CN106707174A - 一种聚合物锂电池组一致性检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚合物锂电池组一致性检测方法及系统，包括电容传感器、数据采集器及图像成像器，测量待测聚合物锂电池组电容传感器电极间的电容值，采用电容层析成像图像重构算法将电容值重构出聚合物锂电池组内部介电常数分布，建立聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的标准关系曲线，将标准关系曲线与待测聚合物锂电池组内部介电常数分布进行对比，得到待测聚合物锂电池组的一致性。本发明具有非侵入、响应速度快及操作方便等优点。

Description

一种聚合物锂电池组一致性检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电池检测领域，具体涉及一种聚合物锂电池组一致性检测方法及系统。

背景技术

从各种电子产品、通讯设备、自动化仪器仪表和各种电动工具到电动自行车、电动汽车，甚至到航天、航空等军事领域，无不与锂电池紧密相连，因具有能量密度高、质量轻、安全性能好等其他储能电池不可比拟的优势，锂电池的未来发展前景十分广阔。锂电池包括传统金属壳锂电池和聚合物锂电池两大类，聚合物锂电池由于比能量密度高更具发展前景。

众所周知，在现有的动力电池技术水平下，必须使用多个单体电池进行串并联组合来满足使用要求。由于同一类型、同一规格、同一型号电池间在电压、内阻、容量等方面的参数值存在差别，即电池性能存在不一致性，使电池组的性能、寿命和安全性在经过一定的充放电循环之后会有不同程度的下降，表现为容量衰减的加速和电池组内单体一致性的差别变大，导致整组提前失效，并可能引发安全问题，严重影响其应用。电池组各单体一致性的水平，决定了电池组在运输和存储过程的保质期，以及使用时的容量发挥。因此，如何保证电池组内各单体电池的一致性是保证电池组性能的关键。

目前，国内外用于电池组一致性检测的主要方法有两种：组装前根据在恒流放电下测试的内阻、电压和容量对电池单体进行一致性分类筛选，该方法只能反应电池单体在该环境和条件下在电压、容量和内阻的一致性，不能反映高电压、大容量的电池组运行时的一致性，随着使用环境和条件的改变,其一致性也会发生明显改变；通过电池管理系统监控电池组的状态，并对电池进行必要的均衡处理，这类方法大多是基于电池间外电压差异进行一致性评价，不能有效指示电池间的内在差异。

由此可见，电池组使用的环境复杂，电池多并联和串联使用，且电流变化频繁，现有单体电池一致性检测方法无法适应对电池一致性的需求。

发明内容

为解决上述存在的问题与缺陷，本发明提供了一种基于电容层析成像的聚合物锂电池组一致性检测方法及系统。

本发明采用如下技术方案：

一种聚合物锂电池组一致性检测方法，包括：

测量待测聚合物锂电池组电容传感器电极间的电容值；

采用电容层析成像图像重构算法将电容值重构出聚合物锂电池组内部介电常数分布；

建立聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的标准关系曲线；

将标准关系曲线与待测聚合物锂电池组内部介电常数分布进行对比，得到待测聚合物锂电池组的一致性。

所述采用电容层析成像图像重构算法，具体为：

ECT线性化物理模型为

C＝SG (1)

其中，C∈R^m为电容值归一化向量，S∈R^m×n为灵敏度矩阵，G∈Rⁿ为归一化的图像灰度值向量，利用共轭梯度算法进行求解；

对于一个s×t维，n电极的平面阵列，第i极板上的电荷量qi由式(2)给出

其中，V为该激励电极和检测电极的电势差，C_ij为极板间的互电容，设内部不一致的被测物与一致的被测物的介质分布情况分别为ε0(x，y)和ε1(x，y)，在相同的电压激励下，二者在电极i上测的电荷量之差Δqi为

其中，分别为介质分布情况为ε0(x，y)和ε1(x，y)时电容的测量值，为了衡量Δq值的大小，引入向量的二范数概念，则k值越大，越容易得到内部介电常数的差异

k＝||Δq||₂＝||(Δq₁,Δq₂,…,Δq_n)||₂ (4)。

所述建立聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的标准关系曲线，具体为：对一致性良好标准件电池组进行检测，根据电池组内部不同取点位置介电常数值绘制介电常数曲线，采用电池组最大可用容量和初始荷电状态介电常数差异对上述曲线进行修正得到具有良好一致性的电池组的介电常数曲线用于评价电池组的一致性。

一种实现聚合物锂电池组一致性检测方法的装置，包括

电容传感器，包括印制在绝缘FPC基板的敏感电极面阵列；

数据采集器，用于测量电容传感器电极间的电容值；

图像成像器：用所测量电容值进一步得到聚合物锂电池组内部介电常数分布，并根据聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的关系曲线，将聚合物锂电池组内部介电常数分布转换成相应的聚合物锂电池组一致性。

所述敏感电机面阵列横向或纵向设置于电池组表面，所述电极为矩形金属片。

所述数据采集器由DDS信号发生器、电极选通电路、电容/电压转换电路、可编程增益电路及模数转换电路；所述DDS信号发生器、电极选通电路、电极面阵列、电容/电压转换电路、可编程增益电路及模数转换电路依次连接。

本发明的有益效果：

该测量方法通过电容层析成像技术进行聚合物锂电池组一致性实时评估工作，优于传统电池单体一致性检测方式，解决现有电池组一致性检测方法难以检测使用状态下的电池组难题，为电池组寿命预测、负载控制等提供依据，具有非侵入、响应速度快、操作方便等优点。

附图说明

图1是本发明方法的工作流程图；

图2是本发明的原理示意图；

图3是本发明的结构连接图；

图4是本发明的数据采集器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图4所示，一种聚合物锂电池组一致性检测方法，包括如下步骤：

步骤一测量待测聚合物锂电池组电容传感器电极间的电容值；

步骤二采用电容层析成像图像重构算法将电容值重构出聚合物锂电池组内部介电常数分布，具体为：

ECT线性化物理模型为

C＝SG (1)

其中，C∈R^m为电容值归一化向量，S∈R^m×n为灵敏度矩阵，G∈Rⁿ为归一化的图像灰度值向量。利用共轭梯度算法进行求解，其特点是收敛速度快，成像精度高。

对于一个s×t维，n电极的平面阵列，第i极板上的电荷量qi由式(2)给出

其中，V为该激励电极和检测电极的电势差，C_ij为极板间的互电容。设内部不一致的被测物与一致的被测物的介质分布情况分别为ε0(x，y)和ε1(x，y)。在相同的电压激励下，二者在电极i上测的电荷量之差Δqi为

其中，分别为介质分布情况为ε0(x，y)和ε1(x，y)时电容的测量值。为了衡量Δq值的大小，可引入向量的二范数概念

k＝||Δq||₂＝||(Δq₁,Δq₂,…,Δq_n)||₂ (4)

可见，k值越大，越容易得到ε0(x，y)和ε1(x，y)二者分布情况差异。

步骤三建立聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的标准关系曲线；

具体为：对一致性良好标准件电池组进行检测，根据电池组内部不同取点位置介电常数值绘制介电常数曲线，采用电池组最大可用容量和初始荷电状态介电常数差异对上述曲线进行修正得到具有良好一致性的电池组的介电常数与一致性的标准关系曲线，用于评价电池组的一致性。

将标准关系曲线与待测聚合物锂电池组内部介电常数分布进行对比，得到待测聚合物锂电池组的一致性。

实现本发明检测方法的检测装置，包括：

电容传感器，包括印制在绝缘FPC基板的敏感电极面阵列，所述敏感电极面阵列横向或纵向设置于电池组表面，所述电极为矩形金属片。

数据采集器，用于测量电容传感器电极间的电容值，所述数据采集器由DDS信号发生器、电极选通电路、电容/电压转换电路、可编程增益电路及模数转换电路；所述DDS信号发生器、电极选通电路、电极面阵列、电容/电压转换电路、可编程增益电路及模数转换电路依次连接。

图像成像器：用所测量电容值进一步得到聚合物锂电池组内部介电常数分布，并根据聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的关系曲线，将聚合物锂电池组内部介电常数分布转换成相应的聚合物锂电池组一致性。

上述电容传感器的结构参见图3，电池使用过程的环境复杂，因此电容传感器要能够工作于复杂环境中，抗干扰能力强。电容传感器主要由敏感电极面阵列2、绝缘FPC基板3组成。电容传感器置于电池组1表面，向电极面阵列施加激励信号，采集相应电极上的不均匀电学信号，对其进行放大滤波及进一步处理获取被测介质内部介电常数的不均匀分布。预先优化设计的传感电极直接焊接在FPC上能够最大程度消除了两者间的摩擦阻抗。仅1mm厚度的FPC线路板将电极片与信号线路集成简化，有效降低成本和使用空间，可灵活装配到电池组内部进行集成设计，图像成像器由PC机4完成。

上述数据采集器主要作用：①施加正弦电压信号；②将测量电容转换成为电压信号并放大；③将电压信号转换为数字电压信号；④将数字信号传送给计算机；⑤控制数据采集过程。数据采集电路包括DDS信号发生器、电极选通电路、电容/电压转换模块、可编程增益电路、模数转换电路及通讯接口等。参见图4，电容传感器有多个电极，通过电容/电压转换电路将电极间电容转换为相应电压信号。电压信号经电压跟随器送入可编程增益放大器(PGA)，可满足不同测量要求。信号放大后进入模数转换器(ADC)，转化为数字信号后通过通讯接口送给计算机，计算机则把采集信号进行处理，最终以图像形式显示聚合物锂电池组的一致性。

其中电容电压转换电路设计在聚合物锂电池组一致性检测系统中，被测电容变化量微小，电极间电容值通常为pF级，而杂散电容大。因此测量电路不仅需要具备微电容测量能力，还需要抗杂散电容能力强。电容电压转换电路性能决定检测系统的准确性和实时性，为实现稳定可视化检测，还要求电容电压转换电路稳定性高和过渡时间短。

聚合物锂电池组一致性检测系统模数转换电路负责对原始数据滤波处理，并将模拟信号转换成数字信号。转换完成后通过通讯接口与计算机进行通讯。

PC机向外围电路发出指令，控制数据采集系统采集数据和从数据采集系统接收数据，由测量电容值获取聚合物锂电池组内部介电常数分布，根据电池组一致性与介电常数关系模型，最终获得聚合物锂电池组的一致性并以图像显示。图像重构的本质是将测量电容值映射到图像灰度，不同的应用环境对图像重构的要求不同。基于一致性检测的实时性，系统对重构速度的要求较高。从测量电容值推算聚合物锂电池组一致性是该测量方法的难点之一，已在本实施例中进行了详细阐述。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种聚合物锂电池组一致性检测方法，其特征在于，包括：

测量待测聚合物锂电池组电容传感器电极间的电容值；

采用电容层析成像图像重构算法将电容值重构出聚合物锂电池组内部介电常数分布；

建立聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的标准关系曲线；

将标准关系曲线与待测聚合物锂电池组内部介电常数分布进行对比，得到待测聚合物锂电池组的一致性。

2.根据权利要求1所述的一种聚合物锂电池组一致性检测方法，其特征在于，所述采用电容层析成像图像重构算法，具体为：

ECT线性化物理模型为

C＝SG (1)

其中，C∈^m为电容值归一化向量，S∈R^m×n为灵敏度矩阵，G∈Rⁿ为归一化的图像灰度值向量，利用共轭梯度算法进行求解；

对于一个s×t维，n电极的平面阵列，第i极板上的电荷量q_i由式(2)给出

$q_i={\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^n{C}_{ij}(V_i-V_j)={\mathrm{\Σ}}_{j=1,j\≠i}^n{C}_{ij}V---\left(2\right)$

其中，V为该激励电极和检测电极的电势差，C_ij为极板间的互电容，设内部不一致的被测物与一致的被测物的介质分布情况分别为ε0(x，y)和ε1(x，y)，在相同的电压激励下，二者在电极i上测的电荷量之差Δqi为

其中，分别为介质分布情况为ε0(x，y)和ε1(x，y)时电容的测量值，为了衡量Δq值的大小，引入向量的二范数概念，则k值越大，越容易得到内部介电常数的差异

k＝||Δq||₂＝||(Δq₁,Δq₂,…,Δq_n)||₂ (4)。

3.根据权利要求1所述的一种聚合物锂电池组一致性检测方法，其特征在于，所述建立聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的标准关系曲线，具体为：对一致性良好标准件电池组进行检测，根据电池组内部不同取点位置介电常数值绘制介电常数曲线，采用电池组最大可用容量和初始荷电状态介电常数差异对上述曲线进行修正得到具有良好一致性的电池组的介电常数曲线用于评价电池组的一致性。

4.实现权利要求1-3任一项所述的一种聚合物锂电池组一致性检测方法的装置，其特征在于，包括

电容传感器，包括印制在绝缘FPC基板的敏感电极面阵列；

数据采集器，用于测量电容传感器电极间的电容值；

图像成像器：用所测量电容值进一步得到聚合物锂电池组内部介电常数分布，并根据聚合物锂电池组内部介电常数分布与一致性的关系曲线，将聚合物锂电池组内部介电常数分布转换成相应的聚合物锂电池组一致性。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述敏感电机面阵列横向或纵向设置于电池组表面，所述电极为矩形金属片。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述数据采集器由DDS信号发生器、电极选通电路、电容/电压转换电路、可编程增益电路及模数转换电路；所述DDS信号发生器、电极选通电路、电极面阵列、电容/电压转换电路、可编程增益电路及模数转换电路依次连接。