CN113433474A - 基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置及方法，其原理在于锂离子电池充放电过程中的过渡性金属离子在外加偏置磁场的作用下被磁化，其磁矩方向会沿磁场方向排列，从而产生磁性变化，而且不同过渡性金属离子的磁矩大小不同，其被磁化后产生的磁性强度变化也不同。本申请可以对锂离子电池电量以及充放电过程中的化学反应过程进行直接监测，并且不需要将待测锂离子电池接入监测电路。本申请还提供了一种基于本方法的锂离子电池监测方案，该方案所使用监测装置小型便携，适用于锂离子电池的商业应用和实验研究。

Description

基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置及方法

技术领域

本发明涉及的是锂离子电池领域，具体涉及的是一种基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置及方法。

背景技术

锂离子电池是一种输出稳定、应用广泛的高性能电池。近年来在便携式设备、医疗器械以及电动汽车等领域的应用迅速增长，这是因为锂离子电池拥有能量密度高，充电效率高，输出功率大，使用寿命长等诸多优点，并且其不含有害物质，绿色环保，对环境的影响很小。正是由于对锂离子电池的需求量大，性能要求高，所以对锂离子电池的深入探索以及研究就显得尤为重要。锂离子电池的充放电过程是锂离子在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来实现的，其内部化学反应过程导致不同时刻其中电荷状态各有不同，为了对锂离子电池工作状态进行研究以及对不同体系锂离子电池的选用加以探索，就需要对其充放电过程中内部电荷状态进行监测。电化学反应过程属于微观过程，目前来说，其中的电荷状态大都是通过直接接触电极测得的电流电压数据来判断，这种方式需要将电压、电流传感器以及待测锂离子电池接入电路，并且对传感器的精度要求较高。另一方面，这种测量方法测到的是相对值，而且需要在以前的数据基础上进行运算，运算过程中容易引入累计误差。相对来说，使用非接触性的磁场测量方式来监测其状态更为直接更为精准，因此有必要提出一种基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置及方法，以便于更好的对锂离子电池电量进行监测，对锂离子电池工作状态以及其内部电化学反应过程进行研究。

本发明一种基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置，包括磁场设备、聚磁结构、磁传感器、信号处理模块和数据采集模块；所述的磁场设备在锂离子电池周围产生磁场，所述的聚磁结构设置在磁场设备和锂离子电池之间，所述的磁传感器设置在锂离子电池上，磁传感器的输出信号端接信号处理模块，信号处理模块输出端接数据采集模块。

作为优选，所述的磁传感器为隧道磁阻传感器、巨磁阻传感器。

作为优选，在高信噪比环境下，信号处理模块采用差分放大电路对传感器信号进行放大，并通过滤波电路来降低噪声的干扰，在低信噪比环境下，信号处理模块采用锁相放大电路以及滤波电路对传感器信号进行降噪处理。

一种基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置的监测方法，具体为：锂离子电池中过渡性金属元素在外加偏置磁场的作用下被磁化，过渡性金属元素的磁矩方向会沿磁场方向排列，不同价态过渡性金属元素的磁矩大小不同，其被磁化后产生的磁性强度变化也不同，充放电过程中过渡性金属元素的价态变化，从而产生磁性强度变化，磁传感器把磁性强度的变化转化成电信号变化；信号处理模块对磁传感器得到的电信号进行放大、滤波、解调处理；数据采集模块对信号处理模块输出信号进行显示并存储。

作为优选，所述过渡性金属元素指的是锂离子电池充放电过程中正极电化学反应产生的金属元素产物，也正是通过监测这些过渡性金属元素来反映锂离子电池的工作状态；

作为优选，所述的过渡性金属元素包括铁、钴、锰。

本发明相对于现有技术具有的效果:基于磁场传感的监测方法不需要将锂离子电池接入监测电路，并且传感器输出代表的是某个工作阶段锂离子电池产生的磁场的绝对值，这就避免了采用电流电压传感监测方式不可忽略的累计误差；本发明磁场传感灵敏度高，微弱的磁场变化便可以输出较大的电信号变化，并且通过后续信号处理电路进行滤波降噪，能够实现稳定准确的变化输出。所述测量装置使用的传感器体积小，整个装置灵活便携，在实际应用方面，可以使用该测量方法对便携式设备、汽车电池等应用场景下的锂离子电池电量进行监测，并且能够对锂离子电池的工作状态进行判断，在实验室研究方面，可以使用该测量方法对锂离子电池工作原理以及电量、状态性能等参数进行实验研究。

附图说明

图1为本发明采用的装置示意图；

图2为实施例2中装置结构图；

图3为实施例2中前置放大电路结构图；

图4为实施例2中带通滤波电路结构图；

图5为实施例2中相位变换电路结构图。

具体实施方式

概括的讲，为了使本发明实施例的目的、技术方案、优点更加清晰，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，当然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以多种不同的配置来布置和设计。因此，以下对附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面结合附图和实施例来详细介绍本装置：

整个检测装置如图1所示。将传感器模块放置在待测锂离子电池一侧，置于磁场设备范围之中，磁场和锂离子电池之间加入聚磁结构，传感器模块的输出接信号处理模块，后面的输出接数据采集模块进行采集记录。其中，传感器模块的主要作用是采集锂离子电池充放电过程中的磁性信号变化；磁场设备的主要作用是为装置提供一定的外加磁场偏置，引起锂离子电池内部过渡性金属离子的磁矩方向变化；聚磁结构的主要作用是使作用在锂离子电池上的磁场更强；信号处理模块的主要作用是对传感器输出的信号进行放大、降噪处理，以便于得到的输出信号更为精准稳定；数据采集模块的主要作用是便于对最终的输出结果进行采集、记录和分析。

其中实施例2中信号采集与处理模块结构框图如图2所示。通过正弦波发生电路7产生一定频率和幅度的正弦波作为参考信号，同时将其通过功率驱动模块6后来驱动线圈1，线圈1产生的交流磁场通过聚磁结构13进一步增强，将固定在锂离子电池2上的隧道磁阻传感器3输出的微弱信号调制到固定频率，作为待测信号，通过前置放大电路4做信号放大处理，放大后的信号经过带通滤波电路5滤除大部分噪声信号，参考信号经过相位变换电路8作移相处理，再通过波形变换电路9转换成方波，最后将处理好的待测信号和参考信号输入到相敏检波电路10，对信号进行解调，最后通过低通滤波器11，输出经过去噪处理后的传感器直流输出信号，经过数据采集、存储及显示部分12得出最终的状态结果。

下面，将结合附图对本发明各实施例作详细说明。

实施例一：

测量流程具体如下：

a、按图1所示方式将测量装置连接完毕；

b、采用固定频率，固定峰峰值的正弦波交流调制信号为传感器模块供电；

c、开启磁场设备，为传感器模块提供一定方向固定强度的外加直流偏置磁场；

d、对信号处理模块和数据采集模块上电，将待测锂离子电池放入磁场中，稳定后记录输出数据，作为参考；

e、将待测锂离子电池两极之间接入负载部分，使得待测锂离子电池处于放电状态直至放电结束，持续采集记录输出数据变化；

f、断开待测锂离子电池与负载部分的连接，使用充电装置对待测锂离子电池进行充电直至充满，持续采集记录输出数据变化；

g、对两组数据进行分析总结。

实施例二：

测量流程具体如下：

a、按图1所示方式将测量装置连接完毕；

b、采用固定电压值的直流信号为传感器模块供电；

c、开启磁场设备，为传感器模块提供一定频率的外加交变偏置磁场；

d、对信号处理模块和数据采集模块上电，将待测锂离子电池放入磁场中，稳定后记录输出数据，作为参考；

e、将待测锂离子电池两极之间接入负载部分，使得待测锂离子电池处于放电状态直至放电结束，持续采集记录输出数据变化；

f、断开待测锂离子电池与负载部分的连接，使用充电装置对待测锂离子电池进行充电直至充满，持续采集记录输出数据变化；

g、对两组数据进行分析总结。

所述的传感器模块可选用Z轴隧道磁阻传感器，其灵敏度较高、功耗低、磁滞低，并且具有优越的温度稳定性和较宽的工作磁场范围；

所述的磁场设备可选用亥姆霍兹线圈，通以电流驱动其产生所需要的偏置磁场；

所述提供外加磁场方式是为了对传感器输出信号进行调制，使有用信号与1/f噪声等低频噪声分离，便于后续信号处理电路进行降噪处理，实施例二不同于实施例一中对传感器供电信号进行调制，对外加磁场信号进行调制可以避免供电变化引起的传感器内部变化所带来的系统误差，能够使最终得到的输出结果更为精准；

所述的信号处理模块主要部分为差分放大电路和锁相放大电路，锁相放大电路对低频噪声的抑制效果较好；

如图3所示，具体为实施例2中信号处理模块的前置放大电路部分，具体包括：第一电阻R1，第一电容C1，第二电阻R2，第二电容C2，第一运算放大器U1，第三电容C3，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第二运算放大器U2。其中，U1的负输入端接C1的一端、C2的一端、R2的一端和输入信号，U1的正输入端接R1的一端；R1的另一端接GND；C1的另一端接GND；R2的另一端连接到U1的输出端；C2的另一端连接到U1的输出端；C3的一端连接到U1的输出端，另一端连接到R3的一端；R3的另一端连接到U2的负输入端；R4的一端连接到U2的负输入端，另一端连接到U2的输出端；R5的一端连接到GND，另一端连接到U2的正输入端。

如图4所示，具体为实施例2中信号处理模块的带通滤波电路部分，具体包括：第六电阻R6，第七电阻R7，第四电容C4，第五电容C5，第六电容C6，第七电容C7，第三运算放大器U3，第八电阻R8，第九电阻R9，第八电容C8，第九电容C9，第十电容C10，第四运算放大器U4，第十电阻R10，第十一电阻R11，第十一电容C11，第十二电容C12，第十三电容C13，第十四电容C14，第五运算放大器U5，第十五电容C15，第十六电容C16，第十二电阻R12，第十三电阻R13，第六运算放大器U6，第十四电阻R14，第十五电阻R15，第十七电容C17，第十八电容C18，第七运算放大器U7，第十六电阻R16，第十七电阻R17，第十九电容C19，第二十电容C20，第八运算放大器。其中，R6的一端接图3中U2的输出端，另外一端接R7的一端、C4的一端、C5的一端、C6的一端；U3的正输入端接R7的一端、C7的一端，负输入端接C4的一端、C5的一端、C6的一端和U3的输出端；C7的另一端接GND；R8的一端接U3的输出端，另一端接R9的一端、C8的一端、C9的一端；U4的正输入端接R9的另一端、C10的一端，U4的负输入端接C8的另一端、C9的另一端；C10的另一端接GND；R10的一端接U4的输出端，另一端接R11的一端、C11的一端、C12的一端、C13的一端；U5的正输入端接R11的另一端、C14的一端，U5的负输入端接C11的另一端、C12的另一端、C13的另一端和U5的输出端；C14的另一端接GND；C15的一端接U5的输入端，另一端接R13的一端、C16的一端；U6的正输入端接C16的另一端、R12的一端；U6的负输入端接R13的另一端和U6的输出端；R12的另一端接GND；C17的一端接U6的输出端，另一端接C18的一端、R15的一端；U7的正输入端接C18的另一端、R14的一端，U7的负输入端接R15的另一端和U7的输出端；R14的另一端接GND；C19的一端接U7的输出端，另一端接R17的一端、C20的一端；U8的正输入端接C20的另一端、R16的另一端，U8的负输入端接R17的另一端和U8的输出端；R16的另一端接GND。

如图5所示，具体为实施例2中信号处理模块的相位变换电路部分，具体包括：第二十一电容C21，第十八电阻R18，第十九电阻R19，第一电位器SR1，第二十电阻R20，第九运算放大器U9，第二十二电容C22，第二十一电阻R21，第二十二电阻R22，第二十三电阻R23，第二十三电容C23，第十运算放大器U10，第十一运算放大器U11，第二十四电阻R24，第二十五电阻R25，第二十四电容C24。其中，C21的一端接图4中U8的输出端、R19的一端，另一端接R18的一端、U9的正输入端；R18的另一端接SR1的一端；SR1的另一端接GND；U9的负输入端接R19的另一端、R20的一端，U9的输出端接R20的另一端、C22的一端；C22的另一端接R21的一端；U10的正输入端接R22的一端，U10的负输入端接R21的另一端、R23的一端、C23的一端，U10的输出端接C23的另一端、R23的另一端、U11的正输入端；R22的另一端接GND；U11的负输入端接R24的一端，U11的输出端接R24的另一端、R25的一端；C24的一端接R25的另一端，C24的另一端接GND。

以上所述,仅为本发明其中一部分的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置，其特征在于：包括磁场设备、聚磁结构、磁传感器、信号处理模块和数据采集模块；所述的磁场设备在锂离子电池周围产生磁场，所述的聚磁结构设置在磁场设备和锂离子电池之间，所述的磁传感器设置在锂离子电池上，磁传感器的输出信号端接信号处理模块，信号处理模块输出端接数据采集模块。

2.根据权利要求1所述的基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置，其特征在于：所述的磁传感器为隧道磁阻传感器、巨磁阻传感器。

3.根据权利要求1所述的基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置，其特征在于：在高信噪比环境下，信号处理模块采用差分放大电路对传感器信号进行放大，并通过滤波电路来降低噪声的干扰，在低信噪比环境下，信号处理模块采用锁相放大电路以及滤波电路对传感器信号进行降噪处理。

4.根据权利要求1所述的基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置的监测方法，其特征在于，该方法具体为：锂离子电池中过渡性金属元素在外加偏置磁场的作用下被磁化，过渡性金属元素的磁矩方向会沿磁场方向排列，不同价态过渡性金属元素的磁矩大小不同，其被磁化后产生的磁性强度变化也不同，充放电过程中过渡性金属元素的价态变化，从而产生磁性强度变化，磁传感器把磁性强度的变化转化成电信号变化；信号处理模块对磁传感器得到的电信号进行放大、滤波、解调处理；数据采集模块对信号处理模块输出信号进行显示并存储，实现对锂离子电池电量和工作状态的监测。

5.根据权利要求4所述的基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置的监测方法，其特征在于：所述的过渡性金属元素指的是锂离子电池正极材料所含的除锂元素之外的金属元素，所述的过渡性金属元素参与锂离子电池充放电过程中正极上的化学反应。

6.根据权利要求5所述的基于磁传感的锂离子电池电荷状态非接触监测装置的监测方法，其特征在于：所述的过渡性金属元素包括铁、钴、锰。

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