CN113189506B - 一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于锂离子电池技术领域，尤其是一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，解决了现有技术中检测手段未能同时满足精度和效率方面的要求，超声波对SOC的表征存在单个声学指标与电池材料动力学特性不清晰的问题，所述基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，所述表征方法是由基于声波振铃计数的锂离子电池荷电状态表征方法测试系统实现的；所述系统包括电池测试模块、主机控制模块、超声检测模块、压电探头、夹具以及锂离子电池。本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法能够同时满足精度和效率方面的要求，并解决了现有超声波对SOC的表征存在单个声学指标与电池材料动力学特性不清晰的问题。
Description
技术领域
本发明涉及锂离子电池技术领域，尤其涉及一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法。
背景技术
锂离子电池由于其比能量高等优点，被广泛用于3C产品和电动汽车。在电动汽车中锂离子电池作为动力电池使用，电动汽车的电池管理系统(BMS)通过对车载动力电池进行有效控制和管理以保障电动汽车安全可靠的运行。
锂离子电池的荷电状态(State of Charge，SOC)是锂离子电池性能的重要指标，其准确估算是电池管理系统运行的前提和关键技术之一。许多先进的检测技术已被证实能获取锂离子电池的荷电状态，然而目前的检测手段未能同时满足精度和效率方面的要求。利用超声波对SOC的表征已经得到初步的认可，该方法检测效率高、对电池损伤小，但存在单个声学指标与电池材料动力学特性不清晰的问题。基于上述陈述，本发明提出了一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中检测手段未能同时满足精度和效率方面的要求，超声波对SOC的表征存在单个声学指标与电池材料动力学特性不清晰的问题，而提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，本发明在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池SOC的评价中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导了振铃计数与有效杨氏模量的对应关系，提出基于超声纵波的锂离子电池SOC在线检测方法，结合常规的声学指标研究了锂离子电池在充放电循环中有效杨氏模量演化规律，通过分析声波时域特征，实现了对锂离子电池SOC的动态监测，验证了振铃计数对SOC表征的可行性、有效性。
一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，所述表征方法是由基于声波振铃计数的锂离子电池荷电状态表征方法测试系统实现的；所述测试系统包括电池测试模块、主机控制模块、超声检测模块、压电探头、夹具以及锂离子电池；
所述表征方法具体操作步骤如下：压电探头由夹具固定在锂离子电池两侧，电池测试模块将锂离子电池进行制循环充放电；在充放电的同时触发超声测量模块，超声测量模块采用一发一收模式，经由固定在锂离子电池两侧的压电探头完成收发过程，由此可测量锂离子电池纵向深度方向接收到的超声纵波；锂离子电池以及夹具放置于恒温箱中，以降低由外部环境温差影响产生的实验误差；将获取到的数据进行分析处理得到振铃计数与锂离子电池SOC的变化关系，结合超声波幅值、ToF偏移量对锂离子电池进行有效表征。
优选的，所述电池测试模块主要由新威高精度电池性能系统提供，包括下位机（CT-4008-5V6A-S1）和中位机 （CT-ZWJ-4´S-T-1U）。
优选的，所述电池测试模块为保证电池充满，在恒流充电后需进行恒压充电，使锂离子在电极材料中达到均匀分布。
优选的，所述主机控制模块为PC端上位机，用于实时显示锂电离子池充放电过程中的电压、电流、温度变化以及控制超声检测模块的参数设置和启停操作。
优选的，所述超声检测模块由高功率脉冲发生器和示波器组成。
优选的，所述压电探头一侧装有压力传感器，保证每次实验过程中固定在夹具上的锂离子电池所受到的压力恒定。
优选的，所述压电探头为避免由于波长过大引起的波的叠加以及保证波的传输效率，选取频率为 5MHz的压电探头（A405A-SB，日本奥林巴斯）以激发和接收透射波。在换能器与电池接触表面涂有油性耦合剂（B2 甘油耦合剂，日本奥林巴斯）以增强波传输效率，维持长时间的在线测量。
优选的，所述锂离子电池选用3435mAh软包锂离子电池（SP376080SI，天津力神），正极材料为钴酸锂（LiCoO2, LCO），负极材料为石墨，尺寸80*60*3.76mm。
本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，具有以下有益效果：
本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法能够同时满足精度和效率方面的要求，并解决了现有超声波对SOC的表征存在单个声学指标与电池材料动力学特性不清晰的问题，在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池SOC的评价中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导了振铃计数与有效杨氏模量的对应关系，提出基于超声纵波的锂离子电池SOC在线检测方法，结合常规的声学指标研究了锂离子电池在充放电循环中有效杨氏模量演化规律，通过分析声波时域特征，实现了对锂离子电池SOC的动态监测，验证了振铃计数对SOC表征的可行性、有效性。
附图说明
图1为本发明提出的基于声波振铃计数的锂离子电池荷电状态表征方法测试系统的示意图；
图2为本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法中单体锂离子电池充放电原理示意图；
图3为本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法中振铃计数的提取示意图；
图4为本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法中充电振铃计数曲线图；
图5为本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法中充电电压曲线图；
图6为本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法中充电ToF偏移曲线图；
图7为本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法中充电超声波幅值曲线图。
具体实施方式
参照附图1-7，下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例
本发明提出的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，包括以下步骤：
所述表征方法是由基于声波振铃计数的锂离子电池荷电状态表征方法测试系统实现的；所述测试系统包括电池测试模块、主机控制模块、超声检测模块、压电探头、夹具以及锂离子电池；
所述表征方法具体操作步骤如下：压电探头由夹具固定在锂离子电池两侧，电池测试模块将锂离子电池进行制循环充放电；在充放电的同时触发超声测量模块，超声测量模块采用一发一收模式，经由固定在锂离子电池两侧的压电探头完成收发过程，由此可测量锂离子电池纵向深度方向接收到的超声纵波；锂离子电池以及夹具放置于恒温箱中，以降低由温差影响产生的实验误差；将获取到的数据进行分析处理得到振铃计数与锂离子电池soc的变化关系，结合超声波幅值、ToF偏移量对锂离子电池进行有效表征。
所述电池测试模块主要由新威高精度电池性能系统提供，包括下位机（CT-4008-5V6A-S1）和中位机（CT-ZWJ-4´S-T-1U）。电池选用 3435mAh 软包锂离子电池（SP376080SI，天津力神），正极材料为钴酸锂，负极材料为石墨，尺寸 80×60×3.76mm。充电机制如表 1所示。为保证电池充满，在恒流充电后需进行恒压充电，使锂离子在电极材料中达到均匀分布。由于锂离子电池厚度较薄，为避免由于波长过大引起的波的叠加以及保证波的传输效率，选取频率为 5MHz的压电探头（A405A-SB，日本奥林巴斯）以激发和接收透射波。在换能器与电池接触表面涂有油性耦合剂（B2 甘油耦合剂，日本奥林巴斯）以增强波传输效率，维持长时间的在线测量。利用夹具固定压电探头的位置，利用置于探头和夹具之间的压力传感器测量压力以保证夹具施加的压力一定。
所述主机控制模块为PC端上位机，用于实时显示锂离子电池充放电过程中的电压、电流、温度变化以及控制超声检测模块的参数设置和启停操作。
所述超声检测模块由高功率脉冲发生器和示波器组成。
所述压电探头一侧装有压力传感器，保证每次实验过程中固定在夹具上的锂离子电池所受到的压力恒定。
所述压电探头为避免由于波长过大引起的波的叠加以及保证波的传输效率，选取频率为 5MHz的压电探头（A405A-SB，日本奥林巴斯）以激发和接收透射波。在换能器与电池接触表面涂有油性耦合剂（B2 甘油耦合剂，日本奥林巴斯）以增强波传输效率，维持长时间的在线测量。
表1：
| 工步 | 电流 | 电压 | 时间 |
| 恒流充电 | 2748mA | 截止电压4.45V | — |
| 恒压充电 | 截止电流171.8 mA | 4.45V | — |
| 搁置 | — | — | 10min |
| 恒流放电 | 2748 mA | 截止电压3V | — |
实验数据的获取与处理
选择恒温箱设定为25℃条件下，对锂离子电池进行 60 次的循环充放电，已知该电池使用寿命为 300 次，由此可认为 60 次环内为短期循环特性分析。超声模块施加经汉宁窗调制后的单周期正弦波信号，夹具对探头施加 3N的压力，单次充放电循环时长约为4h，利用PC端对示波器接收到的信号每4min取保存一次，根据现有研究计纵波在正极为LCO 的锂离子电池传播速度约为2250m/s，因此接收到初至波时间约为2μs左右，初至波完整波包时长约为5μs，调节示波器获取波形窗口时为8μs 左右。
将获取的实验数据首先进行平滑去噪处理，以滤掉实验过程中由恒温箱、测试仪等引起的环境噪声产生的声信号。再进行去趋势处理，以消除传感器在获取数据时产生的偏移对幅值的量值和振铃计数阈值选取的影响。
本发明在超声波对SOC的表征基础上，将振铃计数引入电池SOC的评价中，明确振铃计数与SOC的相关性，推导了振铃计数与有效杨氏模量的对应关系，提出基于超声纵波的锂离子电池SOC在线检测方法，结合常规的声学指标研究了锂离子电池在充放电循环中有效杨氏模量演化规律，通过分析声波时域特征，实现了对锂离子电池SOC的动态监测，验证了振铃计数对SOC表征的可行性、有效性。
振铃计数与杨氏模量之间的映射关系表达式如下：
式中：Nm 通常可在电池失效下获得，与电池材料、尺寸等有关，在检测对象不变时可看作常数。作为公式中的关键参数，获取的动态振铃计数 Ni在一定程度上避免了电池整体有效密度变化对该参数的影响，且电极的锂化和脱锂化而产生应力仅与充电倍率有关，因此，在单一充电策略下可以通过振铃计数分析杨氏模量与 SOC 之间的关联关系。
由于振铃计数与杨氏模量唯一的对应关系，在充放电过程中不仅可以展示出常规声学指标的表征功能，还能进一步详细地揭示杨氏模量的演变规律，这是常规的声学指标所不能体现出来的独特优势。在充放电过程中随着SOC的变化，在充电后期根据振铃计数变化可 以得出杨氏模量与SOC呈接近线性相关。
本发明提出振铃计数的原理是通过设定阈值来统计信号超过阈值的次数，利用这个计数来表达结构的阻尼特性；声波在锂离子电池内传播中，一部分被反射一部分经折射被换能器接收，在折射过程中由于材料的粘滞性以及其他阻尼特性所带来的能量损失是波衰减直至消失的主要原因；部分反射波在电极层内被多次反射，经折射后被传感器接收，该现象在多激励周期下可被明显捕捉，由于本实验采用激励时长短，信号微弱且不与主波包重叠，设其主波包的方均根（Root Mean Square，RMS）的10%为门槛电压，未超过门槛值的波包将被滤除以针对主波包的计数提取，超过越过门槛信号的振荡次数则设为每组数据的振铃计数。
实验结论
1）推导振铃计数于杨氏模量之间的对应关系。根据基于 Lemaitre 应变等效原理推导出的对应关系可以体现振铃计数唯一地揭示整体有效杨氏模量的演化规律的能力。
2）锂离子电池整体有效杨氏模量变化规律。基于SOC与杨氏模量、振铃计数之间的对应关系，根据振铃计数变化趋势的可以得出锂离子电池杨氏模量单次循环中总体表现出“稳→升→降”的趋势和阶梯性变化特征。
3）基于声波时域特征的锂离子SOC 的有效表征。从实验数据可以看出，杨氏模量在充电后期与SOC的呈近乎线性的对应关系，结合幅值、ToF 偏移量可以对锂离子电池SOC进行有效表征，为锂离子电池短期循环特性的判定提供了新的方法。
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。
Claims (7)
1.一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，其特征在于，所述表征方法是由基于声波振铃计数的锂离子电池荷电状态表征方法测试系统实现的；所述测试系统包括电池测试模块、主机控制模块、超声检测模块、压电探头、夹具以及锂离子电池；
所述表征方法具体操作步骤如下：压电探头由夹具固定在锂离子电池两侧，电池测试模块将锂离子电池进行循环充放电；在充放电的同时触发超声测量模块，超声测量模块采用一发一收模式，经由固定在锂离子电池两侧的压电探头完成收发过程，由此可测量锂离子电池纵向深度方向接收到的超声纵波；锂离子电池以及夹具放置于恒温箱中，以降低由温差影响产生的实验误差；将获取到的数据进行分析处理得到振铃计数与锂离子电池SOC的变化关系，结合超声波幅值、ToF偏移量对锂离子电池进行有效表征；
振铃计数与杨氏模量之间的映射关系表达式如下：
式中：Nm通常可在电池失效下获得，与电池材料、尺寸等有关，在检测对象不变时可看作常数，作为公式中的关键参数，获取的动态振铃计数Ni在一定程度上避免了电池整体有效密度变化对该参数的影响，且电极的锂化和脱锂化而产生应力仅与充电倍率有关，因此，在单一充电策略下可以通过振铃计数分析杨氏模量与SOC之间的关联关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，其特征在于，所述电池测试模块主要由新威高精度电池性能系统提供，包括下位机和中位机。
3.根据权利要求1所述的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，其特征在于，所述电池测试模块为保证电池充满，在恒流充电后需进行恒压充电，使锂离子在电极材料中达到均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，其特征在于，所述主机控制模块为PC端上位机，用于实时显示锂离子电池充放电过程中的电压、电流、温度变化以及控制超声检测模块的参数设置和启停操作。
5.根据权利要求1所述的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，其特征在于，所述超声检测模块由高功率脉冲发生器和示波器组成。
6.根据权利要求1所述的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，其特征在于，所述压电探头一侧装有压力传感器，保证每次实验过程中固定在夹具上的锂离子电池所受到的压力恒定。
7.根据权利要求1所述的一种基于声波时域特征的锂离子电池荷电状态表征方法，其特征在于，所述锂离子电池选用3435mAh软包锂离子电池，正极材料为钴酸锂，负极材料为石墨。
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