CN104538694B - 基于电阻抗成像技术的锂电池组监测系统及监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电阻抗成像技术的锂电池组监测系统，包括粘贴在锂电池表面的压阻薄膜(1)，连接在压阻薄膜(1)边缘均匀分布的电极(2)，埋在压阻薄膜(1)内部的温度传感器(3)以及与电极(2)和温度传感器(3)分别相连的计算机信息处理单元(4)。计算机信息处理单元(4)采用电阻抗成像方法，通过对电极(2)所采集的电压信息以及温度传感器(3)采集的温度信息进行处理，反演计算锂电池表面的形变信息，再根据形变信息来判断锂电池的工作状态，正常时继续监测；不正常时报警并处理。

Description

基于电阻抗成像技术的锂电池组监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种软包装聚合物锂电池组的在线监测系统及其监测方法。
背景技术
被誉为21世纪绿色化学能源的聚合物锂电池，单位能量和容量比一般锂离子电池高2～3倍，在充放电特性、循环寿命、环保性等方面具有优越的性能，广泛应用于电力行业的大规模储能。但是，以铝塑复合膜包裹的软包装聚合物锂电池在过充、过放、变形或腐蚀过程中都极易损坏，对整个电力系统影响极大，急需一种电池检测方法以实现聚合物锂电池工作状态的线监测。
目前，对于蓄电池的检测技术主要有以下几种：
一是通过向蓄电池中注入一个小的电流，通过检测电池的内阻，来判断电池的容量情况，进而实现对电池工作状态的检测。
二是通过检测蓄电池的充放电状态，利用蓄电池的充放电特性以及放电深度等一些参数来对蓄电池的工作状态进行评估。
三是通过检测蓄电池的输出电流、电压等参数，对比正常工作时蓄电池的输出电流以及电压，来判定蓄电池的工作状态。
以上这些方法都可以实现对蓄电池工作状态的检测，但考虑到检测装置对蓄电池工作系统的影响，很难实现蓄电池，特别是软包装聚合物锂电池在线工作状态的监测。并且上述方法都是基于单体蓄电池的检测，而对于蓄电池组的检测，目前尚没有十分有效的方法。
聚合物锂电池采用软包装材料包装，在过充、过放、短路或电池芯腐蚀、铝塑膜变形破损时，都会造成电池的鼓胀。通过在线检测聚合物锂电池组中各锂电池的鼓胀状态，便可根据其鼓胀过程中的特点，判断其是否处于正常工作状态，监测其正常运行。
针对锂电池膨胀的外形监测可以采用电阻应变片来实现，但这种对形变的监测需要将多个电阻应变片粘贴在锂电池表面，线路比较复杂，成本相对较高，使用和维护不便。
发明内容
本发明的目的是克服上述几种现有的蓄电池检测技术的缺点，提出一种基于电阻抗成像方法的软包装聚合物锂电池组在线监测系统及监测方法。
本发明基于电阻抗成像技术的锂电池组在线监测系统主要由粘贴在锂电池表面的压阻薄膜，连接在压阻薄膜边缘均匀分布的电极，埋在压阻薄膜内部的温度传感器，及与电极和温度传感器分别相连的计算机信息处理单元组成。
本发明所述的压阻薄膜采用具有压阻效应的柔性导电橡胶材料制作，其形状弯曲程度和大小根据锂电池表面的形状大小而定。所述的柔性导电橡胶材料是由炭黑或者纳米粒子等复合导电材料填充到硅橡胶中形成的。所述的电极采用具有高电导率的石墨烯填充橡胶材料制成。所述的压阻薄膜的内、外表面，以及压阻薄膜与电极连接处均涂有柔性绝缘材料，用以防止外界接触物对监测信息的电干扰。
本发明利用软包装聚合物锂电池在非正常工作时外形膨胀的特点，当软包装聚合物锂电池外形发生形变时，粘贴在锂电池表面的压阻薄膜也会跟随其发生形变，进而导致压阻薄膜形变区域的电阻率产生变化，利用电阻抗成像技术监测电阻率变化便可以实现对锂电池工作状态的监测。
采用本发明监测系统的监测方法如下：
1)计算机信息处理单元首先对粘贴在锂电池表面的压阻薄膜编号，并将此压阻薄膜编号存储待用，同时对压阻薄膜内的电极和温度传感器也编号存储；
2)在聚合物锂电池工作时，由压阻薄膜内某一相邻电极注入电流，其余电极采集电压信息。信息采集完成后，按顺时针或逆时针方向逐一轮换电极注入电流，其余电极采集电压信息，直至电极轮换一周。同时温度传感器对压阻薄膜内部温度进行采集，所采集的电压和温度信息输送至计算机信息处理单元；
3)计算机信息处理单元根据压阻薄膜编号，以及电极和温度传感器编号对输送进来的电压及温度信息依据所属的不同压阻薄膜分组；
4)计算机信息处理单元采用电阻抗成像方法，利用准静态场方程和有限元算法，根据分组后的压阻薄膜边缘电压和内部温度信息，计算重建压阻薄膜内的电阻率分布情况，再根据压阻薄膜本身的压阻特性，利用压力与电阻率变化的对应关系反演计算压阻薄膜的形变情况，进而判断聚合物锂电池表面的形变情况；
5)计算机处理单元根据聚合物锂电池表面形变情况对其工作状态进行判定。当每个锂电池的形变在正常工作范围内时，继续保持监测状态，接收输送进来的电压以及温度信息并反演锂电池形变情况；当锂电池的形变或温度信息超出正常工作范围之外，计算机信息处理单元报警，并根据形变以及温度信息判别锂电池的状态：过充、过放、短路或电池芯腐蚀、铝塑膜变形破损等，对锂电池进行处理。
所述的锂电池形变的正常工作范围是指锂电池正常工作时，由于充、放电特性造成的锂电池外表面的发热膨胀形变。这一形变范围是与锂电池本身的设计特点，如电极芯的粗细、导电液的多少、电池的容量、电池构造等有关，一般在5％以下。
本发明所述的基于电阻抗成像技术的软包装聚合物锂电池组在线监测系统相比阵列式形变监测系统来说，不需要分布较多的监测传感器，成本可以极大降低，线路简单，系统可靠性也得到了极大提升，同时不会对电力系统地储能造成影响。本系统可以实现对多组电池的工作状态监测，并可将工作状态出错的锂电池及时报告处理，减少了因过冲、过放等对锂电池造成的影响，提高了锂电池的使用寿命，避免了因电池损坏而造成的电力系统停滞检修等状况的发生，更适于电力系统储能模块的大规模使用。
附图说明
图1本发明的基于电阻抗成像技术的软包装聚合物锂电池在线监测系统原理图；
图2本发明的压阻薄膜的垂直剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明的软包装聚合物锂电池组在线监测系统主要由粘贴在锂电池表面的压阻薄膜1，连接在压阻薄膜1边缘均匀分布的电极2，埋在压阻薄膜1内部的温度传感器3，及与电极2和温度传感器3分别相连的计算机信息处理单元4组成。如图1所示。
本发明所述的压阻薄膜1采用具有压阻效应的柔性导电橡胶材料制作，其形状弯曲程度和大小根据锂电池表面的形状大小而定。所述的柔性导电橡胶材料是由炭黑或者纳米粒子等复合导电材料填充到硅橡胶中形成的。所述的电极2采用具有高电导率的石墨烯填充橡胶材料制成。所述的压阻薄膜1的内、外表面，以及压阻薄膜1与电极2连接处均涂有柔性绝缘材料5，用以防止外界接触物对监测信息的电干扰。所述的压阻薄膜1的垂直剖面图如图2所示。
所述的基于电阻抗成像技术的软包装聚合物锂电池在线监测系统的监测方法说明如下：
1)计算机信息处理单元4首先对粘贴在锂电池表面的压阻薄膜1编号，并将此压阻薄膜编号存储待用，同时对压阻薄膜1内的电极2和温度传感器3也编号存储；
2)在聚合物锂电池工作时，由压阻薄膜1内某一相邻电极2注入电流，其余电极采集电压信息。信息采集完成后，按顺时针或逆时针方向逐一轮换电极2注入电流，其余电极采集电压信息，直至电极2轮换一周。同时温度传感器3对压阻薄膜1内部温度进行采集，所采集的电压和温度信息输送至计算机信息处理单元4；
3)计算机信息处理单元4根据压阻薄膜编号以及电极2和温度传感器3编号对输送进来的电压及温度信息依据所属的不同压阻薄膜分组；
4)计算机信息处理单元4采用电阻抗成像方法，利用准静态场方程和有限元算法，根据分组后的压阻薄膜1边缘电压和内部温度信息，计算重建压阻薄膜1内的电阻率分布情况，再根据压阻薄膜1本身的压阻特性，利用压力与电阻率变化的对应关系反演计算压阻薄膜的形变情况，进而判断聚合物锂电池表面的形变情况；
5)计算机处理单元4根据聚合物锂电池表面形变情况对其工作状态进行判定。当锂电池的形变在正常工作范围内时，继续保持监测状态，接收输送进来的电压以及温度信息并反演锂电池形变情况；当锂电池的形变或温度信息超出正常工作范围之外，计算机信息处理单元4报警，并根据形变以及温度信息判别锂电池的状态：过充、过放、短路或电池芯腐蚀、铝塑膜变形破损等，对锂电池进行处理。
所述的锂电池形变的正常工作范围是指锂电池正常工作时，由于充、放电特性造成的锂电池外表面的发热膨胀形变。这一形变范围是与锂电池本身的设计特点，如电极芯的粗细、导电液的多少、电池的容量、电池构造等有关，一般在5％以下。
本发明所述的基于电阻抗成像技术的软包装聚合物锂电池在线监测系统可以通过提高注入电流大小、增加电极2数量和采用多个周期数据平均等手段来进一步提高监测的准确度。
所述的压阻薄膜1和电极2的形状及尺寸、温度传感器3的数量和位置可根据实际需要进行选择。
本发明所述的基于电阻抗成像技术的软包装聚合物锂电池在线监测系统可以实现对多组电池的工作状态监测，并可将工作状态出错的锂电池及时报告并处理，减少了因过冲、过放等对锂电池造成的影响，提高了锂电池的使用寿命。

Claims (1)

1.一种基于电阻抗成像技术的锂电池组监测方法，应用所述监测方法的监测系统包括粘贴在聚合物锂电池表面的压阻薄膜(1)、连接在压阻薄膜(1)边缘均匀分布的电极(2)、埋在压阻薄膜(1)内部的温度传感器(3)，以及分别与电极(2)和温度传感器(3)相连的计算机信息处理单元(4)；所述的压阻薄膜(1)采用具有压阻特性的柔性导电橡胶材料制作，其形状弯曲程度和大小根据锂电池表面的形状大小而定，
其特征在于：所述的监测方法对聚合物锂电池组的监测步骤如下：
1)计算机信息处理单元(4)首先对粘贴在聚合物锂电池表面的压阻薄膜(1)编号，并将此压阻薄膜编号存储待用，同时对压阻薄膜(1)内的电极(2)和温度传感器(3)也编号存储；
2)在聚合物锂电池工作时，由压阻薄膜(1)内某一相邻电极(2)注入电流，其余电极采集电压信息；信息采集完成后，按顺时针或逆时针方向逐一轮换电极(2)注入电流，其余电极采集电压信息，直至电极(2)轮换一周；同时温度传感器(3)对压阻薄膜(1)内部温度进行采集，所采集的电压和温度信息输送至计算机信息处理单元(4)；
3)计算机信息处理单元(4)根据压阻薄膜编号，以及电极(2)和温度传感器(3)编号对输送进来的电压及温度信息依据所属的不同压阻薄膜分组；
4)计算机信息处理单元(4)采用电阻抗成像方法，利用准静态场方程和有限元算法，根据分组后的压阻薄膜(1)边缘电压和内部温度信息，计算重建压阻薄膜(1)内的电阻率分布情况，再根据压阻薄膜(1)本身的压阻特性，利用压力与电阻率变化的对应关系反演计算压阻薄膜的形变情况，进而判断聚合物锂电池表面的形变情况；
5)计算机处理单元(4)根据聚合物锂电池表面形变情况对其工作状态进行判定；当每个聚合物锂电池的形变在正常工作范围内时，继续保持监测状态，接收输送进来的电压以及温度信息并反演锂电池形变情况；当聚合物锂电池的形变或温度信息超出正常工作范围之外，计算机信息处理单元(4)报警，并根据形变以及温度信息判别聚合物锂电池的状态：过充、过放、短路或电池芯腐蚀、铝塑膜变形破损，对聚合物锂电池进行处理。
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