CN111880107B - 一种检测锂离子电池荷电状态的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测锂离子电池荷电状态的方法和装置，属于锂电池领域，对待检测的锂离子电池施加超声脉冲信号，以产生能够穿透锂离子电池的超声波，在施加超声脉冲信号的一侧收集穿过待检测电池后又被反射回来的超声信号，与此同时，在施加超声脉冲信号的相对一侧收集透射过待检测电池的超声信号，通过对穿透待检测电池的透射超声信号和被反射回来的反射超声信号进行全面收集，最大可能的采集携带待检测电池荷电状态的超声信号，对超声信号进行处理，实现对锂电池荷电状态的检测。本发明还公开其测量装置。本发明方法和装置能十分准确并且方便地检测锂离子电池荷电状态。
Description
技术领域
本发明涉及储能技术领域，特别涉及一种可检测锂离子电池荷电状态的方法和装置。
背景技术
自上世纪九十年代索尼公司推出第一款商业化锂离子电池以来，锂离子电池便因其高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优点在过去的二十年里得到了广泛的应用，尤其是在便携式电子产品等领域得到了长足的发展。对于一个智能的用电设备，应具备完善的对电池状态的控制和监控能力，即配备必要的电池管理系统，以实现电池优化运行与安全管理。而荷电状态作为表征电池剩余容量的一个状态量，其精确估算是电池管理系统中最核心的技术之一，也是控制电池储能系统能量平衡的基础，其准确估算不仅可以有效预防过充和过放，同时也是电池合理使用和有效维护的主要依据。
然而，由于电池在使用过程中其内部化学反应极为复杂，使得电池的荷电状态不能直接被测量得到，只能通过测量其他物理量来间接估计，加之影响电池荷电状态的因素众多，因此如何估计得到电池荷电状态的准确值便成为限制电池管理系统技术进一步发展的一项难题。当前，对与锂电池荷电状态的测量主要分为离线和在线两种模式。
离线模式下，通常将电池同工作电路断开，用恒定的电流对电池进行放电至放电结束，通过统计放电量来获知电池的荷电状态。虽然这种方法能够非常精确的获知电池的荷电状态，但是这种方法存在着实施过程中，电池无法对外工作；测试结束即意味着电池电量耗尽；测量耗时长；需要专业的昂贵的设备来进行精确的恒流充放电等缺点，因此只适用于实验室条件下或工厂中电池出厂时的容量标定过程。
在实际应用过程中，在线模式下电池的荷电状态测量才有意义，当前在线模式下电池荷电状态的测量方法主要有电压法、内阻法、电流积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法等方法。
电压法利用不同电量下，电池电压随荷电状态单调变化的规律来实现。通过对比已知的充放电电压荷电状态曲线，将电压值转换为电池的荷电状态。但是与铅酸电池、镍氢蓄电池等传统的电池不同，锂离子电池充放电过程中存在一个电压稳定的充放电平台，在这个平台范围内，电池电压随电池荷电状态变化的幅度很小，同时锂离子电池电压受电流、温度、寿命的影响非常大。这导致了通过电压的变化测量锂离子电池荷电状态得出的结果误差非常大。虽然电压法可以通过引入电流、温度修正系数等方法提高精确度，但精确度依然不高。
电流积分法又称为安时积分法，其原理是测量电池工作中每时每刻的电流，通过将电流对时间积分来计算电池的电荷量的变化量，结合初始标定的荷电状态的获得当前荷电状态。相比于电压法，这种方法获得的电池荷电状态不受电流与温度的影响。然而，这种方法也存在许多缺点，首先这种方法对初始误差不具备修正功能，对初始标定值的准确度要求很高；其次，这种方法需要高精度电流传感器，极大的增加了测量成本；而且，这种方法缺乏参照点，无法测得电池因为自放电而产生的容量衰减；不仅如此，由于电池充电效率并非100％，导致积分得到的电荷量的变化量同电池实际电荷量的变化量间存在差异；同时，这种方法的误差具有累积性，会随着时间的增加而逐渐增大。因此电流积分法一般要同其他方法混合使用，且需要定期做标定。
电池内阻有交流内阻和直流内阻之分，它们都与电池荷电状态有密切关系。内阻法利用电池内阻同电池荷电状态的变化规律对电池荷电状态进行预测。例如对于铅蓄电池在放电后期，直流内阻明显增大，可用来估计电池荷电状态；但是锂离子电池直流内阻变化规律与铅蓄电池不同，变化不明显，应用较少。
卡尔曼滤波法和神经网络法与其说是一种测量方法，不如说是一种数据处理的手段，其本质也是对电池电压、电流、内阻等电学信息进行测量，然后通过复杂的数学处理手段对电池荷电状态做更为精确的估计。这些方法一方面需要复杂的电路来说实现，另一方面受电压、电流、内阻等信息测量准确性的影响。
总的来说，当前对电池荷电状态的测量方法主要基于电池的电学参数变化，通过测量电池的电压、电流、内阻或对电池的电流进行积分等方式间接获取电池的荷电状态。然而，一方面，电池的电学参数影响因素复杂，电池的荷电状态同多个影响因素密切相关，且具有很强的非线性关系；另一方面，锂离子电池具有稳定的充放电平台这一特点导致锂离子电池电压同电池荷电状态的变化关系并不明显。因此，传统的荷电状态测量方法均无法得到足够可信的结果，如何准确地进行锂离子电池荷电状态的测量一直是一个国际性的难题。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种检测锂离子电池荷电状态的方法和装置，旨在解决现有技术中没有测量结果足够准确可信的检测锂离子电池荷电状态的方法和装置。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种检测锂离子电池荷电状态的方法，对待检测的锂离子电池施加超声脉冲信号，以产生能够穿透锂离子电池的超声波，在施加超声脉冲信号的一侧收集穿过待检测电池后又被反射回来的超声信号，与此同时，在施加超声脉冲信号的相对一侧收集透射过待检测电池的超声信号，通过对穿透待检测电池的透射超声信号和被反射回来的反射超声信号进行全面收集，最大可能的采集携带待检测电池荷电状态的超声信号，对超声信号进行处理，实现对锂电池荷电状态的检测。
进一步的，采用超声波发射探头贴附在待检测锂离子电池面积最大的平面的中心位置处，采用第一超声波接收探头贴附在待检测电池的同一平面处并紧邻超声波发射探头，采用第二超声波接收探头贴附在与超声波发射探头所在平面的相对平面上，第二超声波接收探头处于该相对平面的中心位置处。
进一步的，所述超声脉冲信号为超声纵波，以垂直于待检测电池电极平面的方向穿过整个电池。
进一步的，超声波的频率范围为50K Hz～200KHz。
按照本发明的第二个方面，还提供一种检测锂离子电池荷电状态的装置，其特征在于，其包括超声波检测单元和计算机，所述超声波检测单元包括至少设置在两处的超声波接收探头和设置在一处的超声波发射探头，至少设置在两处的超声波接收探头贴附在待检测电池相对的两个面上，分别用于接收穿透待检测电池和被待检测电池反射回来的携带有荷电信息的超声信号，该超声信号为超声数字信号，设置在一处的超声波发射探头用于贴附在待检测锂离子电池面积最大的面的中心处，并与其中一处的超声波接收探头位于同一个面上，用于产生能够穿入锂离子电池的超声波，所述计算机与超声检测单元相连，所述计算机内具有由若干标定曲线构成的曲线集合，所述计算机将所述超声波数字信号与所述标定曲线进行比对，确定反应待检测锂电池的荷电状态的测量值。
进一步的，其还包括超声波发射接收器和能量积分器，超声波发射探头和超声波接收探头分别与所述超声波发射接收器连接，所述超声波发射接收器与所述能量积分器连接，所述能量积分器连接所述计算机，所述超声波发射接收器通过超声波发射探头向待检测锂电池输出检测超声波，所述检测超声波穿过待检测锂电池形成透射超声波以及被待检测锂电池反射回来后形成的反射超声波，透射超声波和反射超声波经超声波接收探头传回至超声波发射接收器，超声波发射接收器将信息超声波传送至所述能量积分器。
进一步的，所述能量积分器对所述信息超声波进行积分转换，并转化为超声波数字信号传送至所述计算机，所述计算机将所述超声波数字信号与所述标定曲线进行比对，确定所述锂电池的荷电状态的测量值。
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：
本发明的方法中，同时收集携带荷电状态信息的反射超声波和透射超声波，能更为全面准确的收集反应荷电状态的信息，测量结果更为准确，大大提高了测量精度。本发明装置具有敏感度高，实现简单，成本低的特点，能够准确的检测出锂离子电池的荷电状态，能更加精准的控制锂离子电池充电或放电的深度，最终能提高电池的使用效率和检测效率。
附图说明
图1是本发明实施例中检测荷电状态的检测装置结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记自始至终表示相同的结构或者元件，其中：
1.超声波检测单元2.计算机
3.能量积分器4.超声波发射接收器
5.待检测的锂电池6.第一超声波接收探头
6＇.第二超声波接收探头7.超声波发射探头
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。
本发明为一种可检测荷电状态的检测方法和装置，用于检测锂离子电池的荷电状态。本发明通过对锂离子电池施加超声信号，并对穿透电池的超声信号和被反射的超声信号进行收集、分析，建立与电池荷电状态对应的状态信息，实现对锂离子电池荷电状态的准确的检测。
具体的，对待检测的锂离子电池施加超声脉冲信号，以产生能够穿透锂离子电池的超声波，在施加超声脉冲信号的一侧收集穿过待检测电池后又被反射回来的超声信号，与此同时，在施加超声脉冲信号的相对一侧收集透射过待检测电池的超声信号，通过对穿透待检测电池的透射超声信号和被反射回来的反射超声信号进行全面收集，最大可能的采集携带待检测电池荷电状态的超声信号，对超声信号进行处理，实现对锂电池荷电状态的检测。
图1是本发明实施例中检测荷电状态的检测装置结构示意图，由图可知，其包括超声波检测单元1、计算机2、超声波发射接收器4和能量积分器3，所述超声波检测单元1包括设置在两处的第一超声波接收探头6和第二超声波接收探头6＇，还包括超声波发射探头7，两处的超声波接收探头贴附在待检测的锂电池5相对的两个面上，分别用于接收穿透待检测电池和被待检测电池反射回来的携带有荷电信息的超声信号，该超声信号为超声数字信号，超声波发射探头7用于贴附在待检测的锂电池5面积最大的面的中心处，并与其中一处的超声波接收探头位于同一个面上，用于产生能够穿入锂离子电池的超声波。计算机2与超声检测单元1相连，计算机2内具有由若干标定曲线构成的曲线集合，计算机2将超声波数字信号与标定曲线进行比对，确定反应待检测锂电池的荷电状态的测量值。超声波发射探头和超声波接收探头分别与超声波发射接收器连接，超声波发射接收器与能量积分器连接，能量积分器连接计算机，超声波发射接收器通过超声波发射探头向待检测锂电池输出检测超声波，检测超声波穿过待检测锂电池形成透射超声波以及被待检测锂电池反射回来后形成的反射超声波，透射超声波和反射超声波经超声波接收探头传回至超声波发射接收器，超声波发射接收器将信息超声波传送至所述能量积分器。能量积分器对信息超声波进行积分转换，并转化为超声波数字信号传送至所述计算机，计算机将所述超声波数字信号与所述标定曲线进行比对，确定所述锂电池的荷电状态的测量值。
在本发明的一个实施例中，采用超声波发射探头贴附在待检测锂离子电池面积最大的平面的中心位置处，采用第一超声波接收探头贴附在待检测电池的同一平面处并紧邻超声波发射探头，采用第二超声波接收探头贴附在与超声波发射探头所在平面的相对平面上，第二超声波接收探头处于该相对平面的中心位置处。超声脉冲信号为超声纵波，以垂直于待检测电池电极平面的方向穿过整个电池。超声波的频率范围为50K Hz～200KHz。
在实际测量中，由超声波发射探头发射一个超声波脉冲信号，在电池内经过多次发射、折射，被超声波接收探头接收信号，并转化为数字波形。与超声波发射探头同侧的探头接收反射信号，在超声波发射探头对侧的探头接收透射信号。新鲜电池的超声波透射信号强度是T，反射信号强度是R，通过计算机将锂离子电池的充电电流数据以及放电电流数据和超声波的信号能量数据进行归一化拟合处理，并制成对应的标定曲线，并将若干个所述标定曲线制成曲线集合并嵌入进所述计算机内，通过对数据信息的分析模拟，得出根据超声信号强度估计电池荷电状态的经验公式：1.25(T-R)2/T。根据该公式可以计算出该电池的荷电状态。
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，电解液会分解，导致超声波在电池内部的穿透信号减弱，反射信号增加，因而通过对透射信号和发射信号的强度进行公式计算，可以得到与电池荷电状态的对应关系。
对一批同型号，但经过不同放电深度的锂离子软包电池进行荷电状态检测。该型号电池的尺寸为150mm x 100mm x 40mm。电池以及超声接受探头、超声发射探头的安装及工作过程图1所示。给超声发射探头一个振幅50V、频率50KHz的单脉冲正弦激励信号，使其发出50KHz的声波。超声接收探头分别接收到透射信号和反射信号，根据经验公式计算出电池的容量保持率，并与传统电化学法测量的剩余容量进行比对。新鲜电池的容量为102Ah，容量保持率为1。不同放电状态电池的数据如下表所示：
表1为同等条件下不同放电深度锂离子电池采用本发明方法检测荷电状态的数据
由表可知，对该批次电池，以超声波透射强度与反射强度为依据，对电池的荷电状态的评估与电化学法的结果的误差控制在3％以内。说明本发明方法是一种更高效，成本更低廉的检测电池的荷电状态的方法。
本发明所测量的锂离子电池具有平板状封装结构，例如软包锂电池、硬壳锂电池。应用领域为电动汽车、无人机、电动自行车、便携式电子产品。所述锂电池基于锂离子在正负极材料间嵌入脱出的工作原理，采用磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂、硫中一种材料为正极。采用石墨、硅、金属锂中一种材料为负极。
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 (4)
1.一种检测锂离子电池荷电状态的方法，其特征在于，对待检测的锂离子电池施加超声脉冲信号，以产生能够穿透锂离子电池的超声波，在施加超声脉冲信号的一侧收集穿过待检测电池后又被反射回来的超声信号，与此同时，在施加超声脉冲信号的相对一侧收集透射过待检测电池的超声信号，通过对穿透待检测电池的透射超声信号和被反射回来的反射超声信号进行全面收集，采集携带待检测电池荷电状态的超声信号，对超声信号进行处理，实现对锂电池荷电状态的检测；
新鲜电池的超声波透射信号强度是T，反射信号强度是R，通过计算机将锂离子电池的充电电流数据以及放电电流数据和超声波的信号能量数据进行归一化拟合处理，并制成对应的标定曲线，并将若干个所述标定曲线制成曲线集合并嵌入进所述计算机内，通过对数据信息的分析模拟，得出根据超声信号强度估计电池荷电状态的经验公式：1.25（T-R）2/T，根据该公式可以计算出该电池的荷电状态；
其中，采用超声波发射探头贴附在待检测锂离子电池面积最大的平面的中心位置处，采用第一超声波接收探头贴附在待检测电池的同一平面处并紧邻超声波发射探头，采用第二超声波接收探头贴附在与超声波发射探头所在平面的相对平面上，第二超声波接收探头处于该相对平面的中心位置处；
所述超声脉冲信号为超声纵波，以垂直于待检测电池电极平面的方向穿过整个电池；
超声波的频率范围为50 KHz～200 KHz。
2.一种按照权利要求1所述方法检测锂离子电池荷电状态的装置，其特征在于，其包括超声波检测单元和计算机，所述超声波检测单元包括至少设置在两处的超声波接收探头和设置在一处的超声波发射探头，至少设置在两处的超声波接收探头贴附在待检测电池相对的两个面上，分别用于接收穿透待检测电池和被待检测电池反射回来的携带有荷电信息的超声信号，该超声信号为超声波数字信号，设置在一处的超声波发射探头用于贴附在待检测锂离子电池面积最大的面的中心处，并与其中一处的超声波接收探头位于同一个面上，用于产生能够穿入锂离子电池的超声波，
所述计算机与超声检测单元相连，所述计算机内具有由若干标定曲线构成的曲线集合，所述计算机将所述超声波数字信号与所述标定曲线进行比对，确定反映待检测锂电池的荷电状态的测量值；
所述超声脉冲信号为超声纵波，以垂直于待检测电池电极平面的方向穿过整个电池；
超声波的频率范围为50 KHz～200 KHz。
3.如权利要求2所述的一种检测锂离子电池荷电状态的装置，其特征在于，其还包括超声波发射接收器和能量积分器，
超声波发射探头和超声波接收探头分别与所述超声波发射接收器连接，所述超声波发射接收器与所述能量积分器连接，所述能量积分器连接所述计算机，所述超声波发射接收器通过超声波发射探头向待检测锂电池输出检测超声波，所述检测超声波穿过待检测锂电池形成透射超声波以及被待检测锂电池反射回来后形成的反射超声波，透射超声波和反射超声波经超声波接收探头传回至超声波发射接收器，超声波发射接收器将信息超声波传送至所述能量积分器。
4.如权利要求3所述的一种检测锂离子电池荷电状态的装置，其特征在于，所述能量积分器对所述信息超声波进行积分转换，并转化为超声波数字信号传送至所述计算机，所述计算机将所述超声波数字信号与所述标定曲线进行比对，确定所述锂电池的荷电状态的测量值。
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