CN114200326A - 一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法。本发明使用耦合剂将两个圆形压电片间隔一定距离对称地粘在锂离子电池表面，控制任意波函数发生器产生一个汉宁窗调制的五周期正弦信号，激励位于电池表面左侧的圆形压电片，在电池内部产生超声导波，被位于电池表面右侧的圆形压电片接收。对接收到的导波信号进行处理，从中提取出导波的时域特征参数(渡越时间)。根据导波特征参数(渡越时间)与荷电状态的对应关系，实现软包锂离子电池荷电状态(SOC)的检测。本发明使用一组圆形压电片通过一激一收方式对锂离子电池进行检测，实现了无需记录电流、电压等外部参数的软包锂离子电池荷电状态的原位检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法，属于锂离子电池检测领域。
背景技术
随着我国经济的快速发展，资源短缺问题日益严重，亟待发展各种新型能源、动力电池以及储能系统。锂离子电池具有能量密度大、循环性能好、自放电率低等优点，是非常具有应用前景的二次电池和化学储能电源，被广泛应用于新能源汽车、消费电子以及航空航天等领域。然而，锂离子电池是一个复杂的材料系统，在使用过程中对其荷电状态的不当监测与控制都会导致电池性能的下降，甚至引起火灾或爆炸等安全性事故，造成国民经济的严重损失。因此，在锂离子电池服役过程中，需要方便、快速、准确地获取其内部荷电状态(SOC)，并根据荷电状态(SOC)对其进行充放电控制、热管理等，以保证电池的安全运行。
目前软包锂离子电池的荷电状态(SOC)还无法直接进行测量，只能依赖于电压、电流等外部参数进行估算，常用的方法包括安时积分法、开路电压法、卡尔曼滤波以及神经网络法等。然而上述方法存在参数测量不准确、计算量过大、计算结果不稳定等问题，无法快速准确地获取电池的荷电状态(SOC)。因此，有必要提出一种快速、准确检测软包锂离子电池荷电状态(SOC)的方法。
软包锂离子电池本质上是一个多层材料堆叠而成的整体，由正极、负极、隔膜等部分组成。在电池充放电过程中，锂离子在阳极和阴极之间的嵌入和嵌出，会使得电极的密度和模量出现显著性变化。因此，可以利用电池的力学-电化学耦合特性，通过测量电池的力学性能参数来表征其荷电状态(SOC)。超声导波无损检测技术具有快速、衰减小、准确率高等优点，对结构内部材料特性的变化非常敏感。电极在电池充放电过程中力学特性(密度和模量)的变化会影响超声导波在电池中的传播特性。通过观察导波时域信号的变化，构建导波特征参数与荷电状态(SOC)的联系，可以实现电池荷电状态(SOC) 的检测。
国内外对软包锂离子电池荷电状态(SOC)的检测研究相对较多，其中应用较为广泛的方法是安时积分法。该方法通过对电流和时间进行积分，来计算流入以及流出电池的电量，从而估算电池的荷电状态。上述方法虽然计算较为简单、快速，能够对电池的荷电状态(SOC) 进行检测，但仍然存在估算结果不准确等缺点，其主要原因在于：安时积分法属于开环检测方式，如果电流的采集精度不高或者初始荷电状态存在误差，伴随着电池运行时间的增加，之前产生误差会逐渐累积，从而影响电池荷电状态(SOC)的估算结果，并且由于安时积分法只是利用电池的外特性来分析荷电状态，多环节存在一定误差，因此还需要结合其他方法对电池的荷电状态(SOC)进行检测。
发明内容
本发明提供了一种基于超声导波检测软包锂离子电池荷电状态 (SOC)的方法，利用一组位于电池表面的压电片进行导波信号的激励与接收，根据导波特征参数(渡越时间)与荷电状态的对应关系实现电池荷电状态(SOC)的检测。相比于其他方法，本发明更有利于实现软包锂离子电池荷电状态(SOC)快速、准确、实时的检测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法，实现检测方法的检测装置包括计算机1、一组圆形压电片2、软包锂离子电池3、充放电设备4、函数发生器5、数字示波器6。其中，计算机1与充放电设备4、数字示波器6连接，圆形压电片2与任意波函数发生器5、数字示波器6连接，软包锂离子电池3与充放电设备4相连，该方法具体实施步骤包括：
步骤一、确定待测软包锂离子电池的长度L、厚度T、宽度W，根据电池各组成部分的尺寸和材料参数建立锂离子电池导波理论计算模型，得到电池的频散曲线，进而确定电池荷电状态(SOC)检测时所用的导波模态以及较优的激励频率范围(f0-f1)；
步骤二、根据电池的相关参数在有限元仿真软件中建立三维锂离子电池仿真模型，在步骤一所述的频率范围(f0-f1)内激励导波信号，通过对比不同激励频率下的时域波形，确定圆形压电片最优的激励频率f2以及激励接收位置A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)；
步骤三、选择中心频率为f2的圆形压电片，使用耦合剂将圆形压电片粘到步骤二所述的A1(x1,y1,z1)、A2(x2,y2,z2)位置，将压电片的引出线分别连接至任意波函数发生器和数字示波器对应的通道接口，完成圆形压电片的位置设定和电气交联；
步骤四、将充放电设备分别与锂离子电池、计算机连接，通过计算机控制充放电设备对电池进行充放电，具体的充放电协议为恒流恒压充电、恒流放电；
步骤五、利用位于电池A1(x1,y1,z1)处的压电片激励超声导波，使其在软包锂离子电池中进行传播，被位于电池A2(x2,y2,z2)处的压电片接收，记录超声导波信号的渡越时间Tref；
步骤六、采用步骤四所述的充放电协议对电池进行三次充放电循环，在电池恒流放电过程中，间隔固定的时间重复步骤五，得到电池不同荷电状态下超声导波信号的渡越时间Tij(i＝1,2,3；j＝0～100)，其中： i为充放电循环次数，j为荷电状态；
步骤七、对三次充放电循环中相同荷电状态SOC＝m(m＝0～100) 下的渡越时间通过公式
进行平均，将Tm与荷电状态 SOC＝m进行拟合，得到荷电状态-渡越时间的拟合曲线S；
步骤八、采用步骤四所述的充放电协议对电池进行充电，将其充到某一特定的荷电状态SOC＝n，然后重复步骤五,得到该荷电状态下的渡越时间T；
步骤九、将步骤八获取的渡越时间T代入到拟合曲线S中，得到该渡越时间对应的荷电状态SOC＝n1，完成软包锂离子电池荷电状态的检测。
与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果。
1.本发明利用一组圆形压电片在软包锂离子电池内部产生超声导波，实现电池荷电状态(SOC)的检测，检测过程只需将圆形压电片粘在电池表面，便可实现电池待检测区域荷电状态(SOC)的评估，该方法在实施便利性、检测成本及检测效率方面优势明显。
2.本发明利用导波时域信号特征的变化来表征电池的荷电状态 (SOC)，无需记录电池充放电过程中的电流、电压等外部参数，只需对接收到的导波信号进行简单的处理，便可实现电池SOC准确的评估；针对软包锂离子电池荷电状态(SOC)实时、快速以及准确的检测，本发明提出了一种解决技术问题的新思路。
附图说明
图1是本发明实施例中软包锂离子电池不同荷电状态下的频散曲线；
图2是本发明实施例中软包锂离子电池三维有限元仿真模型；
图3是本发明实施例中软包锂离子电池的结构尺寸和一组圆形压电片检测区域；
图4是本发明实施例中软包锂离子电池的充放电曲线；
图5是本发明实施例中软包锂离子电池荷电状态-渡越时间的拟合曲线S；
图6是本发明实施例中软包锂离子电池特定荷电状态下导波信号的时域波形；
图7是检测系统连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。
本实施例采用的锂离子电池即图2中的软包锂离子电池3，阳极材料层和阴极材料层的活性材料分别为石墨和钴酸锂，电池的额定容量为1.75Ah，工作电压为3.0-4.2V。
本实施例采用的检测系统包括一台计算机、一台数字示波器、一台任意波函数发生器、一台充放电设备、一组圆形压电片，具体实施步骤如下：
步骤一、本实施例中软包锂离子电池的长度为100mm,宽度为 50mm,厚度为1.9mm，其中阳极材料层、阴极材料层、隔膜的厚度分别为77μm、57μm、15μm，阳极材料层和阴极材料层的活性材料分别为石墨和钴酸锂。按照上述材料和尺寸参数，建立锂离子电池导波理论计算模型，得到如图1所示的电池不同荷电状态下的频散曲线。通过观察电池不同荷电状态下导波频散曲线的变化规律，选取导波的A0模态用于电池荷电状态(SOC)的检测，其中A0模态较优的激励频率为100kHz-300kHz；
步骤二、按照电池上述的材料和尺寸参数，在有限元仿真软件中建立如图2所示的三维锂离子电池仿真模型，在步骤一所述的频率范围(100kHz-300kHz)内激励导波信号。通过对比不同激励频率下的接收波形，确定圆形压电片最优的激励频率以及激励接收位置。其中， f2＝150kHz，激励位置A1处的坐标为(12.5,25,1.9)，接收位置A2处的坐标为(87.5,25,1.9)；
步骤三、选择一组中心频率为150kHz、直径Φ8mm的圆形压电片，使用奥林巴斯SWC-2耦合剂将其分别粘到步骤二所述的 A1(12.5,25,1.9)、A2(87.5,25,1.9)位置，将压电片的引出线分别连接至任意波函数发生器和数字示波器对应的通道接口，完成圆形压电片的位置设定和电气交联，其中一组圆形压电片的检测区域如图3所示；
步骤四、将充放电设备分别与锂离子电池、计算机连接，通过计算机控制充放电设备对电池进行充放电，具体的充放电协议为恒流恒压充电、恒流放电，其中恒流充电阶段的充电电流为2.3A，恒压充电阶段的充电电压为4.2V，充电截止电流为0.115A，恒流放电阶段的放电电流为2.3A，放电截止电压为3.0V，具体的充放电曲线如图 4所示；
步骤五、使用任意波函数发生器产生一个汉宁窗调制的五周期正弦信号(峰峰值10V，中心频率150kHz)，激励位于电池A1处的圆形压电片，在电池内部产生超声导波，被位于电池A2处的压电片接收，记录超声导波信号的渡越时间Tref；
步骤六、采用步骤四所述的充放电协议对电池进行三次充放电循环，在恒流放电过程中，间隔3min重复步骤五，得到电池不同荷电状态下超声导波信号的渡越时间Tij(i＝1,2,3；j＝0～100)，其中：i为充放电循环次数，j为荷电状态；
步骤七、对三次充放电循环中相同荷电状态SOC＝m(m＝0～100) 下的渡越时间通过公式
进行平均，将Tm与荷电状态 SOC＝m进行拟合，得到荷电状态-渡越时间的拟合曲线 y＝-0.09388x+81.54，其中x为荷电状态，y为渡越时间，拟合曲线的 R值为0.9946；
步骤八、采用步骤四所述的充放电协议对电池进行一次充放电，在恒流放电阶段以2.3A的电流放电15min，此时充放电设备显示的放电容量为574.740mAh，根据公式
得到 SOC＝67.16％，然后重复步骤五，得到该荷电状态下超声导波信号的时域波形如图6所示，从中提取出导波A0模态的渡越时间T＝75.1μ s；
步骤九、将步骤八获取的渡越时间T＝75.1μs代入到拟合曲线 y＝-0.09388x+81.54中，得到该渡越时间对应的荷电状态SOC＝68.5％完成软包锂离子电池荷电状态的检测。利用拟合曲线得到的 SOC＝68.5％，与根据公式
计算的荷电状态(SOC)的差值在2％以内，证明利用导波特征参数(渡越时间) 与荷电状态(SOC)的对应关系可以准确地完成软包锂离子电池荷电状态(SOC)的检测。
Claims (7)
1.一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测装置，其特征在于：实现检测方法的检测装置包括计算机、一组圆形压电片、软包锂离子电池、充放电设备、任意波函数发生器、数字示波器；计算机与充放电设备、数字示波器连接，圆形压电片与任意波函数发生器、数字示波器连接，软包锂离子电池与充放电设备相连。
2.根据权利要求1所述的一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测装置，其特征在于：其一组圆形压电片的特征在于：圆形压电片的中心频率为150kHz，两个圆形压电片间隔待测软包锂离子电池长度3/4的距离对称地粘在电池表面，激励导波的A0模态用于电池荷电状态的检测。
3.利用权利要求1所述装置进行的一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法，其特征在于：首先得到待测锂离子电池不同荷电状态下的频散曲线，根据频散曲线的变化规律确定电池荷电状态检测时所用的导波模态以及较优的激励频率范围，然后根据有限元仿真的结果确定最优的激励频率以及激励接收位置，最后控制任意波函数发生器产生一个汉宁窗调制的五周期正弦信号，激励位于电池表面左侧的圆形压电片，在电池内部产生超声导波，被位于电池表面右侧的圆形压电片接收；对接收到的导波信号进行处理，从中提取出导波的时域特征参数；根据导波特征参数与荷电状态的对应关系，实现软包锂离子电池荷电状态的检测。
4.根据权利要求3所述的一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法，其特征在于：采用充放电协议对电池进行三次充放电循环，在恒流放电过程中，间隔3min重复步骤五，得到电池不同荷电状态下超声导波信号的渡越时间Tij，其中：i为充放电循环次数，j为荷电状态。
5.根据权利要求3所述的一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法，其特征在于：对三次充放电循环中相同荷电状态SOC＝m(m＝0～100)下的渡越时间通过公式
进行平均，将Tm与荷电状态SOC＝m进行拟合，得到荷电状态-渡越时间的拟合曲线。
6.根据权利要求3所述的一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法，其特征在于：采用步骤四所述的充放电协议对电池进行一次充放电，根据公式
得到SOC，得到该荷电状态下超声导波信号的时域波形，从中提取出导波A0模态的渡越时间T。
7.根据权利要求3所述的一种软包锂离子电池荷电状态超声导波原位检测方法，其特征在于：将步骤八获取的渡越时间T代入到拟合曲线中，得到该渡越时间对应的荷电状态SO完成软包锂离子电池荷电状态的检测。利用拟合曲线得到的SOC，与根据公式
计算的荷电状态SOC的差值在2％以内，证明利用导波特征参数与荷电状态SOC的对应关系准确地完成软包锂离子电池荷电状态SOC的检测。
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