CN105437989B - 用于测量电池内部状态的传感器系统 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于测量电池内部状态的传感器系统。描述了用于感测车辆电池的内部状态的系统和方法。从所述内部状态信息，电池的各种物理性质可以被测量、计算或推导。车辆可以包括：电动马达；电池，存储用于电动马达的电能；传感器，被连接到电池，并用于感测电池状态、接收输入信号并且无线发送指示电池状态的输出信号。所述车辆还可以包括控制电路，所述控制电路用于接收输出信号并且控制电动马达和电池。在示例中，电池可以具有基于电池的状态而变化的物理性质。所述物理性质可以通过所述传感器来测量。所述传感器可以是无源的并且被内置于电池的结构中。所述传感器可以是磁场传感器或声表面波传感器。

Description

用于测量电池内部状态的传感器系统
技术领域
各种实施例涉及用于感测电池状态的系统和方法，以及使用这样的系统和方法的车辆。
背景技术
在车辆中使用的电池可以使用各种传感器来被监测以确定电池的物理性质。电池的温度会接近于在连接到电池的汇流条上的热敏电阻的温度。电池单元电压可以使用芯片来测量，所述芯片可以被多路连接到多个电池单元、与物理线路相连接并且从电池单元本身汲取电力。电流测量可以使用霍尔效应电流传感器来实现，所述霍尔效应电流传感器在连接到电池的载流导体的两端产生电势差。对提高由电池驱动的车辆的效率存在着期望，关于电池物理状态的改进的数据可能会引起性能的改进。
发明内容
描述了用于感测用于车辆的电池的内部状态的系统和方法。从所述内部状态信息，电池的各种物理特性可以被测量、计算或推导。
一种电动车辆(例如，HEV)可以包括：电动马达；电池，存储用于所述电动马达的电能；传感器，被连接到所述电池，并用于感测电池状态、接收输入信号并且无线发送指示所述电池状态的输出信号；以及控制电路，用于接收所述输出信号并控制所述电动马达和所述电池。在特定示例中，所述电池可以具有基于电池的状态而改变的物理性质。所述物理性质可以通过所述传感器来测量。所述传感器可以是无源的，并且被内置于电池的结构中。
在示例中，所述传感器可以是无源射频识别标签。所述电池包括具有基于电池状态而变化的杨氏模量的电极，并且无源射频识别标签基于所述杨氏模量的变化而改变所述标签的输出信号。所述控制电路使用输出信号的变化来确定电池的荷电状态(SOC)或健康状态(SOH)(或电池的荷电状态(SOC)和健康状态(SOH)二者)。
在示例中，所述传感器是声表面波装置。所述声表面波装置可以被嵌入在电池中，并且包括多个声反射器。所述声表面波装置可以将所述输入信号转换为声表面波信号，所述声表面波信号被所述多个声反射器反射而产生反射信号，并且所述声表面波装置随后可以将所述反射信号转换为输出信号。所述控制电路可以使用输出信号的变化来确定电池温度、荷电状态(SOC)、或健康状态(SOH)(或它们的组合)。所述控制电路可以确定所述输入信号和输出信号之间的相移，以确定电池温度。
本公开还描述了一种可以包括以上示例中的任何一个的可再充电电池监测系统。这样的监测系统可以与车辆(诸如，汽车、混合动力电动车辆)、移动电子设备、移动通信设备等一起使用。所述可再充电电池监测系统包括：连接到电池的声表面波传感器，所述声表面波传感器基于电池针对输入信号并且指示电池电极的杨氏模量的响应来感测电池的状态；控制电路，基于所述状态控制电池的运行。所述传感器包括无源射频识别标签。所述状态是荷电状态(SOC)、健康状态(SOH)或温度。所述传感器被嵌入在电池中。所述传感器包括多个声反射器，并且还被配置为：将输入信号转换为声表面波信号，所述声表面波信号被所述反射器反射以产生所述响应。
还公开了一种电池状态确定方法或者用于检测电池状态的方法，所述方法可以包括：无线发送输入信号，通过连接到电池的无源传感器接收所述输入信号，输出基于电池的模量而变化的响应信号或输出信号，并且使用所述响应信号或输出信号确定电池状态。所述输入信号是磁场。所述输入信号是电磁信号，并且所述传感器是感测电池电极的应变的声表面波传感器，并且，输出所述响应信号的步骤包括：将所述响应信号从声表面波传感器无线输出到在电池外面的接收器。
附图说明
图1是具有电池组的示例性混合动力电动车辆。
图2是包括电池单元以及电池单元监测和控制系统的电池组设置。
图3是在示例中的具有无源传感器和读取器的电池单元的示意图。
图4示出了用于电池单元的传感器的示意图。
图5是在示例中与电池单元一起使用的声表面波传感器的示图。
图6是在示例中与电池单元一起使用的无源传感器的示图。
图7A和图7B示出了根据在此的教导的基于电池单元的物理特性而具有不同的传感器读数的传感器。
图8示出了用于电池单元的无源感测的方法。
图9至图12示出了用于电池的传感器的示意图。
图13示出了电池传感器的应变和位置的曲线图。
图14示出了分数速度(fractional velocity)相对于在电池传感器上的力的曲线图。
具体实施方式
本文档在此详细描述了本发明的实施例；然而，应当理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，其可以以多种替代形式实施。附图无需按比例绘制；可夸大或缩小一些特征以显示特定组件的细节。因此，此处所公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制，而仅仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域的普通技术人员将理解的，参照任一附图示出和描述的多个特征可与一个或更多个其他附图中示出的特征相组合以形成未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，可期望将与本公开的教导一致的特征的多种组合和变型用于特定应用或实施方式。
图1示出了插电式混合动力电动车辆的示例100。插电式混合动力电动车辆102可以包括机械连接到混合动力传动装置106的一个或更多个电动马达104。另外，混合动力传动装置106机械连接到发动机108(例如，内燃发动机)。混合动力传动装置106还可以机械连接到驱动轴110，驱动轴110机械连接到车轮112。当发动机108开启时，电动马达104能提供推进力。当发动机108关闭时电动马达104能提供减速能力。电动马达104可以被配置为发电机，并且能通过回收在摩擦制动系统中通常将作为热量损失掉的能量而提供燃料经济性效益。由于在特定条件下混合动力电动车辆102可以以电动模式运转，因此电动马达104还可以减少车辆排放。
牵引电池或电池组114存储电动马达104可以使用的能量。车辆电池组114通常提供高电压DC输出。电池组114电连接到电力电子模块116。电力电子模块116还电连接到电动马达104，并且在电池组114和电动马达104之间提供双向传输能量的能力。例如，电池组114可以提供DC电压，而电动马达104可能需要三相AC电来运转。电力电子模块116可以将DC电压转换为电动马达104需要的三相AC电流(例如，通过使用逆变器模块)。在再生模式下，电力电子模块116将来自作为发电机的电动马达104的三相AC电流转换为电池组114所需要的DC电压(也通过使用逆变器模块或其他电路)。在此描述的方法同样适用于纯电动车辆或者使用电池组的任何其他装置或车辆。
电池组114除了提供用于推进的能量之外，还可以提供用于车辆其他电气系统的能量。这样的系统可以包括将电池组114的高电压DC输出转换为与车辆其他负载兼容的低电压DC供应的DC/DC转换器模块118。其他高电压负载(诸如，压缩机和电热器)可以直接连接到从电池组114引出的高电压总线。在车辆中，低电压系统可电连接到12V电池120。纯电动车辆可以具有类似的结构，只是没有发动机108。
电池组114可通过外部电源126进行再充电。外部电源126可以经由充电端口124通过电连接向车辆102提供AC或DC电力。充电端口124可以是被配置为从外部电源126向车辆102传输电力的任何类型的端口。充电端口124可以电连接到电力转换模块122。电力转换模块可以适配来自外部电源126的电力以向电池组114提供适合的电压和电流水平。在一些应用中，外部电源126可以被配置为向电池组114提供适合的电压和电流水平，因此，电力转换模块122可能不是必需的。在一些应用中，电力转换模块122的功能可以设置在外部电源126中。车辆发动机、变速器、电动马达、电池、电力转换器件以及电力电子器件可由动力传动系统控制模块(PCM)128来控制。
电池组114可以包括多个电池单元，所述电池单元具有将电池单元电连接到其他电路的电极。电池参数和状态可以通过在电池组或每个电池单元中放置无源传感器来感测。电池外部的信号可以询问传感器。在示例中，所述信号还可激励传感器。所述传感器可以利用包括射频识别标签技术以及电池感测技术。随后所述传感器将电池组外的感测信号发送到连接到其他车辆电路的接收器。
除了示出插电式混合动力车辆之外，图1还可示出在发动机108被去除的情况下的电池电动车辆(BEV)。同样地，图1可示出在组件122、124和126被去除的情况下的传统的混合动力电动车辆(HEV)或动力分流式混合动力电动车辆。图1还示出高电压系统，所述高电压系统包括电动马达、电力电子模块116、DC/DC转换器模块118、电力转换模块122和电池组114。高电压系统和电池组包括高电压组件，所述高电压组件包括汇流条、高电压连接器、高电压线以及电路中断装置。
可以通过多种化学配方构建电池组中的独立电池单元。电池组化学成分可包括但不限于铅酸、镍镉(NiCd)、镍金属氢化物(NIMH)、锂离子或锂离子聚合物。图2示出了N个电池单元模块202简单串联配置的电池组200。电池单元模块202可包含单个电池单元或使用在电极处做出的连接进行并联电连接的多个电池单元。然而，电池组可以由串联、并联或它们的某些组合形式连接的任意数量的独立电池单元和电池单元模块组成。系统可以具有一个或更多个控制器，诸如，监测并控制电池组200的性能的电池控制模块(BCM)208。BCM 208可以监测多个电池组水平特性(诸如，由电流传感器测量的电池组电流206、电池组电压(210)以及电池组温度(212))。在某些设置中，为了建立可靠的电池监测系统，电流传感器206的性能可能是必要的。电流传感器的准确度有益于估计电池荷电状态和容量。电流传感器可利用基于物理原理的多种方法来检测电流，所述电流传感器包括霍尔效应IC传感器、变压器或电流钳、电阻器(在电阻器中，电压与经过其的电流成正比)、利用干涉仪来测量由磁场产生的光的相位变化的光纤或罗氏线圈(Rogowski coil)。如果电池单元正在充电或放电使得进入或流出电池单元的电流超过阈值，那么电池控制模块可以通过使用诸如熔断器或电路断路器的电路中断装置(CID)来使电池单元断开连接。
随着荷电状态变化，电池单元可以表现出物理变化(诸如，溶胀和收缩(其改变电池单元的杨氏模量))。就包括由金属氧化物和锂离子制成的电极的锂(Li)离子电池而言，分别在放电和充电期间，Li嵌入电极和从电极脱嵌。该过程导致微观结构的改变(溶胀和收缩)，从而改变电极的模量(材料性质)。例如，石墨的模量随着锂离子的嵌入而增加。当充满锂离子时，石墨电极的杨氏模量变化了几乎3倍。根据在此描述的系统和方法(例如，位于或在电池单元或电池组内的传感器)，模量的变化可以被测量。
除了电池组水平特性外，还可需要测量和监测电池单元水平特性。例如，可以测量每个电池单元或电池单元的代表性子集的端电压、电流和温度。系统可以使用传感器模块204来测量一个或更多个电池单元模块202的特性。所述特性可以包括电池单元电压、温度、寿命、充电/放电循环的次数等。在示例中，传感器模块204将测量电池单元电压。电池单元电压可以是单个电池的电压或并联或串联电连接的一组电池的电压。电池组114可以利用多达Nc个传感器模块204来测量电池单元202的代表性样本或全部的特性。传感器模块204可以与电池单元传感器220进行通信。电池单元传感器220-1、220-2、……220-N-1以及220-N被固定到每个电池单元1、2、……N-1、N。电池单元传感器可以是与电池单元结构集成的无源传感器(例如，射频识别标签、声表面波传感器或其他类似的传感器)。电池单元传感器220可以感测电池单元的物理性质，并且可以响应于测量的电池单元的物理性质而产生可以被传感器模块204接收的输出信号。每个传感器模块204可以将测量结果传输至BCM 208，以作进一步的处理和协调。传感器模块204可以将模拟或数字形式的信号传输至BCM 208。电池组114还可包含电池配电模块(BDM)214，BDM 214控制电流进出电池组114的流动。
图3示出了用于电池单元301的传感器220的示意图。传感器220包括在电池单元301的一端输入测试信号305的信号输入装置303(例如，换能器)。测试信号305是在电池单元301中传输的物理波或传播波。当测试信号305穿过电池单元时，电池单元301的结构和介质修改或改变测试信号305。修改后的信号由至少一个输出装置309(例如，换能器)接收。在图3所示出的示例中，输出装置309位于电池单元301的对立的一端。如果有多个输出装置309，那么这些输出装置可以位于电池单元301的同一端(如示出的示例)或可以位于电池单元的不同侧。输出装置309将传播波转换成可以被无线传输至传感器模块204(参见例如图2)的信号。输出装置309可以直接将信号发送到传感器模块，或者可以修改或解释接收到的信号并将结果发送到传感器模块。对于用于电动车辆的电池而言，随着模量的变化(模量的变化可能取决于电池单元的电荷)，传播通过电池单元的测试信号可以在速度、相位、幅值和/或损耗上进行改变。所述模量的变化可能与电池或电池单元的SOC和健康状态(SOH)直接相关。
传感器220的测试信号305应该被选择以满足传播通过电池的要求。测试信号305不应该被电池单元301完全吸收或阻止。信号305应该能穿透电池单元壳体，电池单元壳体材料可以是聚合物或金属(诸如，铝)。某些短波可能不适合用作测试信号305(例如，像红外线、可见光和紫外线之类的短波过于密集而不能穿过电池)。无线电波为长波，因此能穿过电池。另外，测试信号305不应该被电池中的电解质完全吸收。在示例中，因为微波对电磁干扰较为不敏感，所以它们可以用作测试信号。
图4示出了可以包括传感器模块204和电池单元传感器220的无源无线感测系统400，无源无线感测系统400如在此描述地与电池单元固定到一起或与电池单元集成。电池单元传感器220可以包括射频识别(RFID)标签401，射频识别(RFID)标签401由天线403和集成电路405(例如，微芯片)组成。天线403被用于传送存储在集成电路装置(例如，微芯片)上的存储器中的信息。RFID标签401可以是无源标签、半无源标签或有源标签。有源和半有源标签都具有用来为标签和/或微芯片供电的外部电源。在这种情况下，电能可以来源于电池单元本身。无源标签不具有板载电源。无源标签具有易于制造和固定到电池单元的优点。无源标签也比较便宜。无源标签通过与天线耦合的外电场来供电。传递到标签的能量被用于闭合电路，释放在芯片上编码的识别号码并执行任何测量。该信息被发送回被识别为传感器模块(例如，RFID读取器410)的外源。通过在包括标签和外部读取器的完整的RFID系统中实现RFID传感器，使得本系统有可能具有无线传感器，从而在现有的电池传感器上增添进一步的改进。天线403被示出为取决于天线线圈的几何形状的简单RLC电路。
图5示出了用于电池单元的声表面波(SAW)传感器系统501。系统501可以被用在移动设备(例如，车辆或通信装置)中。SAW传感器系统501包括发送和接收无线电信号形式的信号的发射器/接收器503。尽管被描述为发射器/接收器，但是物理地将这两部分分开并且具有与接收器分开的单独的发射器也在本公开的范围内。SAW传感器505包括主体506，天线507嵌入在主体506中，并且在主体506上构成换能器509和多个波反射器511。所述主体可以是由RF信号激发并且基于由外部因素或环境导致的施加的应变而相似地改变形状的压电晶体或材料。在运行中，发射器/接收器503无线发送和接收数字信号。发送信号515可作为询问信号运行并且激励SAW传感器505。发送信号515在天线507被无线接收，进而馈送给换能器509。换能器509可以是叉指换能器。换能器509将接收到的信号转换成在主体506中传播的波520(例如，声表面波脉冲)。波520撞击波反射器511中的至少一部分，所述波反射器511的至少一部分将波反射回(525)到换能器509。换能器509将反射波转换成电信号，并且将返回信号527无线传输到发射器/接收器503。被发送到SAW传感器505并由SAW传感器接收的电信号的差指示电池单元的物理特性。由发射器/接收器503发送的信号可以由传感器模块204、电池控制模块208或车辆中的其他电路生成。同样地，由发射器/接收器503接收的信号可以由传感器模块204、电池控制模块208或车辆中的其他电路来处理以确定电池单元的物理特性。
因为声表面波(SAW)装置对温度、压力、应力、液体黏度和表面效应敏感，所以一系列的传感器可能用于电池单元。本发明人已经认识到传感器阵列可以被布置、固定或装配在电池单元内，其中，每个传感器响应于不同的测量。还认识到电池单元内部环境可能是相当具有腐蚀性的。尽管如此，但是传感器可以被嵌入电池单元的壳体内，并且将与电池单元的电极紧密接触。另外，传感器可以被封装以抵挡电池单元的内部环境。传感器将通过由读取器/询问器传输的信号被激励，并且每个传感器发送应答信号给后置处理器(例如，在车辆中的任何电路或模块)。响应于电池环境的变化，SAW装置的基底可以以机械或物理的方式改变。因此，反射器相对于彼此移动，并且反射信号和返回信号基于基底的状态和反射器的位置而与其他信号不同。
图6示出了与电池单元202一起使用的磁传感器系统600。传感器系统600包括发射器601，发射器601发射被电池单元影响并在传感器603被接收的信号602，传感器603可以是射频识别标签。在传感器603接收的信号相比于由发射器601发射的信号的差异可以被解释为表示电池组114或电池单元202或电池的组件的状态(例如，电极、化学结构、荷电状态、健康状态等)。在该示例中，发射器601从它的天线发射磁场H信号602。磁场H穿过至少一个电池单元202。磁场H通过电池单元202被改变。该改变后的磁场在传感器603的天线607处被接收。在示例中，传感器603通过接收到的信号被激励，并且包括用于基于接收到的磁场信号向发射器601或感测模块204发送输出信号的电路609。感测模块204(或其他车辆电路)或发射器601可以将输出信号与发射信号或存储的可能的输出信号进行比较，以确定电池单元的物理特性。在示例中，车辆的板载电路或处理模块(例如，电力电子模块116)可以处理、比较或解释接收到的信号。当发射器601和传感器603之间的场被电池的电极材料的变化模量干扰时，传感器的信号的变化可被测量。所述变化将直接关系到电池单元/电池的SOC和健康状态。
图7A和图7B示出了根据在此的教导的传感器701，其中，传感器701具有与在图6中示出的用于读取电池单元的物理特性的传感器不同的传感器。传感器701与电池单元202相邻。传感器701可以感测信号705(在图7B中为705’)以确定电池的特性。传感器701可以是隧道磁电阻(TMR)装置，所述TMR装置具有可以发射和感测磁场并由薄绝缘体(例如，几个原子厚的MgO)分隔开的两个磁性层(例如，铁磁体(诸如，CoFeB))。TMR装置使用量子力学过程来通过叫做隧穿的过程读取磁场。通过允许电流流过绝缘体，在金属之间形成偏置电压。量子隧穿的可能性直接关系到电子自旋排列，其可以通过引入外部磁场来操纵和控制，并具有以下后果：随着磁场强度增加，电子自旋排列增强，并且更多的电子可以隧穿绝缘体。随着越来越多的电子隧穿绝缘体，装置的电阻下降。相应地，传感器的磁阻是其性能的第一指示：例如，各向异性磁阻传感器具有2％-3％的磁阻，然而巨磁阻传感器具有15％-20％的磁阻。相比之下，实现磁隧道结的传感器具有200％的磁阻。
在示例中，传感器701邻近于电池壳体707内的电池电极706。电极706在第一状态下的物理特性产生第一信号场705。电极706在第二状态下的物理特性的变化产生第二信号场705’。在示例中，电极706包括用于锂(Li)离子电池的电池阳极材料，并且包括金属氧化物以及可以从金属氧化物容易地插入和抽出的锂离子。Li是顺磁材料，因此在充电和放电循环期间阳极的磁特性(即，磁化率)会变化。在磁场705中，阳极被磁化。用于充满电的电池的磁场705可以被感测并用作基准(图7A)。如图7B中所示，随着电池放电，磁场705’将被干扰并且将直接测量电池的荷电状态(SOC)。图7A示出了100％SOC的电池的磁场705的响应。图7B示出了20％SOC的电池的磁场705’的响应。具有较低电荷的电池具有可测量的磁化率的增加，并因此相比于具有较大电荷状态的电池存在更大的磁场。在本示例中，相比于被充满电的电池，用于具有20％荷电状态的电池的电极具有三倍增长的磁化率。
尽管上面的示例描述了锂离子电池，但是该技术可以被用于感测其他电池类型(例如，铅酸电池和磷酸铁锂电池)。
传感器701可以是不需要发射信号的无源传感器，并且感测电池电极的磁场。感测的磁场的变化可以指示电池的物理特性的变化。
图8示出了用于电池单元的物理特性的无源感测的方法800。该方法可以与在此描述的系统一起使用。在801，传感器组件被固定连接到电池或电池的电池单元，或被固定在电池或电池单元内。传感器组件可以进行无线通信，并且可以是无源装置。在803，可以穿过电池传输的测试信号和/或功率信号被无线发送到传感器组件。在805，穿过电池传输的信号被感测。该感测到的信号被电池影响。在807，电池状态或电池的物理特性被确定。电子电路可以运行以确定感测到的信号相对于被发送到电池的信号的变化。
图9示出了用于电池或电池单元的传感器900的示意图。传感器900是具有单端口双延迟、利用在基底906上的多个芯片进行的正交频率编码(orthogonal frequencycoding，OFC)的声表面波装置。基底906可以由压电晶体(诸如，YZ LiNbO3)制成。在此示出了总共十个芯片(9031-90310)，每个OFC库有五个芯片。每个芯片可以被分配满足正交条件的不同的中心频率。随后芯片被通过来自换能器909的信号调制的特定输入信号激活。在另一个示例中，五个多重芯片的偶数库(换能器909的右侧)被信号τ1激活。所述多重芯片的奇数库(换能器909的左侧)被信号τ2激活。根据芯片的位置，所述芯片可以被及时打乱，以产生从传感器900返回的唯一代码。该结构允许频率和伪噪声(pseudo noise，PN)二者的编码。另外，相对于单个芯片，询问信号的功率可以被增大。这允许了正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)和二进制移相键控(binaryphase shift keying，BPSK)编码技术的混合使用。芯片的每个库根据从f1到f5的中心频率被设置在一系列的反射器处。每个反射器的时间长度和频率被选择以使每个芯片的峰值与所有其他芯片的空位对齐。所述正交条件规定：
Nj＝τcfj (1)
其中，Nj是反射器电极的数量，τc是芯片长度(即，每个芯片的时间长度)，并且fj是芯片频率。一旦一组频率针对芯片而被设定，则所述频率可以被及时打乱以产生唯一代码。根据芯片的数量(Nc)和PN编码的使用，可能有
Figure GDA0002580594050000101
个代码。因此，每个传感器900可以具有与在返回信号中返回的数据相关联的唯一标识码。
图10示出了用于电池传感器的叉指换能器1000A、1000B和1000C的示意图。换能器1000A、1000B和1000C中的每一个包括多个极性相反的电极，所述多个电极重叠并且由介电层分隔开。这些换能器1000A、1000B和1000C可以被放置在SAW的基底上。换能器1000A包括第一电极1021，第二电极1022跟随第一电极1021，并且这两个电极被介电材料分隔开。第三电极1023跟随第二电极1022，两个电极被介电材料分隔开。第四电极1024跟随第三电极1023，两个电极被介电材料分隔开。第一和第三电极是以电和物理的方式被连接。第二和第四电极以电和物理的方式被连接。换能器1000B类似于换能器1000A，但是第一和第三电极具有两个腿部(leg)。换能器1000C类似于换能器1000A和1000B，但是第一和第三电极具有两个腿部并且第二和第四电极也具有两个腿部。所述腿部也被介电材料分隔开。换能器1000A、1000B和1000C在本质上都是电容性的。由于电极的电阻有限，换能器还具有串联电阻。电极结构可以被设计为2f0(每个波长有两个电极和两个间隔，fs＝2f0是采样频率，1000A)、3f0(每个波长有三个电极和三个间隔，1000B)和4f0(每个波长有四个电极和四个间隔，1000C)。换能器1000B(3f0)和1000C(4f0)是分割电极换能器，并且可以起到最小化内部反射(因为能量被困在换能器内)和体模式(bulk mode)转换的作用，尤其是在延迟线装置(delay line device)中。对于具有相等电极宽度和间隔的装置，电极宽度是λ/4、λ/6和λ/8，分别对应于2f0、3f0和4f0；其中，f0为基本频率。
图11示出了用于电池或电池单元的传感器1100的示意图。所述传感器可以是声表面波传感器。传感器1100可以具有单端口双延迟、利用在基底1106上的多个芯片进行的正交频率编码(OFC)。其他的无线编码可以被用于向传感器1100发送信息和能量信号。装置封装1107在一个端部支撑基底1106，使得另一端可以是悬臂式的并且可以偏转。偏转运动可以被感测，并且结果数据可以表示电池状态或其他电池信息。在示例中，基底1106可以是YZLiNbO3结构。在图11中，示出了在换能器1109的相对的两侧的两个OFC库中总共有六个芯片(11031-11036)，每个OFC库有三个芯片。芯片11031-11036可以是这样的声表面波装置，所述声表面波装置从换能器1109接收表面波并且将指示关于电池的信息的信号返回到换能器1109。电池可以在声表面波基底1106上施加应变，所述应变可以通过被传送到/来自于芯片11031-11036的信号来感测。芯片11031、11033和11035的库被放置在由封装1107直接支撑的基底的端部。芯片11031、11033和11035可以测量在电池处(在电池中邻近内部电池化学成分的位置处或在电池封装或壳体上)的温度。芯片11031、11033和11035还可以提供非应变或位移基准信号，其中，当确定在传感器1100另一端的应变或位移时所述非应变或位移基准信号可以被使用。芯片11032、11034和11036的第二库被放置在不直接由封装1107支撑的基底的端部。芯片11032、11034和11036的第二库是基底1106的作为悬臂式基底的自由端的一端。芯片11032、11034和11036可以测量基底承受的应变，所述应变发生在电池中邻近内部电池化学物质的位置或在电池封装或壳体上。在示例中，应变可以是由位于悬臂式基底的自由端的磁体1108引起的。磁体1108产生磁场并且经由电池中的电磁场感测电池中的变化。在示例中，磁体1108感测在车辆电池的相邻区域内的磁场。随着磁体1108与电池的磁场进行电磁作用，基底被移动并且它的位移可以通过芯片11032、11034和11036来被感测。尽管在此描述为芯片，但是芯片11031至11036可以包括电子结构、MEMS结构或它们的组合。传感器1100可以包括如针对图10所描述的叉指换能器。
图12示出了可以与用于车辆的电池或电池单元1201一起使用的另一个传感器1200。永磁体1202可以被放置在电池1201中或邻近电池1201处。磁体1202产生稳态磁场。所述磁场延伸进入电池1201。电池1201基于它的物理状态改变所述磁场。该磁场变化可以通过传感器1200来被感测。当电池中的顺磁性材料(例如，Co或Ni)位于磁场中时，它们自行排列，使得它们的磁偶极子与随之而来的磁场相对。因为传感器的场是这些场的总和，所以传感器1200的场被减弱。传感器1200可以是霍尔效应传感器或可以响应于感测到的磁场而输出电压的其他磁场传感器。在示例中，随着电池1201通过充电和放电进行循环，电池内的过渡金属改变氧化态。在电池阴极处，氧化态的变化可能是最大的。因此，电池(即，阴极)的磁化率将改变磁场的强度。在运行中，来自磁体1201的磁场是不变的，但是电池1201的状态将影响响应于电池中的变化(例如，阴极磁化率的变化)而被传感器1200感测到的磁场。
图13示出了在传感器(例如，在图5和图9至图11中示出的传感器)上的应变的示例。作为示例，传感器接收作为在传感器的基底的端部(或尖端)上的向下的力的大约0.05N的应变。该应变可以被传感器感测并被发送到车辆中的其他电路，以被用来确定电池状态，进而可以被用来控制车辆中的电池系统的电操作。
图14示出了传感器(例如，在图5和图9至图11中示出的传感器)受到的分数速度(fractional velocity)相对于传感器受到的力的示例。所述分数速度变化的单位是百万分率(parts per million，PPM)。传感器上的应变(例如，悬臂式传感器基底)可以是在距离传感器的支撑的固定部分6mm的位置上。通过为传感器适当地设计中心频率(f0)，可以开发出非常灵敏的传感器。
在此描述的系统和方法可以测量在每个电池单元处和在每个电池单元内的温度以及荷电状态。特别地，使用可以嵌入电池单元的智能传感器系统来直接测量电池单元的物理特性或内部状态可以提供关于电池单元的操作状态的更精确的信息。所述信息可以被用在用于电池单元和车辆的控制技术中。使用带有无线通信的无源传感器允许直接测量电池单元特性，而这一点迄今为止是不可能的。由于没有实现这种直接测量，因此控制算法做出了可能是不准确的或可能以低效方式运行的假设。这种直接测量可以独立使用或与电池单元电压测量技术相结合使用。
在此描述的传感器和标签被封装以抵挡车辆环境。车辆环境包括温度和湿度以及与车辆行驶相关联的振动和发动机振动。如果传感器和标签被安装连接到电池或安装在电池内，则传感器和标签也被封装以承受-40℃至75℃(存储：85℃)的温度范围和电池的可能的腐蚀性环境。传感器可以与车辆内的其他通信装置或与配对的组件进行无线通信。在此描述的传感器系统可以观察电池的内部状态，并且使用该信息来确定信息：例如，电压、SOC、局部温度、健康状态等。因为这种传感器系统不具有要被更换或补充或连接的电池或其他电源，所以相比于当前的电流传感器，这种传感器系统被认为是低维护的。这些传感器的尺寸小，在一些示例中与一粒大米的大小类似，从而确保了在电池上或在电池中的布置不太显眼。相信这些传感器可以便于多个传感器的布置以形成分布式无线传感器网络，并且，因为这些装置是低功率的并带有小电磁场，所以可以保持与车辆的电磁兼容性。
本公开使用术语“芯片”，所述芯片可以是可执行在此描述的功能的电路、集成电路、封装电路、微机电系统(MEMS)或它们的组合。在各种示例中，所述芯片可能必须能承受电池内部条件、电池封装或在高温和冷冻条件下在车辆中进行安装的环境极限，并保持可操作性。
尽管上面描述了示例性实施例，但并不意在这些实施例描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语为描述性词语而非限制，并且应理解的是，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。此外，可组合各种执行的实施例的特征以形成本发明进一步的实施例。

Claims (7)

1.一种车辆，包括：
电动马达；
电池，存储用于所述电动马达的电能；
声表面波传感器，被连接至所述电池，包括悬臂式基底以及位于悬臂式基底的自由端的磁体，无线地接收输入信号，并且被配置为基于所述输入信号产生响应信号，并且基于所述响应信号无线发送指示电池状态的输出信号，其中，所述输入信号是电磁信号，并且所述声表面波传感器感测由所述磁体的磁场和所述电池的磁场之间的电磁作用而引起的应变，所述响应信号基于所述应变；以及
控制电路，被配置为基于所述输出信号控制所述电动马达和所述电池。
2.如权利要求1所述的车辆，其中，所述传感器包括无源射频识别标签。
3.如权利要求2所述的车辆，其中，所述电池包括具有基于电池状态而变化的杨氏模量的电极，并且其中，所述响应信号受所述杨氏模量影响。
4.如权利要求3所述的车辆，其中，所述电池状态是荷电状态或健康状态。
5.如权利要求1所述的车辆，其中，所述传感器被嵌入在所述电池中。
6.如权利要求1所述的车辆，其中，所述传感器包括多个声反射器，并且所述传感器还被配置为：将输入信号转换为声表面波信号，其中，声表面波信号被所述声反射器反射以产生所述响应信号。
7.如权利要求6所述的车辆，其中，所述状态是电池的温度，并且其中，所述输出信号是还基于与所述响应信号相关联的相移的。
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