CN113759267A - 一种锂离子电池内压的原位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锂离子电池内压的原位测量方法，属于锂离子电池领域，其将声信号发射器与接收器置于锂离子电池组同一侧壁外，在不拆解电池组外壳的情况下向电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波，通过对回波信号进行时域上的解析，确定反射回波信号中电池组内各单体电芯对应的回波信号，对电池组内各单体电芯对应的回波信号分别采取小波变换的方法进行数据处理，依据经小波变换得到的回波信号的最高频率分量漂移与电池内部压强的线性对应关系，实现对电池组内各单体电芯内压强的测量。该方法能方便、快捷、无损的检测电池组结构中单体电芯内部的压力，进而实现对电池健康状态的监测。
Description
技术领域
本发明属于锂离子电池领域，更具体地，涉及一种锂离子电池内压的原位测量方法。
背景技术
随着全球能源发展趋势和能源结构的变化，开发和使用经济、环保的新能源成为世界要面临的主要问题。锂离子电池作为一种绿色、环保、高效的新型能源，其应用场景正急剧增长。目前，新能源汽车行业对锂离子电池的保有量较大，其安全问题更不容忽视。因此，如何对车用锂离子电池组内的各个单体电芯的健康状态进行无损便捷的检测是业内的一大难点。
公开号为CN113030764A公开了一种电池组健康状态估计方法及系统，其包括测量锂电池组每个充放电周期的健康状态数据序列以及每个充电阶段锂电池组的端电压以及温度数据序列；计算锂电池组随着充放电周期的电压熵数据序列和温度均值数据序列；基于锂电池组随着充放电周期的电压熵数据序列、温度均值序列与健康状态数据序列，应用粒子群算法对长短期记忆神经网络的学习率进行优化选择；应用粒子群优化获得的学习率，建立长短时记忆神经网络的健康状态估计模型；应用建立的长短时记忆神经网络的健康状态估计模型估计锂电池组的健康状态。本发明通过电压熵与均值温度有效反应锂电池组的容量退化，可精确估计锂电池组的健康状态。但是，其公布的方法数据处理非常复杂，测量的参数众多，还需要设计专门的数据软件进行数据处理，较为繁杂。
因此，需要开发一种锂离子电池健康状态的测量方法，要求其使用和操作都十分简便，以克服现有技术的以上缺陷。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于，提供一种锂离子电池内压的原位测量方法，其在不拆解电池组外壳的情况下向电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波，采取小波变换的方法对各单体电芯的回波信号进行处理，依据电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移的对应关系，能实现对电池组内各单体电芯内压强的测量。
为实现上述目的，本发明提供了一种锂离子电池内压的原位测量方法，将声信号发射器与声信号接收器置于锂离子电池组同一侧壁外，在不拆解电池组外壳的情况下向电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波，通过对回波信号进行时域上的解析，确定反射回波信号中电池组内各单体电芯对应的回波信号，对电池组内各单体电芯对应的回波信号分别采取小波变换的方法进行数据处理，依据经小波变换得到的回波信号的最高频率分量漂移与电池内部压强的对应关系，实现对电池组内各单体电芯内压强的测量，所述宽频声波信号是指频率范围为5kHz～100kHz的信号，通过对回波信号进行小波变换，能够得到回波信号中各个频率分量对应的信号强度，能量最高的频率分量在频率区间上的动态变化称为最高频率分量漂移，最高频率分量漂移包含两项指标：(1)最高频率分量在频率数值上的变化；(2)最高频率分量在能量上的变化。
进一步的，回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移与电池内部压强的对应关系根据如下方法获得：
首先，选取一块内部压力为常态压力P0的电池，向电池内发射总能量为s的宽频声波信号，并接收反射回波，对回波信号进行小波变换，得到回波信号的最高频率分量为A，该最高频率分量的能量为a，
接着，再选取一块电池内部压力为电池泄压阀临界压力P1的电池，向电池内发射总能量为s的宽频声波信号，并接收反射回波，对回波信号进行小波变换，得到回波信号的最高频率分量为B，该最高频率分量的能量为b，
采集不同电池的多个以上测试数据，并对数据进行统计分析，获知电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移之间存在线性对应的关系。
进一步的，根据电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移之间存在线性对应关系的规律可知，在被测电池回波信号的最高频率分量为C，频率分量的能量为c时，其电池内部压力P为：
进一步的，采用动圈、动铁、陶瓷换能片中的一种或者多种作为声信号发射器。
进一步的，采用陶瓷换能片、驻极体电容器、动圈中的一种或者多种作为声接收器件。
进一步的，宽频声波信号由声信号发射器产生，且声波信号的频率分量覆盖范围在10kHz～80kHz。
进一步的，声信号发射器件与声接收器件之间的距离不超过10cm。
本发明中，测量所发射的宽频信号不是仅包含5KHz～100KHz中的某一个频率的信号，而是频率范围在5KHz～100KHz中的多个频率的信号，从电池中反射回的宽频信号通过傅里叶变换(和小波变化类似)可得到信号所包含的频率分量及频率分量对应的能量，该频率分量也在5KHz～100KHz范围内。电池内部的压力和最高频率分量漂移之间存在线性关系，而最高频率分量漂移包含两项内容：①最高频率分量在频率数值上的变化；②最高频率分量在能量上的变化。线性关系式中是需要根据这两个变化量的权重，也即电池内部压力对于这两个变化量的影响程度去计算，根据大量的实验数据拟合得到电池内部压力
后期利用这个方法对其他的型号电池进行检测的时候，只需要对该型号电池进行两个压力下信号的测量，得到P0和P1下对应的回波信号，A，a，B，b可以根据信号分析得到，因此可以方便快捷的对电池组中的任何一个电芯的内压进行测量。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供了一种锂离子电池内压的原位测量方法，其在不拆解电池组外壳的情况下向电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波，通过对回波信号进行时域上的解析，确定反射回波信号中电池组内各单体电芯对应的回波信号，进一步采取小波变换的方法对各单体电芯的回波信号进行处理，依据大量实验发现的电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移的存在线性对应关系，从而实现对电池组内各单体电芯内压强的测量。本发明方法在保持锂离子电池组结构完整的基础上，能方便、快捷、无损的检测电池组结构中各单体电芯内部的压力，根据单体电芯内部的压力判定电池健康状态，对电池组中的各个单体电芯进行内压的测量，能实现对锂离子电池的安全、无损、原位检测。
附图说明
图1是本发明实施例中包含多个平行叠加的单体电芯的电池组侧壁上设置有声信号发射器和声信号接收器的结构示意图；
图2是图1中侧视图；
图3是图1的俯视图；
图4是本发明实施例中声信号发射器和声信号接收器进行发射信号和接收信号的示意图；
图5是本发明实施例中声信号接收器接收到的信号。
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。
经过长期的研究发现，锂离子电池健康状态将会随着电池的老化而逐渐变差，老化过程往往伴随着电池内部产气情况的发生，因此如何对电池组中各个单体电芯内的气压进行检测成为关键，通过检测单体电芯内的气压能实现对电池全生命周期健康状态的监测。
基于以上机理，本发明提供一种锂离子电池内压的声学测量方法，将声信号发射器与声信号接收器置于锂离子电池组外侧，在不拆解电池组外壳的情况下(也即原位监测)向电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波，通过对回波信号进行时域上的解析，确定反射回波信号中电池组内各单体电芯对应的回波信号，进一步采取小波变换的方法对各单体电芯的回波信号进行处理，通过大量实验发现并总结出电池内部压强和经小波变换得到的回波信号的最高频率分量漂移的线性的对应关系，根据该对应关系，能实现对电池组内各单体电芯内压强的测量。
本发明的测量原理为：通过对锂离子电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波信号，宽频声波信号在经过不同内部压强的腔体传播后，宽频声波信号中的不同频率分量和不同内部压强的腔体之间所产生的响应强度不同，通过对回波信号进行小波变换可得到各个频率分量的强度分布，通过大量的实验发现电芯内部压强和回波信号中的最高频率分量漂移之间存在近线性关系，进而对锂离子电池组内各电芯的内部压强进行测量。
在实际工程实践中，得到各个单体电芯的反射回波信号之后，对此信号进行小波变换，即可得到此信号在不同时间节点所包含的各频率分量以及各频率分量对应的能量强度的信息。通过大量实验发现，在电池内部气压产生变化的过程中，能量最高的频率分量漂移的变化规律与内部气压之间存在线性关系。其中，最高频率分量漂移中漂移可理解为能量最高的频率分量在频率数值和能量强度上的变化。
图1是本发明实施例中包含多个平行叠加的单体电芯的电池组侧壁上设置有声信号发射器和声信号接收器的结构示意图，图2是图1中侧视图，图3是图1的俯视图，由图可知，其由五块单体电芯相互层叠而成，五个单体电芯正负极首尾相连，采用相同的电极引出至外界。
图4是本发明实施例中声信号发射器和声信号接收器进行发射信号和接收信号的示意图，由图可知，对锂离子电池内压进行原位测量时，将声信号发射器与声信号接收器置于锂离子电池组同一侧壁外，声信号发射器与声信号接收器之间的距离不超过10cm，优选为不超过5cm，本实施例中实际间距为3cm。采用动圈、动铁、陶瓷换能片中的一种或者多种作为声信号发射器，这样选择的优点是具有高效的电声转换效率，且能够产生严格可控的声信号。采用陶瓷换能片、驻极体电容器、动圈中的一种或者多种作为声接收器件，这样选择的优点是具有高效的声电转换效率，对微弱的声信号有较好的采集效果。本发明实施例中，将动圈作为声信号发射器1贴近电池组外侧表面，将驻极体电容器2作为声接收器贴近电池组同一外侧表面，该锂离子电池包括五个单体电芯，分别为第一单体电芯3、第二单体电芯4、第三单体电芯5、第四单体电芯6、第五单体电芯7。
在不拆解电池组外壳的情况下向电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波，通过对回波信号进行时域上的解析，确定反射回波信号中电池组内各单体电芯对应的回波信号，对电池组内各单体电芯对应的回波信号分别采取小波变换的方法进行数据处理，依据经小波变换得到的回波信号的最高频率分量漂移与电池内部压强的对应关系，实现对电池组内各单体电芯内压强的测量，所述宽频声波信号是指频率范围为5kHz～100kHz的信号，宽频声波信号由声信号发射器产生，优选的声波信号的频率分量覆盖范围在10kHz～80kHz。通过对回波信号进行小波变换，能够得到回波信号中各个频率分量对应的信号强度，能量最高的频率分量在频域区间上的动态变化称为最高频率分量漂移，最高频率分量漂移包含两项指标：(1)最高频率分量在频率数值上的变化；(2)最高频率分量在能量上的变化。
具体的，通过动圈对磷酸铁锂电池组发射5KHz～100KHz的宽频声波信号，并通过驻极体电容器接收磷酸铁锂电池组返回的回波信号，图5为本发明实施例中一个完整回波信号，通过对完整的回波信号进行解析，从而获取得到磷酸铁锂电池组中各个单体电芯对应的回波信号。回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移与电池内部压强的对应关系根据如下方法获得：
首先，选取一块内部压力为常态压力P0的电池，向电池内发射总能量为s的宽频声波信号，并接收反射回波，对回波信号进行小波变换，得到回波信号的最高频率分量为A，该最高频率分量的能量为a。接着，再选取一块电池内部压力为电池泄压阀临界压力P1的电池，向电池内发射总能量为s的宽频声波信号，并接收反射回波，对回波信号进行小波变换，得到回波信号的最高频率分量为B，该最高频率分量的能量为b。采集不同电池的多个以上测试数据，并对数据进行统计分析，获知电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移之间存在线性对应的关系。根据电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移之间存在线性对应关系的规律可知，在被测电池回波信号的最高频率分量为C，频率分量的能量为c时，其电池内部压力P为：
P0：常态压力；
A:内压为P0的电池的反射回波信号最高频率分量；
a:内压为P0的电池的发射回波信号最高频率分量对应的能量；
P1：泄压阀临界压力；
B:内压为P1的电池的反射回波信号最高频率分量；
b:内压为P1的电池的发射回波信号最高频率分量对应的能量；
s:向内压为P0和P1的电池内发射的宽频声波信号的总能量；
以上表达式是通过大量实验数据得到的类似y＝kx+a结构的线性关系，在以上式子中变量为C和c，通过C和A、B之间的关系计算得到频率分量的变化量为
c和a、b之间的关系计算得到频率分量能量的变化量为(lnc-lna)/(lnb-lna)，匹配频率分量和频率分量的能量对应的权重k0和1-k0，再结合P0和P1，可以计算得到P。
本发明中，各单体电芯到声信号发射器和声信号接收器的总距离不同，各单体电芯的响应信号在时域上的分布存在差异，借助其回波时间上的差异来解析和剥离出反射回的回波信号中各单体电芯对应的回波信号。
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 (8)
1.一种锂离子电池内压的原位测量方法，其特征在于，将声信号发射器与声信号接收器置于锂离子电池组同一侧壁外，在不拆解电池组外壳的情况下向电池组内发射宽频声波信号，并接收反射回波，通过对回波信号进行时域上的解析，确定反射回波信号中电池组内各单体电芯对应的回波信号，对电池组内各单体电芯对应的回波信号分别采取小波变换的方法进行数据处理，依据经小波变换得到的回波信号的最高频率分量漂移与电池内部压强的对应关系，实现对电池组内各单体电芯内压强的测量，
所述宽频声波信号是指频率范围为5kHz～100kHz的信号，
通过对回波信号进行小波变换，能够得到回波信号中各个频率分量对应的信号强度，能量最高的频率分量在频域区间上的动态变化称为最高频率分量漂移，最高频率分量漂移包含两项指标：最高频率分量在频率数值上的变化和最高频率分量在能量上的变化。
2.如权利要求1所述的一种锂离子电池内压的原位测量方法，其特征在于，回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移与电池内部压强的对应关系根据如下方法获得：
首先，选取一块内部压力为常态压力P0的电池，向电池内发射总能量为s的宽频声波信号，并接收反射回波，对回波信号进行小波变换，得到回波信号的最高频率分量为A，该最高频率分量的能量为a，
接着，再选取一块电池内部压力为电池泄压阀临界压力P1的电池，向电池内发射总能量为s的宽频声波信号，并接收反射回波，对回波信号进行小波变换，得到回波信号的最高频率分量为B，该最高频率分量的能量为b，
采集不同电池的多个以上测试数据，并对数据进行统计分析，获知电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移之间存在线性对应的关系。
3.如权利要求2所述的一种锂离子电池内压的原位测量方法，其特征在于，根据电池内部压强和回波信号经小波变换得到的最高频率分量漂移之间存在线性对应关系的规律可知，在被测电池回波信号的最高频率分量为C，频率分量的能量为c时，其电池内部压力P为：
4.根据权利要求3所述的一种锂离子电池内压的声学测量方法，其特征在于，各单体电芯到声信号发射器和声信号接收器的总距离不同，各单体电芯的响应信号在时域上的分布存在差异，借助其回波时间上的差异来解析和剥离出反射回的回波信号中各单体电芯对应的回波信号。
5.如权利要求4所述的一种锂离子电池内压的原位测量方法，其特征在于，采用动圈、动铁、陶瓷换能片中的一种或者多种作为声信号发射器。
6.如权利要求5所述的一种锂离子电池内压的原位测量方法，其特征在于，采用陶瓷换能片、驻极体电容器、动圈中的一种或者多种作为声信号接收器。
7.根据权利要求6所述的一种锂离子电池内压的声学测量方法，其特征在于，宽频声波信号由声信号发射器产生，且声波信号的频率分量覆盖范围在10kHz～80kHz。
8.根据权利要求7所述的一种锂离子电池内压的声学测量方法，其特征在于，声信号发射器与声信号接收器之间的距离不超过10cm。
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2021
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