一种基于光纤超声传播的锂电池检测系统

本发明属于电池状态监测领域，更具体地，涉及一种基于光纤超声传播的锂电池检测系统。

背景技术：

1、锂电池因其高输出电压、高能量密度、长循环寿命、低自放电率等优点，被广泛应用于新能源储能、电动汽车、移动智能设备等领域。随着技术的不断发展，对电池性能的需求也越来越高。因此需要利用各种表征技术深入了解锂电池工作过程中内部变化，探究其失效机理，为后续开发新型高性能锂电池提供指导。

2、目前锂电池表征成像的常见载体有紫外线，可见光，红外线，x射线，离子束，电子束和中子束等。由于锂电池是封闭体系，若要观察电池内部结构，信息载体需要穿透电池的外包装材料与电池内部的材料产生信息交互。而紫外线，可见光，红外线，离子束以及电子束难以穿透电池的外壳，因此基于该类载体的成像技术难以实现电池的原位监测，同时能穿透电池外壳的x射线和中子等成像技术也存在一定的问题。与x射线和中子等成像载体相比，超声波不仅具有较强的穿透性而且对电池的物理化学性能几乎不造成影响，因此超声成像技术在锂电池研究领域占据着重要地位。现有的超声成像技术多采用压电陶瓷作为超声传感器，但其低灵敏度，大尺寸，易受电磁干扰，难复用等缺点限制了该成像技术的进一步发展。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光纤超声传播的锂电池检测系统，旨在解决现有的锂电池检测方法难以实现原位监测、灵敏度低、易受电磁干扰的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤超声传播的锂电池检测系统，该锂电池检测系统包括超声发射单元、光纤超声探测单元、信号解调单元和辅助单元，其中：所述超声发射单元设置在待测锂电池的一侧，用于向其发射超声波，所述超声波与待测锂电池的内部结构发生相互作用并生成带有锂电池内部信息的特定超声信号，该特定超声信号从待测锂电池的另一侧穿出；所述光纤超声探测单元用于接收所述特定超声信号并发生拍频信号漂移，从而产生漂移拍频信号；所述信号解调单元用于接收所述漂移拍频信号并进行数据重建，从而获得待测锂电池的内部信息图像；所述辅助单元用于带动待测锂电池运动并为待测锂电池、超声发射单元和光纤超声探测单元提供超声耦合剂环境。

3、作为进一步优选地，所述超声发射单元包括一个或多个液浸式超声换能器，用于发射一种频率波段或多种频率波段的超声波。

4、作为进一步优选地，所述光纤超声探测单元包括激励激光器、波分复用器和光纤超声传感器，其中：所述激励激光器通过波分复用器与光纤超声传感器连接，用于产生泵浦光以激励光纤超声传感器发光；所述光纤超声传感器用于放置在待测锂电池超声信号穿出的一侧，并通过波分复用器与信号解调单元连接，以接收所述特定超声信号，并发生拍频信号漂移以产生漂移拍频信号，并通过波分复用器传入信号解调单元。

5、作为进一步优选地，所述信号解调单元包括沿信号传播方向依次连接的光学隔离器、偏振控制器、起偏器、光纤放大器、光电探测器、数据采集器、频率解调器和显示机构，其中所述光学隔离器与波分复用器连接，用于接收所述漂移拍频信号；所述漂移拍频信号经偏振控制器、起偏器、光纤放大器、光电探测器处理后由数据采集器捕捉，捕捉的信号经频率解调器解调量化后输入显示机构进行存储显示。

6、作为进一步优选地，所述辅助单元包括位移控制平台和恒温槽，所述位移控制平台用于固定待测锂电池并带动其运动，以调整检测位置；所述恒温槽用于提供恒温环境，并且其内部装有超声耦合剂。

7、作为进一步优选地，所述光纤超声传感器包括相对设置的第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅，以及两者空白区域构成的谐振腔。

8、作为进一步优选地，所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅采用er3+/yb3+共掺增益光纤，所述第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的长度分别为1mm～20mm，所述谐振腔的长度为1mm～25mm。

9、作为进一步优选地，所述第一光纤布拉格光栅与第二光纤布拉格光栅的反射率之比为2～30。

10、作为进一步优选地，所述液浸式超声换能器的频率波段为0.2mhz～40mhz。

11、作为进一步优选地，所述激励激光器发出的激励光为频率在900nm～980nm的一种频率波段或多种频率波段的泵浦光。

12、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

13、1.本发明将光纤超声应用于锂电池研究中，通过将待测锂电池、超声发射单元和光纤超声探测单元置于超声耦合剂环境中，能够利用超声波极强的穿透性与待测锂电池内部结构如活性物质、电解液等发生相互作用产生特定超声信号，并利用光纤超声探测单元接收特定超声信号，从而在不损害电池的情况下对电解液分布状态、气体分布状态、电池贺电状态、健康状态进行无损检测，具有分辨率高、体积小、耗时短、抗干扰性强、测量误差小等优点，能够有效提高锂电池检测的准确性；

14、2.同时，本发明通过对光纤超声探测单元的结构进行优化，并对光纤超声传感器的具体结构和参数进行优化，能够进一步提高特定超声信号的接收精度。

技术特征：

1.一种基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，该锂电池检测系统包括超声发射单元、光纤超声探测单元、信号解调单元和辅助单元，其中：所述超声发射单元设置在待测锂电池的一侧，用于向其发射超声波，所述超声波与待测锂电池的内部结构发生相互作用并生成带有锂电池内部信息的特定超声信号，该特定超声信号从待测锂电池的另一侧穿出；所述光纤超声探测单元用于接收所述特定超声信号并发生拍频信号漂移，从而产生漂移拍频信号；所述信号解调单元用于接收所述漂移拍频信号并进行数据重建，从而获得待测锂电池的内部信息图像；所述辅助单元用于带动待测锂电池运动并为待测锂电池、超声发射单元和光纤超声探测单元提供超声耦合剂环境。

2.如权利要求1所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述超声发射单元包括一个或多个液浸式超声换能器(5)，用于发射一种频率波段或多种频率波段的超声波。

3.如权利要求1所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述光纤超声探测单元包括激励激光器(1)、波分复用器(2)和光纤超声传感器(3)，其中：所述激励激光器(1)通过波分复用器(2)与光纤超声传感器(3)连接，用于产生泵浦光以激励光纤超声传感器(3)发光；所述光纤超声传感器(3)用于放置在待测锂电池超声信号穿出的一侧，并通过波分复用器(2)与信号解调单元连接，以接收所述特定超声信号，并发生拍频信号漂移以产生漂移拍频信号，并通过波分复用器(2)传入信号解调单元。

4.如权利要求1所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述信号解调单元包括沿信号传播方向依次连接的光学隔离器(7)、偏振控制器(8)、起偏器(9)、光纤放大器(10)、光电探测器(11)、数据采集器(12)、频率解调器(13)和显示机构(14)，其中所述光学隔离器(7)与波分复用器(2)连接，用于接收所述漂移拍频信号；所述漂移拍频信号经偏振控制器(8)、起偏器(9)、光纤放大器(10)、光电探测器(11)处理后由数据采集器(12)捕捉，捕捉的信号经频率解调器(13)解调量化后输入显示机构(14)进行存储显示。

5.如权利要求1～4任一项所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述辅助单元包括位移控制平台(4)和恒温槽(6)，所述位移控制平台(4)用于固定待测锂电池并带动其运动，以调整检测位置；所述恒温槽(6)用于提供恒温环境，并且其内部装有超声耦合剂。

6.如权利要求3所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述光纤超声传感器(3)包括相对设置的第一光纤布拉格光栅(32)和第二光纤布拉格光栅(34)，以及两者空白区域构成的谐振腔(33)。

7.如权利要求6所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅(32)和第二光纤布拉格光栅(34)采用er3+/yb3+共掺增益光纤，所述第一光纤布拉格光栅(32)和第二光纤布拉格光栅(34)的长度分别为1mm～20mm，所述谐振腔(33)的长度为1mm～25mm。

8.如权利要求6所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅(32)与第二光纤布拉格光栅(34)的反射率之比为2～30。

9.如权利要求2所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述液浸式超声换能器(5)的频率波段为0.2mhz～40mhz。

10.如权利要求3所述的基于光纤超声传播的锂电池检测系统，其特征在于，所述激励激光器(1)发出的激励光为频率在900nm～980nm的一种频率波段或多种频率波段的泵浦光。

技术总结
本发明提供了一种基于光纤超声传播的锂电池检测系统，属于电池状态监测领域，其包括超声发射单元、光纤超声探测单元、信号解调单元和辅助单元，其中：超声发射单元设置在待测锂电池的一侧，用于向其发射超声波并生成带有锂电池内部信息的特定超声信号；光纤超声探测单元用于接收特定超声信号并发生拍频信号漂移，从而产生漂移拍频信号；信号解调单元用于接收漂移拍频信号并进行数据重建；辅助单元用于带动待测锂电池运动并提供超声耦合剂环境。本发明能在不损害电池的情况下对电解液分布状态、气体分布状态、电池贺电状态、健康状态进行无损检测，具有分辨率高、体积小、耗时短、抗干扰性强、测量误差小等优点，能够有效提高锂电池检测的准确性。

技术研发人员：于逸飞,黄宇,黄云辉
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7