一种在线监控电池和电容器安全性能的方法.pdf

本发明涉及一种在线监控电池和电容器安全性能的方法，属于能源安全相关领域。本发明所要解决的技术问题是为了有效在线监控电池和电容器由于微观应变引起的宏观形变，对其热效应和胀气等安全性能进行实时有效管理，对安全事故进行预警，消除爆燃等安全隐患，对事故原因进行在线分析。本发明技术方案采用无损应变检测方法，将应变片分布在电池和电容器表面，实时监控其运行过程中的应变变化，对即将失效的组件进行提前预警并处置，有利于对电源有效安全管理并对失效过程与原因进行原位分析，将事故消除在萌芽状态。本发明的无损在线监控电池和电容器形变安全性能的方法简单，快速、准确，可操作性强，适用于能源器件的长期可靠安全预警与事故分析。

权利要求书1.  一种在线监控电池和电容器安全性能的方法，其特征在于：将应变片按一定方式分布在待测电池和电容器表面指定位置，将应变片与应变仪连接，通过监测电池和电容器的应变变化实时监控其安全性能。 2.  根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的一定方式指适合电池和电容器形状的应变片排布方式，应变片的排布位置与间距满足测试和精度要求。 3.  根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的分布指将应变片通过粘合剂粘结在电池和电容器表面，二者之间有足够的粘结强度以保证共同变形。 4.  根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的指定位置指电池和电容器表面的几何中心、边缘等效位置、应力情况复杂区、高应力集中区和一些要求的测试点。 5.  根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的实时监控指将电池和电容器的应变变化通过应变仪进行在线监视和控制。 6.  根据权利要求1的描述，其特征在于：所述的应变仪指静态应变仪、静动态应变仪、动态应变仪和超动态应变仪。 7.  根据权利要求3的描述，其特征在于：所述的粘合剂指绝缘性好的具有粘性的物质，应变片引出线和电池与电容器之间的绝缘电阻不低于100MΩ。

说明书一种在线监控电池和电容器安全性能的方法
技术领域
本发明公开一种无损、在线长期可靠监控电池和电容器安全性能的方法，涉及电池或电容器（含电解电容器与超级电容器）及其组成的电源包或电源组在运行过程中的失效预警和安全监控管理，属于能源安全及相关领域。

背景技术
电池或电容器单体及其组成的电源包或电源组由于形变引起的鼓包、泄露、爆炸、燃烧等安全问题极大影响其广泛应用，所以对其形变进行实时监控有利于电源的安全管理。目前对电池形变进行测试的常用方法中，测试尺寸的方法不仅精确度不高，误差大，而且工作强度大，不适合大量单体、电源包或电源组的在线实时安全监控；排水法除了不能大规模在线实时安全监控外，而且存在电极容易短路、包装破损会释放出有毒物质，甚至引起燃烧、爆炸等安全问题。另外，目前没有对电池和电容器长期运行过程中的胀气和热效应等引起的形变现象监控的有效措施。因此，寻找一种快速、便捷的无损在线检测电源安全技术迫在眉睫，对电动车、备用电源等运行过程中的电源安全管理至关重要。另外，密闭的电池或电容器单体及其组成的电源包或电源组实际上是一种压力容器，其运行过程中产生的热或气体会引起外包装壳具发生形变，严重时发生泄露或爆炸，溅出的易燃溶剂也会引起燃烧。微观角度的应变聚集到一定程度会引起比较明显的形变，所以产生形变的应变值与应力值密切相关，可以通过公式进行换算。因此，通过对电源运行过程中的产生形变的应变变化监测其安全性能是可行的。
作为一种非破坏性的应变测量和检查手段，应变仪可以测量材料的静动态拉伸与压缩应变及材料上任意点的应变。按照频率响应范围，应变仪可分为静态应变仪、静动态应变仪、动态应变仪和超动态应变仪。不随时间变化或变化极为缓慢的静态应变用静态电阻应变仪检测，每次只能测出一个点的应变；随时间变化的动态应变用动态电阻应变仪检测，由测量电桥放大器和滤波器等组成，一般有多个通道以便测量多个动态应变信号，每个通道测量一个动态应变信号，动态应变随时间而变化，直接反映被测应变信号的大小和变化。电池和电容器在运行过程中由于微观应变会引起比较明显的宏观形变。所以利用应变仪将应变片采集的电池和电容器的应变信息经转换后传输给计算机，实现计算机长期可靠在线监控。
为了克服目前测试电池和电容器胀气行为和热效应引起形变的技术与方法缺陷，弥补目前没有无损在线检测电池和电容器安全性能的不足，本发明创新性的利用应变仪无损在线监控电池和电容器及其组成的电源包或电源组的安全性能，将应变片合理分布在电池和电容器表面，通过检测电池和电容器产生形变的应变变化监控其安全性能。该发明方法便捷、易操作，准确可靠，而且对电源没有损坏，当形变量超过安全阈值时，通过电脑软件自动终止形变量大的电源，将危险消除在萌芽状态，也可以将应变换算成应力，评价电池和电容器运行过程中的应力分布及其变化规律，为电源的长期可靠无损在线安全管理提供技术支撑。

发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，克服现有技术的不足，提供一种用于电池和电容器安全性能监控的关键工艺技术，采用无损的应变检测方法监控电池和电容器单体及其组成的包或组的安全性能，发明方法准确、灵敏、可靠，响应时间短，可以实现长期无损在线可靠监控。
本发明的基本构思在于：电池和电容器单体及其组成的包或组在运行过程中会发生由微观应变引起的宏观形变，从微观角度出发，利用分布在电源表面的应变片监测他们运行过程中的应变变化，通过应变与应力间的关联监控安全性能，预防发生大的形变，对安全事故进行有效预警，也可对安全事故原因进行在线分析，方法快速、准确，容易操作，对电源没有破坏，投资少，效益好。
本发明的目的通过以下方式实现：将应变片按一定方式分布在待测电池和电容器表面指定位置，将应变片与应变仪连接，通过监测电池和电容器的形变实时监控其安全性能。
所述的一定方式指适合电池和电容器形状的应变片排布方式，应变片的排布位置与间距满足测试和精度要求。
所述的分布指将应变片通过粘合剂粘结在电池和电容器表面，二者之间有足够的粘结强度以保证共同变形，没有气泡、翘起、短接现象。
所述的指定位置指电池和电容器表面的几何中心、边缘等效位置、应力情况复杂区、高应力集中区和一些要求的测试点。
所述的实时监控指将电池和电容器的应变变化通过应变仪进行在线监视和控制。
所述的应变仪指静态应变仪、静动态应变仪、动态应变仪和超动态应变仪。
所述的粘合剂指绝缘性好的具有粘性的物质，绝缘电阻高于100 MΩ。
所述的应变片的线膨胀系数与使用温度满足测试要求，线膨胀系数与电池和电容器的形变系数匹配。
本发明的有益效果是：解决了电池和电容器及其组成的电源包或电源组安全问题难以实时监控的技术难题，创造性的提出了一种由待测件表面的应变片通过应变仪无损在线监控电源安全性能的方法，将应变片按一定方式分布在待测电源表面并与应变仪连接，可以由应变计算电源内的应力或残余应力，而且可以在电源运行过程中实时在线监控其应变和应力变化，对电源没有损坏，类似于心电图测试，快速、准确、便捷，对形变量大的电源通过软件控制进行预警并采取相关措施，将形变、爆炸、燃烧等危险因素消除在萌芽状态，对电池或电容器单体及其组合和测试环境要求低，适用于大规模电源器件的安全性能实时在线监测。本发明解决了对电池和电容器（尤其数量多时）实时在线监控的技术难题，弥补了目前无法实时安全监管的技术不足，具有很高的应用价值。
附图说明
图1在线监控电池和电池组安全性能的应变片分布示意图。
图2在线监控扣式电池安全性能的应变片分布示意图。
图3在线监控方形软包装电池安全性能的应变片分布示意图。
图4在线监控18650柱状电池安全性能的应变片分布示意图。
图5在线监控柱状超级电容器安全性能的应变片分布示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明，所述内容仅为本发明构思下的基本说明，但是本发明不局限于下面例子，依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均属于本发明的保护范围。
实施例1
采用多通道动态电阻应变仪长时间实时在线监控不同形状的电池及其组成的电池组运行过程中的安全性能，箔式应变片在不同形状电池与电池组上的分布示意图如图1所示，在方形电池的面对角线交点和面上的等效位置粘贴应变片，在圆形电池的中心与边缘等效位置粘贴应变片，圆柱电池的上、中、下位置与边缘等效位置粘贴应变片，电池组在每个电池的侧面粘贴应变片。具体实施步骤如下：1）应变片选择：根据测试要求，选用箔式电阻应变片，应变极限不超过50%，根据测试温度不同采用合适的温度补偿，使用温度满足测试条件要求；2）应变片贴前检查：粘贴应变片前检查应变片是否存在短路、断路、损伤、折断、气泡、霉变等现象，用欧姆表或直流电桥检测其电阻，保证应变片的电阻误差不超过±0.5 Ω；3）表面处理与定位：用粗砂皮纸和细砂皮纸依次在大于应变片面积2～5倍左右、剥除外包装的电池表面粘贴部位打磨，沿贴片方向打出均匀细微的45o交叉纹，保证粘贴位置的平面度和光洁度，然后用细钢针在被测点处轻轻画线，使表面的粗糙度增加至                                                3～7，保证应变片能牢固顺利地粘贴在电池表面，同时用钢针画出贴片定位线；4）表面清洁处理：粘贴应变片前，用蘸上丙酮或乙醇的脱脂棉球擦洗被测点处油污，直至棉球上无明显油渍和灰尘为止，且不能用手触摸清洗后的表面，如果不立即贴片，需要涂上一层凡士林作为暂时保护；5）应变片粘贴与固化：用镊子轻轻捏住应变片的引出线，将应变片的方位线对准事先在电池上的定位线并轻轻放置在粘贴处，用塑料薄板轻轻压住应变片的端头使之与粘结面有一定夹角，将沾有502胶水的细丝轻轻放置在夹角处并缓慢移动，待胶水在夹角处分散后，拿起压在应变片上的塑料板，为防止里面多余的胶水和气泡，在应变片上盖上一层腊纸，用手指反复轻轻滚压腊纸表面，待胶水和气泡被完全挤出后，还应保持手指不动约一分钟左右，在室温中进行固化，严格按照粘合剂的固化工艺规范进行操作，控制好固化温度、时间和循环周期，固化后的应变片上应涂上稀释粘合剂作为防潮保护层；6）应变片粘贴质量检查：检查应变片的粘贴质量，确保没有气泡、翘起、短接现象，如果正常，在应变片的引出线附近粘贴一片接线端子，将引线与端子连接，用胶布将引线与被测电池或电池组固定在一起，防止引线与应变片脱离，同时在引出线下面粘贴一层绝缘胶布，再用万用表测量应变片的引出线和金属试件之间的绝缘电阻是否不低于100MΩ，导通电阻是否低于1Ω；7）连接应变仪与监控：如果检查合格，将测量导线的一端靠近应变片的引出线，将应变片引出线与测量导线锡焊后接入应变仪，将应变仪的输出信号输入计算机，通过计算机监控电池和电池组形变产生的应变而实时监控安全性能，也可以利用应变计算电池和电池组上的应力和残余应力分布情况，对电池和电池组的失效过程与原因进行在线分析。

实施例2
采用多通道分布式静态电阻应变测试监控扣式电池运行过程中的胀气安全性能，应变片在扣式电池上的分布示意图如图2所示，采用Φ0.02~0.05mm康铜丝应变片对扣式电池的安全性进行监控，将应变片通过薄薄一层环氧树脂牢固粘结在扣式电池的中心与边缘等效位置，为确保绝缘，可以对应变片进行密封处理，用红外灯烘干，控制粘结表面温度不超过40oC，将应变片通过应变仪连接到计算机上进行实时安全性能监控，其他粘结和测试过程如实施例1。

实施例3
采用应变测试监控LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2软包装电池的常温和80oC胀气安全性能，应变片在方形软包装电池上的分布示意图如图3所示，分别选用常温和高温Φ0.01~0.03mm镍铬铝合金应变片对方形软包装电池的安全性进行监控，高温时采用温度补偿，对软包装铝塑膜表面粘结部位进行轻微刮擦以增加表面的粗糙度，将应变片牢固粘结在方形电池的中心与边缘等效位置及两个电极引线处，自然干燥15~20h进行固化，检验合格后将应变片通过应变仪连接到计算机上进行实时安全性能监控，其他粘结和测试过程如实施例1。

实施例4
采用应变测试监控Li4Ti5O12钢壳圆柱电池的胀气安全性能，应变片在圆柱形钢壳电池上的分布示意图如图4所示，采用铁铬铝合金应变片对18650圆柱形电池的安全性进行监控，对不锈钢表面粘结部位进行打磨和刮擦增加表面的粗糙度，将应变片牢固粘结在圆柱形电池的上/下底面中心、柱体的上/中/下及边缘等效位置，将应变片通过应变仪连接到计算机上进行实时安全性能监控，其他粘结和测试过程如实施例1。

实施例5
采用应变测试监控超级电容器的应力变化，应变片在圆柱形超级电容器上的分布示意图如图5所示，采用铂钨合金应变片对圆柱形超级电容器的安全性进行监控，将电容器的外包装剥离掉，对铝制壳具表面粘结部位进行打磨增加表面粗糙度以提高粘结强度，将应变片牢固粘结在圆柱形超级电容器的上/下底面中心、柱体的上/中/下及边缘等效位置，将应变片通过应变仪连接到计算机上进行实时安全性能监控，其他粘结和测试过程如实施例1。