CN112083339B - 一种电池荷电状态监测方法 - Google Patents
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Abstract
一种电池荷电状态监测方法，包括以下步骤：提供能提取颜色信息的传感器、软件和算法，以及电池正极颜色‑荷电状态（SOC）特性关系曲线与负极颜色‑SOC特性关系曲线；通过传感器、软件和算法提取电池正极与负极实时的颜色信息值（R值、G值、B值、灰度值、透明度、透光率）；由所得正极与负极颜色信息分别带入正极颜色‑SOC特性关系曲线与负极颜色‑SOC特性关系曲线来对应确定出电池实时的SOC。本发明将电池正极与负极颜色变化或者能够反映电池颜色变化的参数作为SOC估算的依据。通过对电池正极与负极颜色变化与电池SOC值预先建立特性曲线，在电池的实际使用过程中无需测量电池电压等传统电化学手段，通过监测颜色变化即可实现实时的SOC监测，具有简单无损的特点，能够实时准确的监测电池SOC值，为电池管理系统提供新的方案与技术。
Description
技术领域
电池管理领域，具体涉及一种电池系统荷电状态监测方法。
背景技术
电池的剩余容量又称电池的荷电状态(State of Charge，SOC)是衡量电池状态的重要参数之一，也是电池系统实现精确控制和管理的最直接依据。目前电池SOC估算策略主要有：放电实验法、开路电压法、安时积分法、神经网络法和卡尔曼滤波法等。这些方法都需要对电池电压进行测量，通过电压估算电池的剩余容量。其中放电实验法和开路电压法无法对工作中的电池进行 SOC在线监测，安时积分法的SOC估算结果通常不够准确，神经网络法和卡尔曼滤波法需要对电池数据进行分析与建模，方法较为复杂。这些方法所需达到的估算精度越高，实现难度越大，需要进行的计算越复杂，对电池管理系统的要求也越高。
基于上述问题，有必要提出一种简单准确且能够远程控制的电池荷电状态监测方法。
发明内容
一种电池荷电状态监测方法，包括以下步骤：
提供能提取颜色信息的传感器、软件和算法，以及电池正极颜色-荷电状态（SOC）特性关系曲线，负极颜色-荷电状态（SOC）特性关系曲线；
通过传感器、软件和算法提取电池正极与负极实时的颜色信息，包括R值、G值、B值、灰度值、透明度、透光率；
由所得正极颜色信息带入正极颜色-SOC特性关系曲线，所得负极RGB颜色信息带入负极颜色-SOC特性关系曲线来对应确定出电池实时的SOC。
进一步的，所述电池正极，包括一种或多种混合的颜色可随电池荷电状态规律变化的氧化还原活性物质，所述电池负极，包括一种或多种混合的颜色可随电池荷电状态规律变化的氧化还原活性物质。
进一步的，所述电池正极与负极的颜色可随电池的荷电状态规律性地变化。
进一步的，所述提取颜色信息的传感器拍摄正极与负极的照片、视频。
进一步的，所述提取颜色信息的软件是一种图像、编程和数据处理的软件。
进一步的，所述提取颜色信息的算法，包括提取正极的颜色信息（R值、G值、B值、灰度值、透明度、透光率）与负极的颜色信息（R值、G值、B值、灰度值、透明度、透光率）。
在其中的一个实施例中，所述电池正极与负极颜色-SOC特性关系通过以下步骤获得：
对标准电池进行充放电循环，同时通过传感器对电池进行监控，实时获得其颜色信息。
通过在充放电循环中多个时间点的所得的颜色信息值与所述标准电池的SOC值拟合得到所述电池正极颜色-SOC特性关系与负极颜色-SOC特性关系。
进一步的，所述标准电池是与所述待测电池具有相同规格和参数的电池。
附图说明
图1为本发明第一个实施例的装置结构示意图，
图中：1.电池整体外壳、2.电池正极、3.电池负极、4.传递颜色信息的传感器、5.数据传输通道、6.电池正极与负极7.计算机及软件。
图2为本发明第一个实施例的电池荷电状态监测方法的流程图。
图3为本发明第一个实施例测试标准电池所得到的R颜色值-SOC特性关系曲线。
图4为本发明第二个实施例的装置结构示意图
图中：1.正极储罐，2.负极储罐，3.循环泵，4.液流电池正极，5.液流电池负极，6.正极出口管路，7.负极出口管路，8.正极入口管路，9.负极入口管路,10.隔膜，11.传感器，12. 计算机及软件。
图5为本发明第二个实施例的电池荷电状态监测方法的流程图。
图6为本发明第二个实施例测试标准电池所得到的B颜色值-SOC特性关系曲线。
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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明说明书中提到的电池“荷电状态”(SOC)，代表的是电池使用一段时间所具有的电量与电池完全充电状态时具有的电量的比值，取值范围为0～1，当SOC＝0 时表示电池完全放电，当SOC＝1时表示电池完全充满。
请参阅图1、图2、图3，本发明第一实施例提供一种新型电池荷电状态的监测方法，包括：
S11，提供能传递颜色信息的传感器4，实现能提取颜色信息的MATLAB软件和对应算法的计算机7，以及电池正极R颜色信息值-SOC特性关系曲线(图3)；
S12，对第一实施例待测电池进行充放电循环；
S13，通过传感器4、MATLAB软件和算法获得所述充放电循环过程中的待测时间点的R颜色信息值、透光率与透明度，并利用透光率与透明度矫正R颜色信息值；
S14，将所述R颜色信息值代入电池正极与负极颜色-SOC特性关系曲线，得到所述待测时间点的所述待测电池的SOC值；
在第一实施例中，所述的待测电池为自分层电池，正极活性物质名称为2,2,6,6-四甲基哌啶-氮-氧化物（2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl，TEMPO），在充放电过程中会伴随一个电子的转移，可逆性良好。由TEMPO溶于四乙二醇二甲醚（Tetraethyleneglycol dimethyl ether，TEGDME）再加上其他盐形成类橙色的正极。该正极的颜色会随着充电过程中SOC的增加变化，也会随放电过程中SOC降低相应地逆变化，可逆性良好。
在第一实施例中，通过S11所述的传感器4，对电池正极实时摄影记录；通过S11所述软件MATLAB及其对应算法，实现对第一实施例待测电池正极多个实时图像中颜色的RGB值的批量读取计算。
在第一实施例中，所述的RGB值中的G值和B值随电池的SOC变化很小，故使用R值的变化来整体代表溶液颜色的变化，并通过透光率与透明度进行矫正。根据S11所述的正极R颜色信息值-SOC特性关系曲线(图3)，将实时测得的R值带入，即可得知对应的电池SOC值，其准确率可达99%。比如当计算机读出此时正极R颜色值为180时，能从图3曲线对应出此时SOC约为24%。
请参阅图4、图5、图6，本发明第二实施例提供一种液流电池荷电状态的监测方法，包括：
S21，提供能传递颜色信息的传感器11，实现能提取颜色信息的SCILAB软件和对应算法的计算机12，以及电池负极B颜色信息值-SOC特性关系曲线(图6)；
S22，对第一实施例待测电池进行充放电循环；
S23，通过传感器11、SCILAB软件和算法获得所述充放电循环过程中的待测时间点的B颜色信息值；
S24，将所述B颜色信息值代入电池负极颜色-SOC特性关系曲线，得到所述待测时间点的所述待测电池的SOC值。
在第二实施例中，所述的待测电池为全钒液流电池，该电池工作时，正负两极的正极与负极罐分别含有V4+离子、V5+离子和V2+离子、V3+离子的水溶液。外接泵将两极的正极与负极压入电池堆体内，在半电池和储液罐循环流动，中间加上隔膜。当外加电压时，利用正极液与负极液流经正负电极表面发生的氧化还原反应储能，此时负极中的二价钒离子和三价钒离子会互相转化，表现为负极颜色的变化。即该电池负极的颜色会随着充电过程中SOC的增加变化，也会随放电过程中SOC降低相应地逆变化，且可逆性良好。
在第二实施例中，通过S21所述的传感器11，对电池正极实时摄影记录；通过S21所述软件SCILAB及其对应算法，实现对待测的液流电池负极多个实时图像中颜色的RGB值的批量读取计算。
在第二实施例中，所述的RGB值中的R值和G值随电池的SOC变化不明显，故使用B值的变化来整体代表溶液颜色的变化。根据S21所述的负极B颜色信息值-SOC特性关系曲线(图6)，将实时测得的B值带入，即可得知对应的电池SOC值，其准确率亦可达99%。比如当计算机读出此时负极B颜色值为51时，能从图3曲线对应出此时SOC约为91%，电池为接近充满的状态。
本发明实施例将多种电池正极与负极颜色变化或者能够反映电池颜色变化的参数，作为SOC估算的依据。通过对电池正极与负极颜色变化与电池SOC值预先建立特性曲线。在电池的实际使用过程中无需测量电池电压等传统电化学手段，通过监测颜色变化比如简单地拍摄实时的照片即可实现实时的SOC监测，具有简单无损的特点，能够实时准确的监测电池SOC值，为电池管理系统提供新的方案与技术。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (4)
1.一种电池荷电状态监测方法，包括以下步骤：
提供能提取颜色信息的传感器、软件和算法，以及电池正极R颜色信息值-荷电状态特性关系曲线，负极B颜色信息值-荷电状态特性关系曲线；
通过传感器、软件和算法提取电池正极实时R颜色信息值和负极实时B颜色信息值，并利用透明度、透光率矫正R颜色信息值；
由所得电池正极实时正极R颜色信息值带入正极R颜色信息值-荷电状态特性关系曲线，所得电池负极实时B颜色信息值带入负极B颜色信息值-荷电状态特性关系曲线来对应确定出电池实时的荷电状态；
所述电池R颜色信息值-荷电状态特性关系曲线与负极B颜色信息值-荷电状态特性关系曲线通过以下步骤获得：对标准电池进行充放电循环，同时通过传感器对标准电池进行监控，实时获得其颜色信息；
通过搜集在充放电循环中多个时间点的正负极颜色信息值与所述标准电池的荷电状态值，拟合得到所述电池正极R颜色信息值-荷电状态特性关系曲线与负极B颜色信息值-荷电状态特性关系曲线。
2.根据权利要求1所述的电池荷电状态监测方法，其特征在于，
所述电池正极，包括一种或多种混合的颜色可随电池荷电状态规律变化的氧化还原活性物质，所述电池负极，包括一种或多种混合的颜色可随电池荷电状态规律变化的氧化还原活性物质。
3.根据权利要求1所述的电池荷电状态监测方法，其特征在于，
所述提取颜色信息的传感器拍摄正极与负极的照片、视频。
4.根据权利要求1所述的电池荷电状态监测方法，其特征在于，
所述提取颜色信息的软件包括图像处理软件、编程软件、数据处理软件。
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