更多个电池单元端子之间的连接部。在某些情况下，术语“连接部”或“电连接部”指的是在任何材料或导电材料的两个或更多个部件之间的连接。一个连接部可以包括一个、两个、三个或更多个焊接点或者金属块(nugget)。电池模块包括在一个或更多个电池单元端子与一个互联母线之间的连接部。非限制的连接方法包括热连接、电连接、超声焊接、激光焊接、钎焊、紧固/铆接/钉牢/弯边以及焊接。在一个或更多个实施例中，本发明的优点还在于提供一种具有相当高的精度的评估焊接状态的方法。该方法可以在下面的连接条件之间进行解释:(i)无焊接(ii)开焊以及(iii)未充分焊接。在一个或更多个实施例中，本发明的优点还在于提供一种电阻和生命周期开始(或者“B0L”)焊接强度之间的关联方法。可以提供一种与BOL焊接强度在统计学上合理的关联(statistically sound correlation)。在一个或更多个实施例中，本发明的优点还在于提供NDE方法，该NDE方法对于检测诸如(i)无焊接(ii)开焊以及(iii)未充分焊接的连接部缺陷具有非常高的检测能力、分辨力以及灵敏度。在一个或更多个实施例中，本发明的优点还在于提供方法以及电阻和电连接部之间在统计学上合理的关联以及用于电连接部(具体地说，用于EV应用的HV电池包的电池模块中的电连接部)的导电合格/不合格标准。如图1A和图1B中示意性地描绘的，提供示例性系统IOOa和100b，以实施用于无损评估电连接部(具体地说，电池模块中的电连接部)的一种或更多种方法。系统IOOa包括电阻测量仪器102a以及搭接剪切试件样本104。搭接剪切试件样本104包括第一组材料108a和第二组材料110a，所述两组材料在它们叠置的位置处通过一个或更多个焊接点连接，以形成搭接剪切连接部106。电阻测量仪器102a测量搭接剪切连接部106上的电阻。在某些情况下，第一组材料108a可以包括一个或更多个片或者箔，并且可以是用于一个或更多个电池单元端子的试件模型。在某些其他实施例中，第二组材料
IIOa可以包括一个片或箔，并且可以是用于一个互联母线的试件模型。系统IOOb包括电阻测量仪器102b和折边剥离试件样本114。折边剥离试件样本114包括第一组材料108b和第二组材料110b，这两组材料在它们的弯曲的边缘匹配的位置通过一个或更多个焊接点而连接，以形成折边剥离连接部116。电阻测量仪器102b测量折边剥离连接部116上的电阻。在某些情况下，第一组材料108b可以包括一个或更多个片或箔，并且可以是用于一个或更多个电池单元端子的试件模型。在另一个特定情况下，第二组材料IlOb可以包括一个片或箔，并且可以是用于一个互联母线的试件模型。图2以透视图示意性地描绘了电池模块200的非限制性的示例。用于电池模块200的封装几何体在202处示出。电池模块200包括一系列电池单元204。每个电池单元204包括两个电池单元端子206。电池单元端子206按照预定的图案布置，以与互联板(ICB) 208对齐。ICB208包括几个互联母线210，电池单元端子206通过包括超声焊接的任何合适的方法连接到互联母线210。每个连接部具有将一个或更多个电池单元端子和一个互联母线在它们叠置和匹配的位置连接的一个或多个焊接点。图3A和图3B示意性地描绘了图2的电池模块200的局部视图，其中，在互联母线310和多个电池单元端子308之间示出了电连接部，每个电连接部具有三个焊接点306。如图3A和3B中所示，电池单元端子308的小拐角或者边缘320轻轻地剥起并且远离匹配/叠置的互联母线310的拐角或边缘322地弯曲而不损坏其之间的连接。如图4所示意性地描绘的，在任何测量之前，包围电池单元端子和互联母线，在其上部设置任何形式的任何合适的绝缘材料418。然后，电池单元端子的弯曲的拐角或边缘320通过第一极性的夹子424夹住，匹配/叠置的互联母线的暴露的拐角或边缘322通过相反极性的另一夹子426夹住。当夹子424和426经由电线连接到电阻测量仪器402时，记录电池单元端子和互联母线之间的连接部上的电阻。两个夹子中的一个随后被调换，以使“源”和“感测”交换，并且重复测量电阻。分别获得在调换之前和调换之后的电阻的平均值，并且与用于电连接部的检验和确认的合格/不合格标准进行对比。最终，电池单元端子的弯曲的拐角或边缘320轻轻地返回到初始位置，平整且紧密地接触匹配/叠置的互联母线，而不损坏其之间的连接。在某些情况下，实际电池模块中的电连接部可以包括一个或更多个电池单元端子和一个互联母线。用于实际电池模块中的电连接部的NDE方法的非限制性示例包括下述步骤:在测量之前将电阻测量仪器，例如，Hioki3560AC mQHiTester或者更新的版本打开至少5分钟；用一只手紧握住连接部区域，以防止对连接部剥离损坏；用另一只手使电池单元端子从一个拐角或者边缘轻微地剥离和弯曲；在将要测量的连接部周围所有相邻的电池单元端子和互联母线上设置任何形式的绝缘件(干净的纸或任何适合的绝缘材料)；利用正极性的一个夹子夹持互联母线的暴露的角或边缘；利用另一个负极性夹子夹持电池单元端子的弯曲的拐角或边缘；确保所述两个夹子彼此不接触，并且夹子不与任何其它电池单元端子和母线接触；使用电阻测量仪器测量连接部上的电阻并且将前10个读数平均；或者如果数不变，则接受所述读数；将两个夹子中的一个调换，重复所述测量，并且记录这两个平均的数据点。如果夹持在相同的点，则所述两个平均的读数应该是相同的或者在统计上区别不显著；用一只手紧握住连接部区域，同时另一只手使电池单元端子的弯曲的拐角或者边缘轻轻地返回到初始位置，平整且紧密接触匹配/叠置的互联母线，而不用损坏其之间的连接部；以及通过将测得的电阻与导电合格/不合格标准进行对比来检验和确认电连接部。为了将电阻与电连接部的强度关联，并且推导出导电合格/不合格标准，对于搭接剪切连接部或者折边剥离连接部，试件样本可以按照包括I层片/箔与I层片、2层片/箔与I层片、3层片/箔与I层片或者多层片/箔与I层片的结构由平的或弯曲的导电材料片或者箔制备。用于将电阻与电连接部的强度关联的非限制性方法包括下述步骤:从具有不同的连接强度的每对试件材料中创建电连接部并且因此连接部上的电阻不同；测量多个样本上的连接部的各个电阻；将处于工艺参数的每种级别的组合的情况下的多个样本的各个电阻平均，并且记录处于工艺参数的所 有级别的组合的情况下的平均(均值)电阻；测量相同的连接部的各个连接部强度，诸如峰载荷，将处于工艺参数的每种级别的组合的情况下多个样本的各个峰载荷平均，并且记录处于工艺参数的所有级别的组合的情况下的平均(平均)峰载荷，并且利用诸如回归来建立数学方程式。在某些情况下，回归方程包括多项式MER = a+bMPL+cMPL2，其中，MER表示平均电阻，单位为莫姆(πιΩ)，MPL表示平均峰载荷，单位为牛顿(N)，a、b和c为多项式系数，a、b和c的值取决于许多因素，诸如电连接部的材料、每个连接部的焊接点的数量、几何形状和尺寸、连接方法、电阻测量仪器及其刻度、测量夹子的表面条件及夹持面积以及量具可重复性及可再现性(GR&R)。因此，a、b和c的值随这些条件变化。在一个或更多个实施例中，术语“峰载荷”指的是在搭接剪切连接部或折边剥离连接部的机械测试期间连接部开始破裂时的最大载荷，由此测量连接部的强度。用于推导导电合格/不合格标准的非限制性方法包括下述步骤:测量(例如)具有三个焊接点并且三个焊接点都良好(即，大约100%良好的连接部)的连接部上的各个电阻，对多个(优选地，至少三个)连接部重复相同的测量，每个连接部具有三个焊接点并且三个焊接点都是良好的，将所述多个连接部的各个电阻平均，并且记录平均电阻；分别测量(例如)每个连接部有三个焊接点的连接部上的各个电阻，每个连接部具有如下条件:(I)一个良好的焊接点、一个与大部分匹配表面接触的破裂的焊接点以及一个有裂缝但是完全连接的焊接点，即，大约80%良好的连接部，(2) —个良好的焊接点、一个与少许匹配表面接触的破裂的焊接点以及一个有裂缝但是部分连接的焊接点，即，大约65%良好的连接部，以及(3)两个开焊的焊接点和一个部分连接的焊接点，即，大约15%良好的连接部，分别对每个样本有三个焊接点的多个(优选地，至少三个)样本进行同样的测量，并且所述多个样本的每个组处于上述三种连接部条件中的一种，分别将每个连接状态的各个电阻平均，并且记录所有连接状态下的平均电阻；使用对应于(例如)>80%良好的连接的平均电阻设置“合格”标准；使用对应于(例如)< 65%良好的连接的平均电阻设置“不合格”标准；使用对应于(例如)≥65%但<80%良好的连接的平均电阻设置“临界”标准；替代地，使用电连接部的工程设计规范和要求来设置导电合格/不合格标准。图5描绘了如使用Hioki3560AC mQH1-Tester所测得的针对每个连接部具有三个超声焊接点(USW)的电连接部的示例性导电合格/不合格标准，所述电连接部位于具有各种结构的呈片的互联母线的材料与呈片/箔的电池单元端子的任一种材料与之间，并且所述电连接部在试件或实际的电池模块上均可。用于电连接部的导电合格/不合格标准取决于电连接部的材料、每个连接部的焊接点的数量、几何形状和尺寸、连接方法、电阻测量仪器及其刻度、测量夹子的表面条件及夹持面积以及GR&R。因此，导电合格/不合格标准可以基于这些条件调整。作为非限制性的示例，如果为电连接部选择了较高的电阻率的材料、和/或通过设计减小了每个电连接部的焊接点的数量和/或尺寸、和/或使用了诸如紧固的连接方法、和/或使用了标准刻度读数更精确的电阻测量仪器、和/或测量夹子的表面和/或夹持的面积较粗糙或者经常被污染、和/或电阻测量仪器和/或操作者(operator) —直过偏，则在导电合格/不合格标准中的电阻阈值需要相应地增加。虽然试件样本和实际的电池模块由于在与它们的不同布局相对应的不同的负载条件下的破裂机制不同导致在试件样本和实际的电池模块中的峰载荷不同，但是试件样本和实际的电池模块上的电连接部的电阻由于下述方面相同:电连接部的材料相同、每个电连接部的焊接点的数量和尺寸相同、连接方法相同、电阻测量仪器相同以及测量夹子的表面条件及夹持面积相同。因此，在此发明的导电合格/不合格标准被适用于试件样本和实际的电池模块二者上的电连接部。如果在任何老化之前评估电连接部，则测得的电阻和峰载荷被认为是BOL条件。如果在其达到使用寿命端点或者在模拟疲劳试验中达到预定数量的循环之后评估电连接部，则之后测得的电阻和峰载荷被认为是EOL条件。由于电连接部在EOL条件下的功能要求与在BOL条件下的功能要求相同，因此在EOL条件下所要求的导电属性(诸如电阻)与在BOL条件下所要求的导电属性相同。因此，在此发明的导电合格/不合格标准在包括BOL和EOL两者的电连接部的整个寿命期间都是有效的。因此，令人满意的EOL电阻的阈值可以由在此发明的导电合格/不合格标准推导出来。令人满意的EOL电阻的阈值可以使用在此发明的回归方法与令人满意的EOL连接部强度相关联。通过进行疲劳试验，令人满意的EOL连接部强度可以继而与令人满意的BOL连接部强度相关联，从而设置最小的BOL连接部强度。在一个或多个实施例中，术语“峰载荷”指的是在搭接剪切测试或折边剥离测试期间发生了连接部开始破裂时的最大载荷，因此测量了 BOL连接部强度。一个推导合格-不合格标准的方法的非限制性示例包括:测量(例如)三个连接部(三个连接部都良好，即，大约100%良好的连接部)上的各个电阻，对每个样本具有三个连接部并且每个样本上的三个连接部都良好的多个(优选地,至少三个)样本重复相同的测量，将所述多个样本的各个电阻平均，并且记录平均电阻；分别测量在下列状态下(例如)三个连接部上的各个电阻:(I) 一个良好的连接部、一个大部分匹配表面接触的破裂的连接部以及一个有裂缝但是完全连接的连接部，即，大约80%良好的三个连接部，(2) —个良好的连接部、一个破裂的少许匹配表面接触的连接部以及一个有裂缝的但是部分连接的连接部，即，大约65%良好的三个连接部，以及(3)两个开焊的连接部和一个部分连接的连接部，即，大约15%良好的三个连接部，分别对每个样本有三个连接部的多个(优选地，至少三个)样本进行同样的测量，并且所述多个样本的每个组处于上述三种连接部条件中的一种，分别将每个连接状态的各个电阻平均，并且记录所有连接条件下的平均电阻；使用对应于(例如)>80%良好的连接部的平均电阻设置成“合格”标准；使用对应于(例如)<65%良好的连接部的平均电阻设置成“不合格”标准；使用对应于(例如)彡65%但< 80%良好的连接部的平均电阻设置成“临界”标准；替代地，使用电连接部的工程设计规范或要求来设置导电合格/不合格标准。图6示出了用于处理电阻信息并且确定合格/不合格(P/F)的系统600的示意性示例。计算机650由电源640供电并处理电阻信息。计算机650包括用于控制软件和在此描述的算法，以测量和分析电阻信息。例如，控制器610包括电阻测量逻辑元件650，以接收和处理由电阻测量仪器102a、402提供的信息。控制器610还包括关联逻辑元件660，以关联例如参照下面的图8示出并描述的连接部强度。图7描绘了如使用Hioki3560AC mQH1-Tester所测得的针对三个超声焊接电连接部的示例性导电合格/不合格标准，所述电连接部位于具有各种结构的呈片的ICB母线的材料和呈片/箔的电池单元端子的任一种材料之间，并且所述电连接部在试件或实际的电池模块上均可。用于电连接部的导电合格/不合格标准可以根据电连接部的材料、电连接部的数量和尺寸、连接方法、电阻测量仪器及其刻度、测量夹子的表面条件及夹持面积以及量具可重复性及可再现性而变化。因此，导电合格/不合格标准可以根据这些条件调整。下面的因素可能会影响导电合格-不合格标准:电连接部是否选择了较高的电阻率的材料、和/或是否通过设计减小了电连接部的数量和/或尺寸、和/或是否使用了诸如紧固的连接方法、和/或是否使用了标准刻度读数更加精确的电阻测量仪器、和/或测量夹子的表面和/或夹持的面积是否较粗糙或者是否经常被污染、和/或电阻测量仪器和/或操作者是否一直过偏，导电合格/不合格标准中的电阻阈值需要相应地增加。虽然试件样本和实际的电池模块由于在与它们的不同布局相对应的不同的负载条件下的破裂机制不同导致在试件样本和实际的电池模块中的峰载荷不同，但是试件样本和实际的电池模块上的电连接部的电阻由于下述方面电阻应当相同:电连接部的材料相同、电连接部的数量和尺寸相同、连接方法相同、电阻测量仪器相同以及测量夹子的表面条件及夹持面积相同。因此，在此描述的导电合格/不合格标准应适用于试件样本和实际的电池模块二者。示例示例 I在此发明的用于试件样本的NDE方法用于测量多个搭接剪切样本上的每个连接部具有三个USW的电连接部的电阻，所述多个搭接剪切样本中的每个由模拟电池单元端子的2层铝箔以及模拟互联母线的I层镀镍铜片形成。测得的数据在表I中列出。表I
权利要求
1.一种评估在电池单元端子和互联母线之间形成的电连接部的方法，所述方法包括下述步骤: 至少部分地将电池单元端子的端子部分和互联母线的母线部分分离，使得端子部分和母线部分彼此分开； 测量端子部分和母线部分之间的电阻。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述部分地分离的步骤在电池模块物理地安置在车辆内部时执行。
3.如权利要求1所述的方法，其中，电连接部包括一个或更多个焊接点，其中，端子部分和母线部分在电连接部的与所述一个或更多个焊接点所处的位置不同的位置处分开。
4.如权利要求1所述的方法，其中，端子部分是电池单元单子的拐角部分，母线部分是互联母线的拐角部分，或者两者。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述测量的步骤包括将电连接部的端子部分连接到第一极性的第一夹子，并且将电连接部的母线部分连接到相反极性的第二夹子。
6.如权利要求5所述的方法，所述方法还包括将第一夹子和第二夹子调换，使得端子部分连接到第二夹子，母线部分连接到第一夹子，并且重复测量电阻。
7.如权利要求6所述的方法，所述方法还包括获得在调换之前和调换之后的电阻的平均值。
8.如权利要求7所述的方法，所述方法还包括将所述平均值与基于相应的峰载荷的电阻的预定值进行比较。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述部分地分离步骤包括部分地分离搭接剪切构造的连接部。
10.如权利要求8所述的方法，所述方法还包括提供将作为峰载荷的值的函数的电阻的值制成的关联表。
全文摘要
本发明公开了一种评估电连接部的方法，在一个实施例中，所述方法包括将形成在电池单元端子和互联母线之间的连接部的端子部分与连接部的母线部分部分地分离；测量端子部分和母线部分之间的电阻。在另一实施例中，测量的步骤包括将连接部的端子部分连接到第一极性的第一夹子，将连接部的母线部分连接到相反极性的第二夹子。
文档编号G01R27/02GK103217580SQ201310021890
公开日2013年7月24日 申请日期2013年1月21日 优先权日2012年1月19日
发明者赫咪·韦德哈姆 申请人:福特全球技术公司