一种用于监测锂电池内部状态的封装结构的制作方法

本实用新型涉及电子领域，特别涉及一种用于监测锂电池内部状态的封装结构。

背景技术：

当前的电池管理系统主要借助温度传感器、电流传感器、电压传感器来监测锂电池的内部状态，如估测动力电池组的荷电状态、监测动力电池组的健康状态等功能。然而对于电池组的荷电状态而言，电压、电流、温度虽然同锂离子电池的荷电状态存在关联但联系并不紧密，仅凭电压、电流、温度三个物理信息难以对锂离子电池的荷电状态进行精准的预测。

而对于健康状态而言，虽然当电池出现晚期安全问题，例如由于电池过充产生锂枝晶引起短路时，电压、电流、温度均会出现变化，发出警报，但此时由短路产生的大量热量可能使电池进入热失控状态，最终起火燃烧。电压、电流、温度三个物理信息难以对电池早期健康状态做出预警；

现有的超声技术对锂电池的内部状态的探测工作，主要通过较为复杂的超声信号源和超声信号接收器完成，但由于其成本较高且体积较大，以及与现有的锂电池成组技术不兼容等缺点，因此无法集成在现有的锂电池模块中。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本实用新型提供一种用于监测锂电池内部状态的封装结构。本技术方案只要简单地激发贴在锂电池一侧的压电片共振产生超声波，就可以引起贴在锂电池另一侧的压电片发生共振，产生电信号，该电信号强弱与电池的荷电状态和健康状态具有对应关系，可以用于监测电池的荷电状态和健康状态等内部状态参数；而屏蔽层的存在是为了压电片与外界信号之间产生电磁屏蔽，进而提高信噪比；同时，压电片与屏蔽层的总厚度远小于传统的超声信号源与超声信号接收器，可以集成在锂电池模块中；

由于超声信号作为一种无损检测信号能够直接反映电池内部电极材料的变化，因此可帮助电池管理系统更好的进行电池荷电状态的估测与锂电池的早期健康状态的监控；

利用铝塑膜对锂电池、压电片、定位片和屏蔽层进行封装，同锂电池原本的制作工艺相匹配，因此能够能最大限度的利用原本的锂电池生产线进行生产，极大的降低了锂电池封装结构的制造成本。

在密封空间内注入耦合剂，不仅使与超声波发射器连接压电片能够通过该耦合剂顺利将超声波传送至与超声波接收器连接的压电片上，还起到了帮助锂电池散热以及阻止锂电池燃烧的作用，加强了电池的安全性能。

利用固定槽和导线槽实现对压电片和信号线的定位，避免了锂电池在使用及运输中，导致压电片和信号线产生错位，进而影响两个压电片之间的超声波传播质量，保证了超声波在锂电池以及两个压电片之间传播的稳定性和一致性。

本实用新型中的一种用于监测锂电池内部状态的封装结构，用于结合超声技术监测锂电池的内部状态，包括压电片和屏蔽层；两个所述压电片分别位于所述锂电池的两侧，两个所述屏蔽层分别贴合在所述锂电池两侧的压电片上；所述压电片沿厚度方向极化，所述压电片的厚度方向上的两侧分别具有与信号线连接的导电层。

上述方案中，还包括铝塑膜；所述铝塑膜包裹所述锂电池、压电片和屏蔽层并形成密闭空间，所述铝塑膜与所述锂电池、压电片和屏蔽层形成为一体；

所述压电片的厚度方向与所述锂电池的两侧表面垂直，位于所述压电片朝向锂电池一侧上的导电层作为信号输入端，位于所述压电片背向锂电池一侧上的导电层作为接地端；所述屏蔽层还与所述接地端连接。

上述方案中，还具有定位片和耦合剂，两个所述压电片分别通过所述定位片固定在所述锂电池的两侧；所述耦合剂填充在由所述铝塑膜包裹的密闭空间内，并充实所述锂电池与压电片和定位片之间，以及所述屏蔽层与铝塑膜之间的空隙；所述耦合剂还用于浸润压电片。

上述方案中，所述定位片具有与所述压电片的外轮廓匹配的固定槽，所述压电片固定在所述固定槽内，所述定位片还具有导线槽，所述导线槽的一端与所述固定槽的侧壁连通，所述导线槽的另一端与通过所述定位片的侧面与外界连通，所述信号线位于所述导线槽内，所述信号线背向所述压电片的一端通过所述导线槽穿出所述定位片；所述信号线从所述铝塑膜包裹的密闭空间内穿出。

上述方案中，所述两个压电片通过具有耦合剂性质的粘合剂胶接在所述锂电池的两侧。

上述方案中，所述屏蔽层为由高导电材料制成的二维屏蔽片或屏蔽网结构，所述屏蔽层的厚度小于1mm，所述压电片与屏蔽层的整体厚度小于3mm，所述屏蔽层通过与所述接地端连接以屏蔽外界干扰信号；所述锂电池为具有两个平行平面的软包或硬盒装成品电池或半成品电芯；所述压电片为薄片状压电换能片，所述压电片的频率为频率在100kHz-50MHz。

一种用于监测锂电池内部状态的封装方法，包括以下步骤：

S1.将信号线和压电片两侧的导电层连接为一体；准备两个连接有信号线的压电片，两个压电片分别位于锂电池两侧；

S2.在两个压电片背向锂电池的侧面涂抹导电胶，在压电片背向锂电池的侧面压合屏蔽层，使屏蔽层与压电片相互连接；

其中，位于所述压电片朝向锂电池一侧上的导电层作为信号输入端，位于所述压电片背向锂电池一侧上的导电层作为接地端；所述屏蔽层还与所述接地端连接。

上述方案中，在所述S1中，所述两个压电片通过具有耦合剂性质的粘合剂胶接在所述锂电池的两侧。

上述方案中，还可包括以下步骤：

S3.将铝塑膜包裹锂电池、压电片和屏蔽层，并将信号线从铝塑膜包裹的空间内穿出，再将铝塑膜的四周压合密封形成密闭空间，使铝塑膜与锂电池、压电片和屏蔽层形成一体；

S4.对铝塑膜的四周压合密封所形成的密封边进行裁剪，使密封边的宽度小于4mm；

S5.将铝塑膜包裹所述锂电池、压电片、定位片和屏蔽层，并将信号线从铝塑膜包裹的空间内穿出，再将所述铝塑膜的四周压合密封形成密闭空间，使所述铝塑膜与所述锂电池、压电片、定位片和屏蔽层形成一体；

S6.对铝塑膜打孔形成注液通道和真空通道，所述注液通道和真空通道分别连通所述密闭空间和外界；

S7.将注液机的注液口插入注液通道内，用于向所述密闭空间内注入耦合剂；将真空机的抽气口插入真空通道内，用于抽取所述密闭空间内的空气；同时启动所述注液机和真空机，并使所述注液机的注入速率与所述真空机的抽气速率平衡；

S8.当所述耦合剂填充所述密闭空间，充实所述锂电池与压电片和定位片之间，以及所述屏蔽层与铝塑膜之间的空隙，并浸润所述压电片时，停止注液机和真空机工作；

S9.压合所述注液通道和真空通道。

上述方案中，在所述S1中还可包括以下步骤，

S11.将两个所述定位片分别压在所述锂电池的两侧，准备两个连接有信号线的压电片，将两个压电片分别固定在所述锂电池两侧的定位片的固定槽内；

S12.将两个信号线分别卡入所述锂电池两侧的定位片的导线槽内，同时将两个信号线背向压电片的一端分别穿出两个定位片；

在所述S5中，所述铝塑膜的四周通过采用热压法或超声法压合密封；

在所述S9中，所述注液通道和真空通道通过采用热压法或超声法压合密封。

本实用新型的优点和有益效果在于：本实用新型提供一种用于监测锂电池内部状态的封装结构，通过结合超声技术快速准确的监测锂电池的内部状态的技术效果，帮助电池管理系统更好的进行电池荷电状态的估测与锂电池的早期健康状态的监控；提高了压电片输出的超声波的信噪比，保证了超声波在锂电池以及两个压电片之间传播的稳定性和一致性；通过耦合剂起到了帮助锂电池散热以及阻止锂电池燃烧的作用，加强了电池的安全性能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1中一种用于监测锂电池内部状态的封装结构的结构示意图；

图2为本实用新型在实施例1中，用于表达一种用于监测锂电池内部状态的封装结构中的锂电池、压电片、定位片、屏蔽层和信号线之间位置关系的爆炸图；

图3为本实用新型实施例2中一种用于监测锂电池内部状态的封装结构的结构示意图；

图4为本实用新型在实施例2中，用于表达一种用于监测锂电池内部状态的封装结构中的锂电池、压电片、定位片、屏蔽层和信号线之间位置关系的爆炸图；

图5为本实用新型实施例1中超声波信号穿过锂电池后，该超声波信号的幅值与锂电池的荷电状态之间的关系图。

图中：1、锂电池 2、压电片 3、定位片 4、屏蔽层

5、信号线 6、铝塑膜 7、耦合剂 8、密闭空间

9、注液通道 10、真空通道 31、固定槽 32、导线槽

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本技术方案包括以下实施例：

实施例1：

如图1和图2所示一种用于监测锂电池内部状态的封装结构，用于结合超声技术监测锂电池1的内部状态，包括压电片2和屏蔽层4；两个压电片2分别位于锂电池1的两侧，两个屏蔽层4分别贴合在锂电池1两侧的压电片2上；压电片2沿厚度方向极化，压电片2的厚度方向上的两侧分别具有与信号线5连接的导电层。

其中，只要简单地激发贴在锂电池1一侧的压电片2共振产生超声波，就可以引起贴在锂电池1另一侧的压电片2发生共振，产生电信号，该电信号强弱与电池的荷电状态和健康状态具有对应关系，可以用于监测电池的荷电状态和健康状态等内部状态参数；

而屏蔽层4的存在是为了压电片2与外界信号之间产生电磁屏蔽，进而提高信噪比。

优选的，还包括铝塑膜6；铝塑膜6包裹锂电池1、压电片2和屏蔽层4并形成密闭空间8，铝塑膜6与锂电池1、压电片2和屏蔽层4形成为一体；

压电片2的厚度方向与锂电池1的两侧表面垂直，位于压电片2朝向锂电池1一侧上的导电层作为信号输入端，位于压电片2背向锂电池1一侧上的导电层作为接地端；屏蔽层4还与接地端连接。

优选的，屏蔽层4的面积大于压电片2的面积，锂电池1两侧的压电片2具有相同的共振频率；

进一步的，还具有定位片3和耦合剂7，两个压电片2分别通过定位片3固定在锂电池1的两侧；耦合剂7填充在由铝塑膜6包裹的密闭空间8内，并充实锂电池1与压电片2和定位片3之间，以及屏蔽层4与铝塑膜6之间的空隙；耦合剂7还用于浸润压电片2；

其中，在密封空间内注入耦合剂7，使与超声波发射器连接压电片2能够通过该耦合剂7顺利将超声波传送至与超声波接收器连接的压电片2上；

同时，在该密封空间内的耦合剂7还起到了帮助锂电池1散热以及阻止锂电池1燃烧的作用，加强了电池的安全性能。

优选的，该耦合剂7可为硅油，硅油具有良好导热性、阻燃且密度、粘稠度、声阻抗变化程度随温度变化较小。

具体的，定位片3具有与压电片2的外轮廓匹配的固定槽31，压电片2固定在固定槽31内，定位片3还具有导线槽32，导线槽32的一端与固定槽31的侧壁连通，导线槽32的另一端与通过定位片3的侧面与外界连通，信号线5位于导线槽32内，信号线5背向压电片2的一端通过导线槽32穿出定位片3。

优选的，信号线5从铝塑膜6包裹的密闭空间8内穿出；屏蔽层4为由高导电材料制成的二维屏蔽片或屏蔽网结构，屏蔽层4的厚度小于1mm，压电片2与屏蔽层4的整体厚度小于3mm，其中，压电片2与屏蔽层4的总厚度远小于传统的超声信号源与超声信号接收器，可以集成在锂电池1模块中，而屏蔽层4通过与接地端连接以屏蔽外界干扰信号；

锂电池1为具有两个平行平面的软包或硬盒装成品电池或半成品电芯；压电片2为薄片状压电换能片，压电片2的频率为频率在100kHz-50MHz。

可选的，压电片2为PZT陶瓷片。

上述技术方案的工作原理是：将超声波发射器和超声波接收器分别与两个压电片2的信号线5相连，超声波发射器发出的超声信号通过一侧的压电片2转换为超声波信号，超声波信号穿过电池后，由另一侧的压电片2重新转换成电信号，该电信号由超声波接收器接收，其中，根据压电片2接收到的超声波信号的波形，检测人员可判断该锂电池1的健康状态，并且可初步判断该锂电池1的荷电状态；

由于超声波信号作为一种无损检测信号能够直接反映电池内部电极材料的变化，因此通过分析穿过电池后的超声波信号的变化进而能分析锂电池1的健康状态以及估测锂电池1的荷电状态；进而实现利用快速准确的判断锂电池1的健康状态的技术效果，其中，图5即为本技术方案测得的超声波信号穿过锂电池1后，该超声波信号的幅值与锂电池1的荷电状态之间的关系图；根据超声波信号的幅值与锂电池1的荷电状态的关系图即可推知锂电池1的荷电状态；

同时，除超声信号幅值信息外，还可根据上述方案建立穿过锂电池1的超声波信号的传播时间、信号能量、前后信号等相关系数与锂电池1的荷电状态之间的关系图，进而更加全面的反映锂电池1的内部状态，帮助电池管理系统更好的进行锂电池1状态的估计与管理。

本技术方案还提供了一种用于监测锂电池内部状态的封装方法，包括以下步骤：

S1.将信号线5和压电片2两侧的导电层连接为一体；准备两个连接有信号线5的压电片2，两个压电片2分别位于锂电池1两侧；

S2.在两个压电片2背向锂电池1的侧面涂抹导电胶，在压电片2背向锂电池1的侧面压合屏蔽层4，使屏蔽层4与压电片2相互连接；

其中，位于压电片2朝向锂电池1一侧上的导电层作为信号输入端，位于压电片2背向锂电池1一侧上的导电层作为接地端；屏蔽层4还与接地端连接；

S3.将铝塑膜6包裹锂电池1、压电片2和屏蔽层4，并将信号线5从铝塑膜6包裹的空间内穿出，再将铝塑膜6的四周压合密封形成密闭空间8，使铝塑膜6与锂电池1、压电片2和屏蔽层4形成一体；

S4.对铝塑膜6的四周压合密封所形成的密封边进行裁剪，使密封边的宽度小于4mm。

进一步的，还可包括以下步骤：

S5.将铝塑膜6包裹锂电池1、压电片2、定位片3和屏蔽层4，并将信号线5从铝塑膜6包裹的空间内穿出，再将铝塑膜6的四周压合密封形成密闭空间8，使铝塑膜6与锂电池1、压电片2、定位片3和屏蔽层4形成一体；

S6.对铝塑膜6打孔形成注液通道9和真空通道10，注液通道9和真空通道10分别连通密闭空间8和外界；

S7.将注液机的注液口插入注液通道9内，用于向密闭空间8内注入耦合剂7；将真空机的抽气口插入真空通道10内，用于抽取密闭空间8内的空气；同时启动注液机和真空机，并使注液机的注入速率与真空机的抽气速率平衡；

S8.当耦合剂7填充密闭空间8，充实锂电池1与压电片2和定位片3之间，以及屏蔽层4与铝塑膜6之间的空隙，并浸润压电片2时，停止注液机和真空机工作；

S9.压合注液通道9和真空通道10。

优选的，在S1中还可包括以下步骤：

S11.将两个定位片3分别压在锂电池1的两侧，准备两个连接有信号线5的压电片2，将两个压电片2分别固定在锂电池1两侧的定位片3的固定槽31内；

S12.将两个信号线5分别卡入锂电池1两侧的定位片3的导线槽32内，同时将两个信号线5背向压电片2的一端分别穿出两个定位片3；

在S5中，铝塑膜6的四周通过采用热压法或超声法压合密封；

在S9中，注液通道9和真空通道10通过采用热压法或超声法压合密封。

实施例2：

如图3和图4所示，一种用于监测锂电池内部状态的封装结构，用于结合超声技术监测锂电池1的内部状态，包括压电片2和屏蔽层4；两个压电片2分别位于锂电池1的两侧，两个屏蔽层4分别贴合在锂电池1两侧的压电片2上；压电片2沿厚度方向极化，压电片2的厚度方向上的两侧分别具有与信号线5连接的导电层。

优选的，屏蔽层4的面积大于压电片2的面积，锂电池1两侧的压电片2具有相同的共振频率。

压电片2的厚度方向与锂电池1的两侧表面垂直，位于压电片2朝向锂电池1一侧上的导电层作为信号输入端，位于压电片2背向锂电池1一侧上的导电层作为接地端；屏蔽层4还与接地端连接。

进一步的，两个压电片2通过具有耦合剂7性质的粘合剂胶接在锂电池1的两侧。

优选的，屏蔽层4为由高导电材料制成的二维屏蔽片或屏蔽网结构，屏蔽层4的厚度小于1mm，压电片2与屏蔽层4的整体厚度小于3mm，其中，压电片2与屏蔽层4的总厚度远小于传统的超声信号源与超声信号接收器，可以集成在锂电池1模块中，而屏蔽层4通过与接地端连接以屏蔽外界干扰信号；

锂电池1为具有两个平行平面的软包或硬盒装成品电池或半成品电芯；压电片2为薄片状压电换能片，压电片2的频率为频率在100kHz-50MHz。

可选的，压电片2为PZT陶瓷片。

上述技术方案的工作原理是：将超声波发射器和超声波接收器分别与两个压电片2的信号线5相连，超声波发射器发出的超声信号通过一侧的压电片2转换为超声波信号，超声波信号穿过电池后，由另一侧的压电片2重新转换成电信号，该电信号由超声波接收器接收，其中，根据压电片2接收到的超声波信号的波形，检测人员可判断该锂电池1的健康状态，并且可初步判断该锂电池1的荷电状态；

由于超声波信号作为一种无损检测信号能够直接反映电池内部电极材料的变化，因此通过分析穿过电池后的超声波信号的变化进而能分析锂电池1的健康状态以及估测锂电池1的荷电状态；进而实现利用快速准确的判断锂电池1的健康状态的技术效果，同时，根据超声波信号的幅值与锂电池1的荷电状态的关系图即可推知锂电池1的荷电状态；

同时，除超声信号幅值信息外，还可根据上述方案建立穿过锂电池1的超声波信号的传播时间、信号能量、前后信号等相关系数与锂电池1的荷电状态之间的关系图，进而更加全面的反映锂电池1的内部状态，帮助电池管理系统更好的进行锂电池1状态的估计与管理。

本技术方案还提供了一种用于监测锂电池内部状态的封装方法，包括以下步骤：

S1.将信号线5和压电片2两侧的导电层连接为一体；准备两个连接有信号线5的压电片2，两个压电片2分别位于锂电池1两侧；

S2.在两个压电片2背向锂电池1的侧面涂抹导电胶，在压电片2背向锂电池1的侧面压合屏蔽层4，使屏蔽层4与压电片2相互连接；

其中，位于压电片2朝向锂电池1一侧上的导电层作为信号输入端，位于压电片2背向锂电池1一侧上的导电层作为接地端；屏蔽层4还与接地端连接；

优选的，在S1中，两个压电片2通过具有耦合剂7性质的粘合剂胶接在锂电池1的两侧。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。