CN111880102A - 一种基于超声的电池健康状态的监测方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声的电池健康状态的监测方法和装置，属于锂离子电池领域，首先，在待检测电池的相对两个侧面均设置一个三棱柱，在三棱柱上分别设置有超声波发射、接收探头，超声波接收、发射探头相互平行，然后，超声波发射探头发射设定频率的超声脉冲信号，另一侧匀速运动的超声接收探头接收不同位置处穿透的超声信号，接着，以正对超声波发射探头的位置为原点，采集偏离原点位置的距离与该距离处透射超声波峰强值，绘制距离‑峰强值的二维分布曲线，根据该曲线，确定1/2峰强对应的距离L，从而监测待检测电池健康状态。本发明还公开了实现如上方法的装置。本发明方法和装置能够快速、准确的监测锂离子电池健康状态。
Description
技术领域
本发明属于锂电池领域，更具体地，涉及一种基于超声的电池健康状态的监测方法和装置。
背景技术
锂离子电池在使用的过程中会发生不同程度的老化、衰减。锂离子电池能够提供输出功率的大小和存储电量的多少会随电池的老化而逐渐降低，若不能及时剔除寿命过低的电池，则会造成电池系统故障，因而准确检测电池的健康状态对提高电池利用率、避免电池系统故障具有重要意义。
然而，锂离子电池的健康状态的预测过程十分复杂，即使相同品牌、同一批次型号的电池出厂时其健康状态都有所差异。目前，主要是通过建立一套和内阻\容量\循环\等待相关的模拟体系对电池的健康状况进行检测，耗时长、测量误差大。
因而，迫切需要开发新的检测方法和检测装置实现对锂离子电池健康状态的快速而又准确的评价。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种基于超声的电池健康状态的监测方法和装置，旨在解决现有技术中对电池的健康状况进行检测存在耗时长、测量误差大的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于超声的电池健康状态的监测方法，
首先，在待检测电池的相对两个侧面均设置一个三棱柱，三棱柱的横截面为三角形，两个三棱柱的面积最大的面均贴合在待检测电池上，并且位于待检测电池所贴合面的中心处，在三棱柱上分别设置有超声波发射探头和超声波接收探头，超声波接收探头和超声波发射探头相互平行，
然后，固定有超声波接收探头的三棱柱从待检测电池贴合面中心位置处以设定的速度匀速运动到待检测电池另一端，由超声波发射探头发射设定频率的超声脉冲信号，经过三棱柱引导，斜射入电池中，在电池内经过多次反射、折射，然后穿出，并由另一侧匀速运动的超声接收探头接收不同位置处穿透的超声信号，
接着，以正对超声波发射探头的位置为原点，采集偏离原点位置的距离与该距离处透射超声波峰强值，绘制距离-峰强值的二维分布曲线，测量设定频率下，原点处的超声波的强度与强度衰减到原点处强度1/2时对应的距离，
最后，根据距离-峰强值的二维分布曲线，确定1/2峰强对应的距离L，从而监测待检测电池健康状态。
进一步的，新鲜电池原点处峰强为E，1/2峰强对应的距离是L，峰强E与距离L的比值介于0.7E/L～0.9E/L之间，电池处于亚健康状态；峰强E与距离L的比值小于0.7E/L，电池处于不健康状态。
进一步的，测量50KHz频率下，原点处的超声波的强度与强度衰减到原点处强度1/2时对应的距离。
进一步的，固定有超声接收探头的三棱柱以设定的1厘米/秒的速度匀速运动。
进一步的，由超声波发射探头发射频率为50KHz的超声脉冲信号，经过橡胶三棱柱，斜射入电池中。
按照本发明的第二个方面，还提供一种实现如上所述方法的电池健康状态的监测装置，其包括两个三棱柱、一个超声波发射探头和一个超声波接收探头，其中，两个三棱柱位于待检测的锂离子的相对两个侧面的中心处，其中一个三棱柱固定不动，另一个三棱柱活动连接在待检测锂离子电池表面，三棱柱的横截面为三角形，在固定的三棱柱上设置有超声波发射探头，在另一个三棱柱上设置有超声波接收探头，超声波接收探头和超声波发射探头相互平行，在测试过程中，由超声波发射探头发射超声脉冲信号，经过三棱柱，斜射入电池中，在电池内经过多次反射、折射，从电池的另一侧穿出，并由另一侧匀速运动的超声接收探头接收不同位置处穿透的超声信号，进行电池健康状态的检测。
进一步的，超声波发射探头和超声接收探头均为圆柱状。
进一步的，所述三棱柱的材质为橡胶。
进一步的，三棱柱的横截面为三角形，三角形的最长边边长为2厘米～3厘米，三棱柱的棱长为2厘米～3厘米。
进一步的，三棱柱的横截面为三角形，三角形的三个角分别为45°、45°、90°。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明方法中，以正对超声波发射探头的位置为原点，采集偏离原点位置的距离与该距离处透射超声波峰强值，获得距离-峰强值的二维分布曲线，测量设定频率下，根据距离-峰强值的二维分布曲线，确定1/2峰强对应的距离L，从而监测待检测电池健康状态。该测定方式简单，容易操作，准确率高。相应的，本发明装置结构简单，所需要的元器件容易获取，进行电池健康状态监测时，耗时短、测量误差小。
附图说明
图1是本发明实施例中基于超声的电池健康状态的监测装置；
图2是本发明实施例中距离中心点的距离和该距离处透射波峰强的二维分布曲线。
在所有附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的部件或者元件：
1.超声波发射探头2.橡胶三棱柱
3.超声波接收探头4.锂离子电池
5.正极6.负极
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的一种基于超声的电池健康状态的监测方法，主要包括如下核心步骤：首先，在待检测电池的相对两个侧面均设置一个三棱柱，三棱柱的横截面为三角形，两个三棱柱的面积最大的面均贴合在待检测电池上，并且位于待检测电池所贴合面的中心处，在三棱柱上分别设置有超声波发射探头和超声波接收探头，超声波接收探头和超声波发射探头相互平行。然后，固定有超声波接收探头的三棱柱从待检测电池贴合面中心位置处以设定的速度匀速运动到待检测电池另一端，由超声波发射探头发射设定频率的超声脉冲信号，经过三棱柱引导，斜射入电池中，在电池内经过多次反射、折射，然后穿出，并由另一侧匀速运动的超声接收探头接收不同位置处穿透的超声信号，并转化为数字波形。接着，以正对超声波发射探头的位置为原点，采集偏离原点位置的距离与该距离处透射超声波峰强值，绘制距离-峰强值的二维分布曲线，测量设定频率下，原点处的超声波的强度与强度衰减到原点处强度1/2时对应的距离。最后，根据距离-峰强值的二维分布曲线，确定1/2峰强对应的距离L，从而监测待检测电池健康状态。
图1是本发明实施例中基于超声的电池健康状态的监测装置，其中，在锂离子电池4的一侧，5为锂离子电池的正极，6为锂离子电池的负极，在锂离子电池上固定有一个橡胶三棱柱2，三棱柱的横截面为三角形，三个角分别为45°、45°、90°。三棱柱面积最大的一面紧密贴合在电池表面，并位于该平面的中心位置。同时，将另一个橡胶三棱柱面积最大的一面涂上硅脂，并粘贴在电池的另一侧面，该三棱柱的初始位置正对另一侧的三棱柱，即两个三棱柱的位置相对设置。橡胶三棱柱的棱长为3厘米，最长边长为3厘米。一个超声波发射探头1固定在位于电池中心位置的橡胶三棱柱的侧面上，该三棱柱位置保持固定，另一个超声波接收探头3固定在位于电池一端的三棱柱的侧面上，并与超声波发射探头1处于平行状态。
在测试过程中，固定有超声接收探头的三棱柱从电池中心位置以1厘米/秒的速度匀速运动到另一端，由超声波发射探头发射频率为50KHz的超声脉冲信号，经过橡胶三棱柱，斜射入电池中，在电池内经过多次反射、折射，从电池的另一侧穿出，并由另一侧匀速运动的超声接收探头接收不同位置处穿透的超声信号，并转化为数字波形。以正对超声波发射探头的位置为原点，将偏离原点位置的距离与该处穿透超声波峰强值绘制距离-强度的二维分布曲线，测量50KHz频率下，原点处的超声波的强度与强度衰减到原点处强度1/2时对应的距离。设定新鲜电池原点处峰强是E，1/2峰强对应的距离是L，则当峰强E与距离L的数值的比值介于0.7-0.9E/L之间，定义为处于亚健康状态的电池，当比值小于0.7E/L，定义为处于不健康状态的电池。
该方法的原理是：电池内部老化之后，内部电极成分出现偏析，电解液的分解，导致超声波在电池内部的传导途径变得更加复杂和无序，因而使得在电池另一侧接受到的超声信号的范围变广，中心位置接受到的信号变弱。
该方法中，三棱柱和声学元件的设计，主要是考虑声波的传播途径会覆盖电池的中心区域，反映电池的平均变化。
为了更进一步说明本发明方法测量的准确性，下面结合具体的实施例进一步阐述。
对一批同型号，经过不同充放电循环的锂离子软包电池进行健康状态检测。该型号电池的尺寸为250mm×150mm×50mm。待检测电池、三棱柱和超声接收探头、超声发射探头的安装及设置如图1所示。给超声发射探头一个振幅60V，频率50KHz的单脉冲正弦激励信号，使其发出50KHz的声波。超声接收探头接收到的信号，经过信号处理，变成如图2所示的距离-强度二维分布曲线，测量50KHz频率下原点处的强度与峰宽。新鲜电池的原点处峰强为7.33V，1/2峰强对应的距离是L为5.7厘米。使用过的电池的剩余容量和对应的原点处强度与峰宽如下表1所示：
表1使用过的电池的剩余容量和对应的原点处强度与峰宽
| 序号 | 容量/Ah | 容量保持率 | 峰强/距离 | 健康状态 |
| 1 | 179 | 1 | 1.28 | 健康 |
| 2 | 171 | 0.955 | 1.16 | 健康 |
| 3 | 159 | 0.888 | 1.08 | 亚健康 |
| 4 | 151 | 0.843 | 0.88 | 不健康 |
| 5 | 135 | 0.754 | 0.73 | 不健康 |
| 6 | 98 | 0.547 | 0.56 | 不健康 |
| 7 | 166 | 0.927 | 1.11 | 亚健康 |
| 8 | 144 | 0.804 | 0.77 | 不健康 |
由表可知，容量保持率在95～100％的电池，峰强/距离的比值在0.9E/L～1E/L之间，判定电池为健康状态。剩余容量保持率85～95％的电池，峰强/距离的比值在0.7E/L～0.9E/L之间，判断电池处于亚健康状态。剩余容量保持率小于85％的电池，峰强/距离的比值在小于0.7E/L，判断为不健康的电池。对该批次电池，以峰强/距离的比值为依据，对老化程度的判断是准确的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于超声的电池健康状态的监测方法，其特征在于，
首先，在待检测电池的相对两个侧面均设置一个三棱柱，三棱柱的横截面为三角形，两个三棱柱的面积最大的面均贴合在待检测电池上，并且位于待检测电池所贴合面的中心处，在三棱柱上分别设置有超声波发射探头和超声波接收探头，超声波接收探头和超声波发射探头相互平行，
然后，固定有超声波接收探头的三棱柱从待检测电池贴合面中心位置处以设定的速度匀速运动到待检测电池另一端，由超声波发射探头发射设定频率的超声脉冲信号，经过三棱柱引导，斜射入电池中，在电池内经过多次反射、折射，然后穿出，并由另一侧匀速运动的超声接收探头接收不同位置处穿透的超声信号，
接着，以正对超声波发射探头的位置为原点，采集偏离原点位置的距离与该距离处透射超声波峰强值，绘制距离-峰强值的二维分布曲线，测量设定频率下，原点处的超声波的强度与强度衰减到原点处强度1/2时对应的距离，
最后，根据距离-峰强值的二维分布曲线，确定1/2峰强对应的距离L，从而监测待检测电池健康状态。
2.如权利要求1所述的一种基于超声的电池健康状态的监测方法，其特征在于，新鲜电池原点处峰强为E，1/2峰强对应的距离是L，峰强E与距离L的比值介于0.7E/L～0.9E/L之间，电池处于亚健康状态；峰强E与距离L的比值小于0.7E/L，电池处于不健康状态。
3.如权利要求2所述的一种基于超声的电池健康状态的监测方法，其特征在于，测量50KHz频率下，原点处的超声波的强度与强度衰减到原点处强度1/2时对应的距离。
4.如权利要求3所述的一种基于超声的电池健康状态的监测方法，其特征在于，固定有超声接收探头的三棱柱以设定的1厘米/秒的速度匀速运动。
5.如权利要求4所述的一种斜入式声波检测电池老化的方法，其特征在于，由超声波发射探头发射频率为50KHz的超声脉冲信号，经过橡胶三棱柱，斜射入电池中。
6.实现如权利要求1-5之一所述方法的电池健康状态的监测装置，其特征在于，其包括两个三棱柱、一个超声波发射探头和一个超声波接收探头，其中，
两个三棱柱位于待检测的锂离子的相对两个侧面的中心处，其中一个三棱柱固定不动，另一个三棱柱活动连接在待检测锂离子电池表面，三棱柱的横截面为三角形，在固定的三棱柱上设置有超声波发射探头，在另一个三棱柱上设置有超声波接收探头，超声波接收探头和超声波发射探头相互平行，
在测试过程中，由超声波发射探头发射超声脉冲信号，经过三棱柱，斜射入电池中，在电池内经过多次反射、折射，从电池的另一侧穿出，并由另一侧匀速运动的超声接收探头接收不同位置处穿透的超声信号，进行电池健康状态的检测。
7.如权利要求6所述的一种斜入式声波检测电池老化的装置，其特征在于，超声波发射探头和超声接收探头均为圆柱状。
8.如权利要求7所述的一种斜入式声波检测电池老化的装置，其特征在于，所述三棱柱的材质为橡胶。
9.如权利要求8所述的一种斜入式声波检测电池老化的装置，其特征在于，三棱柱的横截面为三角形，三角形的最长边边长为2厘米～3厘米，三棱柱的棱长为2厘米～3厘米。
10.如权利要求9所述的一种斜入式声波检测电池老化的装置，其特征在于，三棱柱的横截面为三角形，三角形的三个角分别为45°、45°、90°。
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