基于光学成像的锂离子电池体积检测装置及其应用

1.本发明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。


背景技术：

2.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发明。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。
3.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。
4.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。该发明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。


技术实现要素：

5.本发明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：
6.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：
7.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；
8.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；
9.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；
10.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。
11.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
12.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
13.图1为本发明的光学成像法检测电池体积的装置示意图；
14.图2为电池光学投影成像装置示意图；
15.图3为电池边缘定位和体积重构算法示意图；
16.图4-6为本发明的基于电刷的电池旋转夹具的结构立体视图；
17.图7-8为本发明提供的另一种小型化电池旋转夹具结构立体视图；
18.图9为本发明实施例提供的电池体积演变曲线与电压曲线；
19.图10为本发明实施例提供的电池在充放电测试中的形貌变化；
20.图11为本发明实施例提供的电池体积和soh的相关性。
21.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-侧立杆，413-电刷架，414-电池正极上垫圈，415-正极铜垫圈，416-正极下垫圈，417-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-函数发生器；10-直流电源。
具体实施方式
22.实施例1电池旋转夹具
23.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；
24.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。
25.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。
26.基于电刷的电池旋转模块结构示意图如图4、图5和图6所示，需要按照图示自下而上地组装本模块的各零件。先将负极上垫圈417、负极铜垫圈418与负极下垫圈419通过长螺丝组装以构造成下导电圈，随后将步进电机432的电机轴与负极下垫圈419通过螺丝固定，此时将锂离子电池2负极朝下插入负极上垫圈417中，通过螺丝进一步固定；将正极上垫圈414、正极铜垫圈415与正极下垫圈416通过长螺丝组装以构造成上导电圈，接着将电池2正极朝上插入正极下垫圈416中，通过螺丝进一步固定；在电刷架中插入导电碳刷后，将八个电刷架413分别插入四根侧立杆412中，并用螺丝固定；上方四个碳刷头需要和正极铜垫圈415紧密接触，下方四个碳刷头需要和负极铜垫圈418紧密接触，所有碳刷尾端均以导线431引出并接入蓝和电池测试系统8；最后，将上侧顶板通过轴承与正极上垫圈414连接，并411与四根侧立杆412通过螺丝固定，安装完成。
27.方案一的工作原理是，通过电机转轴驱动锂离子电池的转动，以获得不同角度的电池投影；同时，通过电池-铜垫圈-碳刷-导线-电池测试系统的连接，保证了锂离子电池的旋转和充放电循环可以同时进行。
28.实施例2小型化电池旋转夹具
29.如图7与图8所示，本实施例提供一种小型化电池旋转夹具，该夹具包括步进电机432、与步进电机电机轴连接的联轴器422以及导电夹筒421，所述导电夹筒421轴向对应联轴器422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。
30.所述导电夹筒421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，基于锂离子电池的顶部为正极以及整个侧部以及底部为负极的特性，因此通过顶导电孔与侧导电孔连接有导线即可以实现充放电工作。
31.需要按照图示自下而上地组装本模块的各零件；先将步进电机432的电机轴与电池电机联轴器422通过螺丝固定，再将锂离子电池正极朝上插入电池电机联轴器422中，用螺丝固定，最后将导电夹筒421套住电池2正极端，并用三颗铜螺丝固定，铜螺丝的尾端连接导线431并接入蓝和电池测试系统8，安装完成。
32.方案二的工作原理是：通过电机转轴驱动锂离子电池的转动，以获得不同角度的电池投影；同时，通过电池-铜螺丝-导线-电池测试系统的连接，保证了锂离子电池的旋转和充放电循环可以同时进行。
33.在本实施例中，所述导线需要具备足够的长度以满足锂离子电池的周向转动。
34.实施例3电池体积计算模块以及电池体积与电学性能的相关性
35.如图1所示，本实施例提供了一种锂离子电池的体积检测装置，包括：光学成像模块、电池旋转模块、电池充放电模块、光电同步模块和实时监控模块。光学成像模块包括发光二极管(led光源)1以及电子耦合元件(ccd相机)3，如图2所示，发光二极管(led)1作为光源，放置于待检测电池2的正前方，电子耦合元件(ccd)3作为光学传感器，放置在待检测电
池2的后方以采集电池的投影图像；
36.电池旋转模块采用实施例1或实施例2所述的夹具，以驱动待检测电池2发生周向转动；
37.电池充放电模块为武汉蓝和电池测试系统8，型号ct3001c，如图1所示，通过与电池旋转模块4中引出的导线相连，给待测锂离子电池2进行充放电循环，其作用是监控锂离子电池2的各类电学参数，包括但不限于电压、电流、电量、soc和soh；
38.光电同步模块包括一台函数发生器9、一台直流电源10和步进电机控制器，其功能是将光学模块中的ccd相机3和电池旋转模块4中的步进电机432实现同步；具体而言，直流电源10给步进电机432供电，函数发生器9输出同步的波形分别到步进电机432和ccd相机3，使得每当步进电机432旋转一个固定角度后，ccd相机3采集一帧图像，如此循环下去，直到测试结束。
39.实时监控模块包括一台监视器6和一台计算机主机7；此模块主要运行的是图像采集软件和实时数据处理代码；实时监控模块用于实时采集电池的投影图像，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2的体积，并在监视器6上实时输出待测锂离子电池2的在充放电过程中的体积演变曲线。
40.按照本实施例提供的一种电锂离子电池的检测装置，本实施例进一步提供一种锂离子电池的电学性能预测方法，该方法包括如下步骤：
41.步骤1)如图1所示，测试全程在恒温箱5中进行，以保障环境温度恒定；首先打开led光源1预热约两小时，使光源1工作在稳定的状态；
42.随后打开相机3的开关，设置合适的曝光时间；接着依次打开监视器6、计算机主机7、电池测试系统8、函数发生器9和直流电源10；
43.步骤2)用函数发生器9给相机3和步进电机432输入相同的波形，使得相机3开始采集图像且锂离子电池2开始以固定转速旋转，以期获得电池在不同角度的直径；同时，电池测试系统8对锂离子电池进行充放电测试；
44.步骤3)通过锂离子电池2的投影图像得到其高精度的边缘位置信息，通过边缘定位方法得到锂离子电池2的直径信息；接着通过电池旋转夹具旋转得到电池处于不同角度的直径信息，通过体积重构算法获得电池的体积；
45.边缘定位方法包括：在ccd相机录制的灰度图片中，黑白可以用灰度值来量化，即越黑灰度值越小，越白灰度值越大；以图3为例，电池经投影成像得到一张灰度图片，其中电池部分由于遮光是黑色，光源部分是白色。在电池的光学图片中，黑白交界处即为电池边缘，但若直接以灰度值大小作为定位的依据，虽然算法简单，但精度不够，只能得到像素级的定位精度，而电池膨胀收缩时带来的电池边缘的位置移动远小于一个像素，因此需要使用边缘拟合算法得到亚像素级的电池边缘位置。
46.示例性地，所述的边缘拟合算法的具体实施步骤为：
47.1)对于任意角度θi下在ccd相机采集的锂离子电池2的投影图像中，锂离子电池2的高度约占700个像素，直径约占200个像素。以锂离子电池2图像的左边缘x
l
为例，在电池部分任意高度hi以边缘为中点取一个高为1像素，长为80像素的图像。该选取出的图像的特点是从左至右由白(光源部分)变黑(电池部分)，即灰度值从大变小的一组数，我们把它称为“原始曲线”。
48.2)对“原始曲线”求导得到“一阶微分曲线”，再对“一阶微分曲线”作高斯拟合，即可得到左边缘位置坐标x
l
，拟合公式如下：
49.g(x)＝a*exp((x-b)^2/c^2)+d
50.上述方程中，a表示曲线高度，b代表曲线中心坐标，c代表标准方差，d表示基线高度。
51.锂离子电池2的边缘位置即为公式中的b参数，因此，通过高斯拟合可以突破像素的限制，得到精确的中心坐标，也就是锂离子电池2左边缘位置x
l
。
52.3)用上述步骤的方法，再得到锂离子电池2的右边缘位置xr，在任意角度θi任意高度hi处的锂离子电池2直径di可以表示为di＝x
r-x
l
。
53.体积重构算法包括：
54.利用前述边缘拟合算法得到的di可进一步计算出在任意角度θi下锂离子电池2的体积单元计算公式如下：
[0055][0056]
上述公式中，vi(di)表示电池转过任意角度θi时所包含的体积单元，n
step
表示电池转过一周经历的总步数，(n
step
＝400，下同)，nh对应电池高度所占的700个像素(nh＝700)，
△
h代表1个像素(计算时取1)，π为圆周率，di表示任意角度θi任意高度hi处的锂离子电池2的直径。
[0057]
进一步地，在电池旋转模块4的帮助下，待测锂离子电池2每次旋转0.9
°
，旋转400步即为一个完整的圆柱，每转1步即扫过一个底面为圆锥的柱体，圆锥面积为1/400个底面圆。因此得到待测锂离子电池2在不同角度的体积单元vi后，可以重建出电池的三维形貌，并积分得到待测锂离子电池2的体积v，具体的计算公式如下：
[0058][0059]
上述公式中，v表示锂离子电池的体积，vi的含义同前文，表示电池转过任意角度θi时所包含的体积单元，n
step
对应电池转过的400个角度。
[0060]
至此电池2在任意时刻的体积v已计算得到，随着电池充放电过程的进行，用上述方法可以得到电池在不同状态下的体积。
[0061]
步骤4)建立充放电过程中实时的电池体积演变与电学曲线，并输出至监视器6；电学性能包括但不限于电压、soc以及soh；
[0062]
步骤5)根据步骤4)获得结果，检测待测锂离子电池的体积来预测电池的电学性能，该电学性能包括但不限于电压、soc以及soh。
[0063]
待到电池充放电测试完成后，依次关闭电池测试系统8、函数发生器9、直流电源10，此时相机3停止图像采集，电池2停止旋转，随后关闭相机3和光源1的电源，测试结束。
[0064]
试验例
[0065]
以icr18650锂离子电池为例，按照实施例3所述的方法，可以得到精确的电池体积
演变以及soc以及soh曲线，此外，根据本实施例所述的方法，如图10所示，可以进一步得到电池在充放电测试中的形貌变化。
[0066]
具体地，图9反映了电池体积与电压曲线，反映了在充放电过程中，电池体积的演变与电压的演变呈正相关关系。
[0067]
在图10示意了锂离子电池在soc＝0％(完全放电状态)和soc＝100％(完全充电状态)时的电池形貌，图中的颜色越浅就代表形貌越膨胀，颜色越深就代表形貌越收缩；通过图10我们可以进一步观察到在充放电过程中，电池表面的非均一性的体积变化，从侧面验证了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，实时获得锂离子电池在充放电过程中的真实体积才能更精确的预测其真实的电学参数，否则误差较大。
[0068]
为了关联电池的体积与寿命的关系，我们提取了每个充放电循环中的soh和平均体积变化百分比，其计算方法如下：
[0069]
soh＝当前循环电池容量/电池标准容量；
[0070]
平均体积变化百分比＝((当前循环电池的平均体积/首个循环电池的平均体积)-1)*100％；
[0071]
结果如图11所示，从图中我们可以看出，随着充放电循环的进行，电池的寿命逐渐衰减，对应着电池平均体积的逐渐增加，并且二者有非常强的线性相关性；因此，我们可以通过监测电池的体积达到监测电池寿命的目的，例如，如图11c所示，当监测到电池的平均体积增大0.04％时，就知道电池的soh约下降10％。那么，若定义电池soh衰减至20％以下为需要淘汰的电池，只需监测电池体积增大0.32％即可，这也为进一步的预测电池寿命打下坚实的基础。