【电池包底部防护安全系列之七】超声与弹性波监测—碰撞损伤的新型感知手段

技术摘要TL;DR动力电池底部碰撞损伤的检测一直是行业痛点。传统方案依赖电压、温度、电流等间接信号往往在损伤发生后才表现出异常无法实现碰撞后未知变形的直接感知。超声导波和弹性波技术的出现提供了一种新的解决思路—通过声学信号直接听出电池内部的形变与损伤。2025年舒淙昊团队在《爆炸与冲击》发表研究建立了超声幅值与电池变形的定量映射关系同年钛方科技BIMS系统实现量产采用弹性波触觉感知技术碰撞识别率超过99.98%。清华大学团队进一步将超声波与电池内部压力监测结合在热失控预警中实现了比温度信号提前约800秒的早期预警。这些进展表明声学/超声技术正在从实验室走向工程应用成为电池碰撞安全监测的重要补充手段。一、为什么需要超声和弹性波监测1.1 传统监测手段的局限性目前电动汽车电池管理系统BMS主要依赖以下信号进行安全监测监测类型典型参数响应特点电气信号电压、电流、内阻间接指标损伤后期才显著变化温度信号电池表面/模组温度热滞后明显往往滞后于内部损伤压力信号电池包内气压需布置在气密空间对轻微变形不敏感这些方法存在一个共同问题都是被动等待损伤发展到影响宏观物理量的阶段。对于碰撞后电池的未知变形——既没有导致热失控又可能存在内部微损伤的情况——传统手段几乎无能为力。1.2 声学监测的物理优势超声和弹性波技术之所以受到关注源于声学方法独特的物理特性1. 穿透性强超声波能够穿透电池金属外壳不受电磁屏蔽影响2. 对微观结构敏感声波传播速度与材料弹性模量、密度直接相关能感知微小的内部结构变化3. 响应速度快声学信号的响应在毫秒级远快于温度扩散4. 无源被动监测声发射AE技术不需要向电池发射信号只需听内部自然产生的声音。二、超声导波碰撞监测舒淙昊团队研究解读2.1 研究背景与目标2025年重庆大学舒淙昊、杨成、刘冰河等人在《爆炸与冲击》发表了题为基于超声导波的锂离子电池碰撞监测方法的研究论文。该研究针对一个核心问题电池发生碰撞后如何直接感知其内部形变研究团队指出传统方案只能通过电压、温度等二手信号间接判断电池异常缺乏直接的形变监测手段。他们尝试利用小型压电片作为传感器基于超声导波实现对锂离子电池形变和碰撞的监测。2.2 实验设计与方法研究团队搭建了针对锂离子电池的专项实验平台开展两类关键实验准静态压缩实验模拟电池逐渐承受外部载荷的场景观察超声信号随变形程度的演变规律落球冲击实验模拟实际碰撞场景微碰撞分析碰撞冲击对超声信号的影响。2.3 核心发现实验结果揭示了清晰的物理规律发现一超声幅值与变形程度负相关在准静态压缩实验中超声幅值信号随电池变形程度增加而逐渐减小。当电池承受逐渐增大的载荷、变形趋于严重时超声幅值会持续下降当电池发生变形失效时幅值会瞬间跌落。这一现象的物理机制在于电池内部材料电极、隔膜、电解液在压缩载荷下发生密实化导致声学阻抗特性改变进而影响超声信号的传播与衰减。发现二碰撞冲击改变超声信号的能量积分在落球冲击实验中碰撞冲击会同时改变超声信号的幅值和能量积分值。这一特征可作为判断电池是否发生碰撞的直接依据。发现三建立映射关系与判定方法研究团队进一步建立了大变形下超声信号与电池变形失效监测的映射关系提出了碰撞变形下基于超声传感器的判定方法。这为工程应用奠定了理论基础。2.4 技术意义与局限舒淙昊团队的研究首次系统建立了超声导波与电池碰撞形变之间的定量关系证明了声学方法在直接感知电池结构损伤方面的可行性。技术优势 - 传感器体积小可贴附于电池表面或模组壳体 - 无需侵入电池内部不破坏电池密封 - 可同时监测变形程度和碰撞事件。当前局限 - 主要针对单电池/模组级别整车级别的复杂工况尚待验证 - 需要建立不同型号电池的特征数据库 - 信号处理算法复杂度较高实时性挑战。据《基于超声导波的锂离子电池碰撞监测方法》https://www.bzycj.cn/cn/article/doi/10.11883/bzycj-2024-0351三、弹性波触觉感知钛方科技BIMS系统3.1 从汽车皮肤到电池感知北京钛方科技成立于2015年核心技术是基于弹性波的触觉感知方案。2022年公司推出了汽车智能感知系统TAIPSTaifang Automobile Intelligence Perception System将弹性波传感器布置在车身皮肤内部实现对车辆与外界接触事件的精准感知。TAIPS的原理是当车身结构与外部物体发生接触时会产生弹性波在固体材料中传播。传感器捕捉这些弹性波的特征频率、幅值、到达时间差结合AI算法可识别碰撞类型、位置和力度。2024年钛方科技将这一技术延伸至电池领域推出了电池智能监测系统BIMSBattery Intelligent Monitoring System。3.2 BIMS系统技术特点据钛方科技官方技术资料BIMS系统的核心参数如下指标参数值碰撞识别率99.98%误报率0.02%响应时间5ms功耗18mW12V检测灵敏度可检测1km/h极低速度碰撞关键技术创新点全速度域覆盖区别于传统加速度传感器方案BIMS能够检测极低速碰撞1km/h这对于停车场剐蹭、低速行驶刮底等场景尤为重要弹性波特征识别通过分析弹性波的波形特征区分真正的碰撞事件与其他振动如路面颠簸大幅降低误报率碰撞分级与预警系统可评估碰撞严重程度对轻微剐蹭记录存档对严重碰撞触发安全预警低功耗设计18mW的功耗使得7×24小时停车监控成为可能。3.3 产业化进展钛方科技已与多家主流车企开展BIMS系统的测试合作。2024年BIMS系统正式进入量产阶段。2025年12月在第十届铃轩奖评选中BIMS荣获前瞻类动力系统金奖成为唯一同时获得动力系统和车身系统两类奖项的企业。此外钛方科技还在推进弹性波传感器在人形机器人、无人机等领域的应用展现了该技术在多场景触觉感知方面的通用性。据Electronic Design报道https://www.electronicdesign.com/markets/automotive/article/21281941/electronic-design-ev-battery-collision-monitoring-system-based-on-touch-sensing-tech四、被动式超声探针清华大学PUPS系统4.1 解决电池内部监测的世界级难题2026年初清华大学冯雪教授课题组与欧阳明高院士课题组合作在《Joule》期刊发表了题为Passive ultrasonic probe and communication for internal hazards in lithium-ion batteries的研究成果推出了被动式超声探针系统PUPSPassive Ultrasonic Probe System。这项研究直指一个困扰行业已久的问题如何穿透电池金属外壳实时获取电池内部温度和压力信号4.2 技术原理PUPS系统的核心创新在于三点1. 无线穿透利用超声波在金属中的优异穿透性突破电池外壳的电磁屏蔽效应实现电池内部信号的无线传输2. 无源设计传感器本身不需要电池供电工作能量由外部询问器通过超声波提供避免了有源传感器需要额外电源的痛点3. 柔性封装采用聚对二甲苯Parylene封装具备优异的耐腐蚀性可在电池内部强化学腐蚀环境中长期稳定工作。系统采用多层柔性结构设计 - 核心感知层PZT锆钛酸铅压电超声换能器、薄膜压阻式压力传感器、NTC热敏电阻温度传感器 - 连接层可拉伸电极层 - 保护层聚对二甲苯封装。4.3 性能指标PUPS系统的主要性能参数参数指标温度监测保真度0.1°C压力监测精度0.5 kPa时间分辨率100 ms长期工作稳定性2600小时植入后电池容量保持率99.6%方形电池、98.4%软包电池4.4 关键发现压力比温度提前800秒预警PUPS系统在热失控监测实验中取得了一项重要发现在锂离子电池热失控过程中内部压力激增比温度快速上升提前约800秒出现。这意味着 - 通过监测内部压力可以比传统温度监测方式提前超过13分钟发现电池异常 - 压力信号是电池故障的最早预测指标 - 通过压力信号的二阶导数可在更早期识别异常特征。研究还将电池内部压力解耦为两部分 -可逆压力由锂离子嵌入/脱出导致的电极厚度变化电极压力 -不可逆压力由电解液副反应产生的气体积累气体压力。在长循环测试中气体压力逐渐成为主导因素占比稳定在约80%这为预测电池寿命和爆炸风险提供了新依据。4.5 与传统监测手段的对比监测方案侵入性供电需求信号类型预警提前量外部温度监测无无间接无光纤植入破坏密封有源直接有限极耳引出监测破坏密封有源直接有限PUPS系统无需破坏无源直接约800秒据Joule论文: Muyao Wang, Zhixing Yang, Shuoyuan Mao, Taisong Pan, Haicheng Li, Minggao Ouyang, Xue Feng. Passive ultrasonic probe and communication for internal hazards in lithium-ion batteries. 2026, 10(6): 102353.五、声发射技术从听电池到诊断电池5.1 声发射AE技术原理声发射Acoustic EmissionAE是一种被动无损检测技术其原理是当材料内部发生微裂纹扩展、颗粒破碎、气体析出等动态过程时会以弹性波的形式释放能量。AE传感器通常为PZT压电材料捕捉这些微弱的声学信号经过放大、滤波和分析后可以推断出材料内部的损伤类型和程度。AE技术在土木工程、航天航空等领域已有数十年应用历史近年来被引入电池健康监测领域。5.2 捷克技术大学综述研究2025年捷克技术大学Sedláčková等人发表了题为Acoustic Emission Technique for Battery Health Monitoring: Comprehensive Literature Review的综述论文系统梳理了声发射技术在锂离子电池健康监测中的应用。综述核心要点AE对机械变化高度敏感声发射信号与电极材料颗粒破碎、裂纹扩展、锂枝晶生长等机械失效过程直接相关可检测的典型现象颗粒破裂particle fracture锂枝晶生长dendrite growth气体析出gas generationSEI膜形成与破裂技术优势非破坏性评估无需拆解电池被动监测不向系统引入外部能量可实现实时在线监测。与EIS的互补性声发射检测机械失效EIS检测电化学性能二者结合可提供更全面的电池健康评估。5.3 非线性超声导波的微观缺陷识别2026年发表的一项研究探索了非线性超声导波在电池电极微观缺陷识别中的应用。研究团队采用非线性超声导波测量系统检测电极样本利用相位反转法分离基波、二次谐波与非线性超声信号构建了多类特征数据集。研究结果表明 - 二次谐波携带基波不具备的微观缺陷信息 - 非线性超声特征集识别性能最优 - 基于1D-CNN特征提取与梯度提升机GBM分类的NU-CNNGBM算法电极缺陷平均识别率达94.35%对颗粒状异物的识别率为91%。据Batteries期刊: Sedláčková E, Pražanová A, Plachý Z, Klusoňová N, Knap V, Dušek K. Acoustic Emission Technique for Battery Health Monitoring: Comprehensive Literature Review.Batteries. 2025; 11(1):14.六、低成本超声检测方案Drexel大学研究6.1 从奢侈品到标配的路径超声检测技术在电池领域面临的最大障碍之一是成本。传统商业扫描声学显微镜SAM价格动辄数十万甚至上百万美元令大多数研究机构和中小企业望而却步。Drexel大学Wesley Chang教授团队致力于解决这一问题。2025年团队在《Electrochimica Acta》发表论文详细介绍了低成本超声检测仪器的设计方案。6.2 系统设计该系统的核心设计理念是模块化、开放源码、低成本组件方案成本超声换能器市售商用产品1000美元驱动电路自主设计500美元运动平台3D打印步进电机500美元软件开源Python程序免费系统总成本-10000美元相比商业SAM系统10-100万美元该方案成本降低了99%以上。6.3 应用验证Drexel团队将系统应用于退役电池分选。实验结果表明 - 容量低于240Ah的电池超声信号平均幅值比高容量电池低40%以上 - 主要原因是老化电池内部产生的气体积累导致声波衰减加剧 - 该方法可快速筛查出容量不足的退役电池大幅提高分选效率。6.4 Joule综述超声检测从实验室到产业2026年Chang团队进一步在《Joule》发表了题为Ultrasonic Testing in Battery Research and Production的综述系统总结了超声检测在电池研发和生产中的应用现状与挑战。综述指出超声检测技术的三大应用场景 1.研发阶段电池材料表征、充放电过程监测、失效机理研究 2.生产阶段电极涂布质量检测、电解液浸润检测、成品电池缺陷筛查 3.运维阶段在役电池健康评估、退役电池分选。据Drexel大学研究: Sam Amsterdam, Aamani Ponnekanti, Nicolina Nanni, et al. Ultrasonic testing in battery research and production. Joule, 2026, 10(5):102402.七、技术成熟度评估7.1 各技术路线成熟度对比技术路线成熟度产业化进度核心优势主要挑战弹性波触觉感知BIMS★★★★☆已量产低成本、高可靠、低功耗只能感知外壳振动无法探测内部超声导波监测★★★☆☆研究阶段可感知内部形变需建立数据库算法复杂被动式超声探针PUPS★★★☆☆研究阶段无线穿透内部直接感知需植入电池长期可靠性待验证声发射监测★★★☆☆研究阶段被动感知早期预警信号微弱环境噪声干扰大7.2 从实验室到量产的差距信号处理复杂性超声和声发射信号包含大量信息但有效特征提取需要复杂的算法。当前研究多依赖离线分析实时性仍是挑战。环境噪声干扰车载环境中振动噪声、路面激励、电机噪声等都会干扰声学传感器。如何在高噪声背景下提取有效信号是关键课题。数据库建设需求不同型号、不同状态电池的声学特征差异显著。要实现可靠的碰撞/损伤判定需要建立庞大的特征数据库并持续更新。长期可靠性验证电池设计寿命8-10年而大多数研究仅验证了数百至数千小时的短期稳定性。传感器在长期循环后的性能衰减、老化等问题尚需深入研究。与电池体系的适配性不同化学体系三元、磷酸铁锂、固态电池、不同形态方形、圆柱、软包的电池其声学特性差异较大需要针对性的方案设计。八、与传统方案的互补性分析8.1 传感技术定位对比声学/超声技术并非要取代传统传感器而是提供一种互补的监测维度监测维度传统传感器声学/超声技术间接vs直接通过电压/温度等间接推断直接感知结构/内部状态响应时机损伤发展到宏观阶段可能在损伤早期捕获信号信息类型电-热耦合信号机械-结构响应信号侵入性通常非侵入部分方案需植入8.2 多传感器融合建议综合当前技术现状建议采用多传感器融合策略构建电池碰撞安全监测系统基础层MEMS加速度传感器成本低、成熟可靠→ 检测碰撞事件触发初步告警增强层弹性波触觉传感器BIMS→ 提高碰撞识别准确率降低误报率深度层超声导波/声发射 → 评估碰撞导致的内部损伤程度判断是否需要进一步检查可选层内部植入传感器PUPS→ 对高安全等级应用提供内部温度/压力的直接监测。九、FAQ模块Q1超声导波和声发射是一回事吗不是。两者有本质区别超声导波是主动式方法需要向电池发射超声波信号然后接收透射或反射信号进行分析声发射AE是被动式方法不需要发射信号只听电池内部自然产生的声学信号。超声导波适用于检测已知位置的结构变化声发射适用于监测随机发生的动态过程如裂纹扩展。Q2BIMS和加速度传感器在碰撞检测方面有何差异传统加速度传感器方案面临两大挑战一是难以准确检测轻微碰撞信号微弱二是容易在非碰撞场景如颠簸路面产生误报。BIMS采用的弹性波传感技术能够 1. 检测极低速碰撞1km/h这是加速度传感器难以做到的 2. 通过波形特征区分碰撞事件与其他振动误报率0.02% 3. 响应速度快5ms适合实时预警。Q3PUPS系统植入电池会不会影响电池性能据清华大学研究数据植入PUPS后 - 方形电池200次循环后容量保持率99.6% - 软包电池200次循环后容量保持率98.4% - 长期工作超过2600小时性能稳定。但需要注意PUPS目前仍处于研究阶段量产装车前还需要通过严格的车规级可靠性验证。Q4超声检测的成本前景如何成本是超声检测技术推广的关键。Drexel大学的工作表明基于商用器件的低成本超声检测系统总成本可控制在1万美元以内远低于传统商业设备。随着技术成熟和规模效应预计 - 工业级超声检测设备未来3-5年有望降至1000-5000美元区间 - 车载级超声传感器当前BIMS系统已进入量产成本与普通MEMS传感器相当。Q5这项技术能否检测电池内部的微短路这是研究热点之一。理论上声发射技术可以捕捉锂枝晶生长产生的微弱信号但目前尚缺乏足够的实验数据支撑实际应用。主要挑战在于 - 信号非常微弱需要极高的信噪比 - 需要区分正常的微小声学事件与危险的异常事件 - 缺乏大量的失效案例数据库用于训练算法。十、未来展望10.1 技术发展方向AI驱动的信号解译深度学习在声学信号处理领域展现出巨大潜力。未来结合大量实验数据和神经网络算法有望实现自动化的损伤识别和程度评估。多模态融合超声/声发射与电化学阻抗谱EIS、X射线CT等技术的融合可提供更全面的电池健康视图。集成化方案将传感器、信号处理电路、无线通信模块集成为一体化模组降低系统复杂度。固态电池适配固态电池内部不含液态电解液声学特性与传统锂离子电池差异显著需要专门的技术适配。10.2 应用场景拓展智能电动汽车作为电池安全监测的标配提升主动安全水平储能电站大规模电池簇的状态监测和故障预警消费电子手机、笔记本等小型电池的安全监测低空经济无人机、eVTOL等新兴领域的电池安全需求。参考文献[1] 舒淙昊, 杨成, 童伟豪, 李洁, 刘冰河. 基于超声导波的锂离子电池碰撞监测方法[J]. 爆炸与冲击, 2025, 45(2): 021442.[2] Muyao Wang, Zhixing Yang, Shuoyuan Mao, Taisong Pan, Haicheng Li, Minggao Ouyang, Xue Feng. Passive ultrasonic probe and communication for internal hazards in lithium-ion batteries. 2026, 10(6): 102353.[3] Sedláčková E, Pražanová A, Plachý Z, Klusoňová N, Knap V, Dušek K. Acoustic Emission Technique for Battery Health Monitoring: Comprehensive Literature Review.Batteries. 2025; 11(1):14.[4] Amsterdam S, Chang W. Design of a low-cost ultrasonic testing instrument for battery metrology[J]. Electrochimica Acta, 2025, 524: 146012.[5] Sam Amsterdam, Aamani Ponnekanti, Nicolina Nanni, et al. Ultrasonic testing in battery research and production. Joule, 2026, 10(5):102402.[6] Taifang Technology. Battery Intelligent Monitoring System (BIMS)[EB/OL]. https://www.taifangtech.com/[7] 清华大学冯雪课题组. 柔性超声无源探测锂离子电池内部失效取得突破进展[EB/OL]. 2026. https://www.jinguxun.com/article/7801887[8] Electronic Design. EV Battery Collision Monitoring System Based on Touch-Sensing Tech[EB/OL]. 2024. https://www.electronicdesign.com/markets/automotive/article/21281941/electronic-design-ev-battery-collision-monitoring-system-based-on-touch-sensing-tech[9] Drexel University News. Spotting Bad Batteries Before They Malfunction[EB/OL]. 2025. https://drexel.edu/news/archive/2025/June/ultrasound-battery-diagnostic[10] 张敏讷, 郑岳久, 孙茂循, 等. 电极内部缺陷的非线性超声导波智能识别研究[J]. 声学技术, 2026, 46(0): 1-8.[11] 铃轩奖. 钛方科技独揽双奖[EB/OL]. 2025. http://m.toutiao.com/group/7581115453628629567/本文仅对文献和其他公开信息做分析属个人兴趣不构成对文献观点作者的背书亦不代表任何文献作者和机构组织的立场或利益。关键词超声导波 | 弹性波 | 声发射 | 碰撞监测 | 电池安全 | 变形感知 | 被动式超声探针 | BIMS | 热失控预警 | 状态监测本文为动力电池底部碰撞安全系列第7篇前序文章涵盖压力传感器、气体传感器、加速度传感器、光纤传感器等技术方向。