CN112345815A - 测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，包括磁力计控制系统，还包括多通道并行接收链路、多通道预极化链路、阵列式预极化线圈和阵列式检测线圈，多通道并行接收链路包括多路信号接收链路；多通道预极化链路包括多路预极化链路；阵列式预极化线圈包括多个预极化线圈；阵列式检测线圈包括多个检测线圈；待检测电池组包括多个待检测电池，本发明还公开了测量动力电池组充放电电流分布的方法，本发明可实现电池充放电电流的无损测量；提高磁场测量的精度；提高反演结果的可靠性；提高电池特性的评估效率。
Description
技术领域
本发明属于动力电池检测技术领域，具体涉及测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，还涉及测量动力电池组充放电电流分布的方法，尤其涉及应用磁共振技术测量电池充放电电流的方法。
背景技术
截至目前，新能源汽车保有量已达300万辆以上，新能源汽车使用动力电池进行储能，从电网充满电后，它们能给汽车行驶提供清洁的电能。然而动力电池在反复充放电过程中容量会不断衰减，当可用容量衰减到80％左右时，动力电池要从新能源汽车上退役，因此动力电池退役数量将在近年内呈爆发式增长，庞大的退役量也让高效、安全的动力电池回收成为当前行业前行过程中亟待解决的问题。动力电池退役量的持续攀升，不仅给环境带来巨大的压力，也造成了巨大的资源浪费。
为缓解退役电池日趋累积带来的经济与环境压力，可通过以下两种方式措施予以处理，其一为提高电池的循环利用性能，增加电池使用寿命；其二，可充分利用电池的储能能力，对退役的动力电池进行梯级利用则为缓解与日剧增的报废电池提供了新的应用出口，如动力电池梯级应用主要集中在光伏+电力系统储能、储能式充电桩、通信基站电源等领域。对于提升电池寿命而言，则需要对电池的生产工艺进行优化，同时监测其性能差异，从而严格把控单体电池的质量，比如在单体电池化成工序阶段，同步监测充放电电流对活化过程中形成的SEI膜性能的影响，并依据检测结果制定合理的化成工序或选择成膜添加剂，从而改善SEI 膜的质量，提升电池的循环性能。另一方面，对于动力电池梯级利用，由于退役动力电池组的特性差异较大，首先需要对不同动力电池进行评估，划分出不同的等级，然后结合测评结果对特性差异较大的电池组进行拆分更换，并在此基础上对不同等级的电池进行配阻重组，由此构建不同等级的可重复利用动力电池组。目前，对于动力电池组的特性评估主要依赖于两种方式，一是利用动力电池组部分节点电压分布情况及管理系统存储历史数据进行研判，另一种是结合充放电时电池组的发热情况进行评估。前一种评估方式只能测量部分节点信息，进行粗略的判断，若要准确判断异常电池位置，则需要额外添加更多测评节点，相应地会破坏原有电池组的结构及连接方式。后一种方式受电池组温度梯度及环境温度的影响较大，需要较高的测温精度，且需滤除环境背景噪声的影响。此外，为保证测试结果的可靠性，需要对组内电池进行同步测试，相应的测温设备需具备批量测试功能，会进一步增大测试难度。
由此，为完善电池特性评价指标与方法，并提高退役电池评估效率，需发展新的测量方法，尤其是基于电池充放电电流分析的无损、批量检测技术或方法。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，还提供测量动力电池组充放电电流分布的方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，包括磁力计控制系统，还包括多通道并行接收链路、多通道预极化链路、阵列式预极化线圈和阵列式检测线圈，
多通道并行接收链路包括多路信号接收链路；
多通道预极化链路包括多路预极化链路；
阵列式预极化线圈包括多个预极化线圈；
阵列式检测线圈包括多个检测线圈；
待检测电池组包括多个待检测电池，
每个预极化线圈和对应的检测线圈均设置在对应的待检测电池的侧部，
预极化线圈通过对应的预极化链路与磁力计控制系统连接，
检测线圈通过对应的信号接收链路与磁力计控制系统连接。
如上所述的预极化线圈与对应的检测线圈设置在对应的待检测电池的同侧，预极化线圈置于对应的检测线圈外侧，预极化线圈的中心与对应的检测线圈的中心重合且与对应的待检测电池的电解液面的垂直间距为d。
如上所述的预极化链路包括依次连接的预极化磁场信号产生模块、预极化信号同步控制开关和信号功率放大模块，预极化磁场信号产生模块与磁力计控制系统连接，预极化磁场信号产生模块通过预极化信号同步控制开关与信号功率放大模块连接，信号功率放大模块与对应的预极化线圈连接。
如上所述的信号接收链路均包括依次连接的低噪声放大器、窄带滤波器、信号调理模块，低噪声放大器与对应的检测线圈连接，信号调理模块与磁力计控制系统连接。
测量动力电池组充放电电流分布的方法，包括以下步骤：
步骤1、在待检测电池组的各个待检测电池充放电之前，在待检测电池的电解液面的垂直间距为d的检测位置布置对应的预极化线圈和检测线圈；
通过测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计测量各个待检测电池的检测位置处的背景磁场强度；
步骤2、对待检测电池进行充放电，通过测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计测量各个待检测电池的检测位置处的充放电磁场强度；
步骤3、利用背景磁场强度对充放电磁场强度进行校正，获得各个待检测电池的检测位置处的磁场强度；
步骤4、根据磁场强度与充放电电流之间的关系，获得对应的待检测电池的充放电电流大小。
在步骤1和步骤2中，通过测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计测量各个待检测电池的检测位置处的磁场强度包括以下步骤，磁场强度包括背景磁场强度和充放电磁场强度：
步骤1.1、磁力计控制系统控制预极化链路输出预极化磁场控制信号到对应的预极化线圈；
步骤1.2、磁力计控制系统控制预极化链路停止输出预极化磁场控制信号到对应的预极化线圈；
检测线圈接收共振信号并传输到对应的信号接收链路，经信号接收链路放大及波形调理后发送至磁力计控制系统；
步骤1.3、磁力计控制系统依据接收到的各路信号接收链路放大及波形调理后的共振信号，计算共振信号频率，计算磁场强度为共振信号频率/γ。
磁场强度与充放电电流之间的关系为：
其中，I为充放电电流，μ0为磁导率，a、b、c分别为待检测电池的电解液区域的有效宽度、有效长度、有效厚度，d为检测线圈中心与待检测电池的电解液区域之间的间距，l1为待检测电池的电解液宽度方向的积分变量，dx为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在长度方向直线之间的间距，l2为待检测电池的电解液厚度方向的积分变量，θ1、θ2分别为检测线圈中心与待检测电池电解液区域的长度方向两个等效端点的连线与待检测电池电解液区域的长度方向之间的夹角，待检测电池电解液区域的长度方向两个等效端点为待检测电池电解液各积分区域的两个宽度边沿的中点，dy为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在宽度方向直线之间的间距。
本发明与现有技术相比，具有以下优点
1)依据共振频率与磁场、磁场与电流的对应关系反演电池充放电电流的大小，可实现电池充放电电流的无损测量。
2)预极化磁场的施加可有效提高待测共振信号的极化度，进而提高磁场测量的精度。
3)利用测量磁场减去背景磁场的处理方法，可减小其他因素引起的磁场扰动，进一步提高反演结果的可靠性。
4)阵列式的测量方式可实现电池单体或不同电池的批量测试，有助于提高电池特性的评估效率。
附图说明
图1是本发明的系统框图；
图2为本发明的工作时序示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计包括磁力计控制系统、多通道并行接收链路、多通道预极化链路、阵列式预极化线圈、阵列式检测线圈。
待检测电池组包括m行×n列阵列分布的待检测电池；
多通道并行接收链路包括m×n路信号接收链路；
多通道预极化链路包括m×n路预极化链路；
阵列式预极化线圈包括m行×n列阵列分布的多个预极化线圈；
阵列式检测线圈包括m行×n列阵列分布的检测线圈；
每个预极化线圈和对应的检测线圈均设置在对应的待检测电池的侧部，
预极化线圈通过对应的预极化链路与磁力计控制系统连接，
检测线圈通过对应的信号接收链路与磁力计控制系统连接。
磁力计控制系统实现多通道并行接收链路、多通道预极化链路的同步控制。具体地，磁力计控制系统依据磁力计工作时序(如图2所示)控制所述多通道并行接收链路、多通道预极化链路有序的运行，实现阵列式预极化线圈、阵列式检测线圈的磁场励磁与信号检测功能。
磁力计控制系统用于接收多通道并行接收链路的各路信号接收链路输出的放大调理信号，获取对应的共振信号的频率信息ω，进而计算各个检测线圈所对应的检测位置的磁场强度B，其中，磁场强度B与共振信号的频率信息ω之间服从式(1)所述关系：
ω＝γ·B (1)
其中γ为检测核的磁旋比。
磁力计控制系统还用于反演不同待检测电池的检测位置的电流分布情况，具体地待检测电池的充放电电流I与磁场强度B之间的关系服从如下式(2)：，
式中，I充放电电流，a为待检测电池电解液区域的有效宽度，b为待检测电池电解液区域的有效长度，c为待检测电池电解液区域的有效厚度，d为检测线圈中心与电解液区域之间的间距，l1为待检测电池电解液区域宽度方向的积分变量，dx为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在长度方向直线之间的间距，l2为待检测电池电解液区域厚度方向的积分变量，θ1、θ2分别为检测线圈中心与待检测电池电解液区域的长度方向两个等效端点的连线与待检测电池电解液区域的长度方向之间的夹角，待检测电池电解液区域的长度方向两个等效端点为待检测电池电解液各积分区域的两个宽度边沿的中点，具体角度可由式(3)表示
式中，dy为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在宽度方向直线之间的间距。
特别地，检测线圈的中心轴线在待检测电池的电解液平面中心法线上时在待检测电池的充放电电流I与磁场强度B空间中静磁场之间的关系服从如下关系：
θ1＝θ2＝θ的情况下，角度θ可由式(5)表示：
每路预极化链路均包括依次连接的预极化磁场信号产生模块、预极化信号同步控制开关和信号功率放大模块，预极化磁场信号产生模块与磁力计控制系统连接，预极化磁场信号产生模块通过预极化信号同步控制开关与信号功率放大模块连接，信号功率放大模块与对应的预极化线圈连接。同时，各个预极化线圈依据磁力计控制系统设定的时序分别产生对应的预极化磁场。
其中，预极化磁场信号产生模块用于生成预极化磁场的初级信号，预极化信号同步控制开关用于同步控制预极化磁场的初级直流信号的输出起始时间及有效时间，信号功率放大单元用于放大经预极化信号同步控制开关输出的预极化磁场的初级直流信号，并驱动对应的预极化线圈，信号功率放大单元可通过V-I 放大方式实现。
各个预极化线圈的一种可用结构为Helmholtz线圈，预极化线圈与对应的检测线圈设置在对应的待检测电池的同侧，预极化线圈置于对应的检测线圈外侧，预极化线圈的中心与对应的检测线圈的中心重合且与对应的待检测电池的电解液面的垂直间距均为d。各个预极化线圈与对应的预极化链路连接，用于产生对应的预极化磁场，其中，预极化线圈磁场方向与待检测电池电解液充放电电流方向平行。
各个检测线圈的结构可选为谐振频率在音频频段的螺线圈，谐振频率随垂直间距d以及充放电电流I的大小决定，各检测线圈与对应的预极化线圈共同置于待检测电池同侧，检测线圈中心和对应的预极化线圈中心与对应的待检测电池的电解液面的垂直间距为d。各个检测线圈用于同步检测不同待检测电池距离电解液面的垂直间距为d的检测位置的磁场强度，检测线圈的线圈磁场方向与待检测电池电解液充放电电流液面法线方向平行。各个检测线圈与对应的信号接收链路相连，检测线圈接收到的共振信号输入至各对应的信号接收链路中进行后续处理。
各路信号接收链路均包括依次连接的低噪声放大器、窄带滤波器、信号调理模块，低噪声放大器与对应的检测线圈连接，信号调理模块与磁力计控制系统连接。
其中，低噪声放大器用于初级放大对应检测线圈传输的共振信号，窄带滤波器用于滤除环境及通路中的噪声，信号调理模块用于将放大后的共振信号调整为磁力计控制系统兼容的电平信号，便于共振信号的频率信息采集。
测量动力电池组充放电电流分布的方法，包括以下步骤：
步骤1、背景磁场测量：在待检测电池组的各个待检测电池充放电之前，将阵列为m×n的检测线圈与预极化线圈置于对应的待检测电池距离均为d的检测位置处，磁力计控制系统通过检测线圈和对应的信号接收链路，测量各待检测电池对应区域的背景磁场强度B0。
步骤2、充放电磁场测量：对待检测电池进行充放电，磁力计控制系统通过预极化链路驱动对应的预极化线圈产生预极化磁场，磁力计控制系统通过检测线圈和对应的信号接收链路，测量各待检测电池充放电状态下对应的检测位置处的充放电磁场强度B1。
步骤3、测量磁场校正：利用步骤1中测得背景磁场强度B0对步骤2中测得充放电磁场强度B1进行校正，消除空间分布的地磁场以及其他铁磁性物质引起的背景磁场，获得充放电电流在检测位置产生的磁场强度B。
步骤4、充放电电流反演，依据步骤3中获得的充放电电流在检测位置产生的磁场强度B，结合待检测电池的充放电电流I与磁场强度B之间的关系进行反演，获得对应待检测电池的充放电电流的大小I，作为电池性能评估的依据。
磁场强度与充放电电流之间的关系为：
其中，I为充放电电流，μ0为磁导率，a、b、c分别为待检测电池的电解液区域的有效宽度、有效长度、有效厚度，d为检测线圈中心与待检测电池的电解液区域之间的间距，l1为待检测电池的电解液宽度方向的积分变量，dx为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在长度方向直线之间的间距，l2为待检测电池的电解液厚度方向的积分变量，θ1、θ2分别为检测线圈中心与待检测电池电解液区域的长度方向两个等效端点的连线与夹角待检测电池电解液区域的长度方向之间的夹角，待检测电池电解液区域的长度方向两个等效端点为待检测电池电解液各积分区域的两个宽度边沿的中点，dy为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在宽度方向直线之间的间距。
步骤5、跳转至步骤2，重复后续测量步骤，测量磁场并计算电流分布情况，监测电流变化情况。
更进一步，磁力计控制系统通过预极化链路驱动对应的预极化线圈产生预极化磁场，磁力计控制系统通过检测线圈和对应的信号接收链路，测量各待检测电池充放电状态下对应的检测位置处的充放电磁场强度包括以下步骤：施加预极化磁场、共振信号接收、测量磁力计算，具体时序如图2所示。
步骤1.1、施加预极化磁场：在图2所示d1时刻，磁力计控制系统控制预极化链路输出预极化磁场控制信号到对应的预极化线圈，阵列式预极化线圈产生对应的预极化磁场，预极化时间为d2-d1。
步骤1.2、检测位置内共振信号接收：磁力计控制系统控制预极化链路停止输出预极化磁场控制信号到对应的预极化线圈，取消加载的预极化磁场后，阵列式检测线圈将各自检测位置内的共振信号传输至对应的信号接收链路，经信号接收链路放大及波形调理后发送至磁力计控制系统，共振信号的采集时间为d3-d2。
步骤1.3、测量磁场计算：磁力计控制系统依据接收到的各路信号接收链路放大及波形调理后的共振信号的频率ω，计算不同检测位置的磁场强度为ω/γ，下次磁场测量前的准备及数据处理预留时间为d4-d3。
特别地，在磁场测量期间，电池一直处于充电或放电状态。
需要指出的是，本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，包括磁力计控制系统，其特征在于，还包括多通道并行接收链路、多通道预极化链路、阵列式预极化线圈和阵列式检测线圈，
多通道并行接收链路包括多路信号接收链路；
多通道预极化链路包括多路预极化链路；
阵列式预极化线圈包括多个预极化线圈；
阵列式检测线圈包括多个检测线圈；
待检测电池组包括多个待检测电池，
每个预极化线圈和对应的检测线圈均设置在对应的待检测电池的侧部，
预极化线圈通过对应的预极化链路与磁力计控制系统连接，
检测线圈通过对应的信号接收链路与磁力计控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，其特征在于，所述的预极化线圈与对应的检测线圈设置在对应的待检测电池的同侧，预极化线圈置于对应的检测线圈外侧，预极化线圈的中心与对应的检测线圈的中心重合且与对应的待检测电池的电解液面的垂直间距为d。
3.根据权利要求1所述的测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，其特征在于，所述的预极化链路包括依次连接的预极化磁场信号产生模块、预极化信号同步控制开关和信号功率放大模块，预极化磁场信号产生模块与磁力计控制系统连接，预极化磁场信号产生模块通过预极化信号同步控制开关与信号功率放大模块连接，信号功率放大模块与对应的预极化线圈连接。
4.根据权利要求1所述的测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，其特征在于，所述的信号接收链路均包括依次连接的低噪声放大器、窄带滤波器、信号调理模块，低噪声放大器与对应的检测线圈连接，信号调理模块与磁力计控制系统连接。
5.测量动力电池组充放电电流分布的方法，利用权利要求1所述的测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在待检测电池组的各个待检测电池充放电之前，在待检测电池的电解液面的垂直间距为d的检测位置布置对应的预极化线圈和检测线圈；
通过测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计测量各个待检测电池的检测位置处的背景磁场强度；
步骤2、对待检测电池进行充放电，通过测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计测量各个待检测电池的检测位置处的充放电磁场强度；
步骤3、利用背景磁场强度对充放电磁场强度进行校正，获得各个待检测电池的检测位置处的磁场强度；
步骤4、根据磁场强度与充放电电流之间的关系，获得对应的待检测电池的充放电电流大小。
6.根据权利要求5所述的测量动力电池组充放电电流分布的方法，其特征在于，在步骤1和步骤2中，通过测量动力电池组充放电电流分布的阵列式磁场计测量各个待检测电池的检测位置处的磁场强度包括以下步骤，磁场强度包括背景磁场强度和充放电磁场强度：
步骤1.1、磁力计控制系统控制预极化链路输出预极化磁场控制信号到对应的预极化线圈；
步骤1.2、磁力计控制系统控制预极化链路停止输出预极化磁场控制信号到对应的预极化线圈；
检测线圈接收共振信号并传输到对应的信号接收链路，经信号接收链路放大及波形调理后发送至磁力计控制系统；
步骤1.3、磁力计控制系统依据接收到的各路信号接收链路放大及波形调理后的共振信号，计算共振信号频率，计算磁场强度为共振信号频率/γ。
7.根据权利要求5所述的测量动力电池组充放电电流分布的方法，其特征在于，磁场强度与充放电电流之间的关系为：
其中，I为充放电电流，μ0为磁导率，a、b、c分别为待检测电池的电解液区域的有效宽度、有效长度、有效厚度，d为检测线圈中心与待检测电池的电解液区域之间的间距，l1为待检测电池的电解液宽度方向的积分变量，dx为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在长度方向直线之间的间距，l2为待检测电池的电解液厚度方向的积分变量，θ1、θ2分别为检测线圈中心与待检测电池电解液区域的长度方向两个等效端点的连线与待检测电池电解液区域的长度方向之间的夹角，待检测电池电解液区域的长度方向的两个等效端点为待检测电池电解液各积分区域的两个宽度边沿的中点，dy为检测线圈中心在电解液区域的投影与电解液区域中心所在宽度方向直线之间的间距。
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