CN118091448A - 一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置、测值方法及用途 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池测量技术领域，公开了一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，包括一个构造电容及电容测量装置，所述构造电容由两个导电层和一个缓冲隔层组成，缓冲隔层位于两个导电层之间，所述电容测量装置分别与构造电容的两个导电层连接，用于测试构造电容的电容值。本发明具有以下优点和效果：通过测试电池的厚度来估算电池的SOC，测量更加准确、稳定，这种方法尤其是对于磷酸铁锂电池更加有效。

Description

一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置、测值方法及用途

技术领域

本发明涉及电池测量技术领域，特别涉及一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置、测值方法及用途。

背景技术

随着电动汽车的发展，电池管理系统得到了广泛应用，为了充分发挥电池系统的动力性能，防止电池过充过放，延长使用寿命，优化驾驶和提高电动汽车的续航性能，需要对电池的荷电状态进行准确估计，电池的剩余电量(SOC)是指电池目前所存储的能量，其作用与燃油汽车系统中的油量表类似，但检测方法不同，电池的SOC不能通过传感器直接得到，必须借由其他可测物理量如电池的端电压、充放电电流、温度等配合相应算法进行估测来获得。

电池的SOC状态估计对于应用来说非常重要，但是由于实际工况下SOC比较难以直接测量，应用的时候非常不便，比如电池SOC估算不准的情况下，新能源车会出现中途“趴窝”的情况，给用户带来麻烦，尤其是磷酸铁锂电池，由于其开路电压非常平缓，所以很难通过电压电流信号准确获取其SOC状态。

不过电池除了电压跟SOC相关之外，电池的膨胀力跟SOC也存在非常稳定的对应关系。刘萍，曲新波等发表的论文《大容量磷酸铁锂动力电池循环膨胀力研究》中公开了某款磷酸铁锂电池的不同循环圈数的放电膨胀力变化曲线，可以看到曲线上有多典型的特征可以跟SOC之间关联起来。比如曲线的极值点对应的SOC状态基本很稳定，实际电池工作过程中，可以利用这些特征点来识别校准SOC状态。

发明内容

本发明的目的是提供一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置、测值方法及用途，通过测试电池的厚度来估算电池的SOC，测量更加准确、稳定，这种方法尤其是对于磷酸铁锂电池更加有效。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，包括一个构造电容及电容测量装置，所述构造电容由两个导电层和一个缓冲隔层组成，缓冲隔层位于两个导电层之间，所述电容测量装置分别与构造电容的两个导电层连接，用于测试构造电容的电容值。

通过采用上述技术方案，电容测量装置为本领域技术人员的公知常识，因此本申请不做具体的结构描述，将构造电容放置在两个电池之间，电池膨胀时，缓冲隔层厚度会发生变化，从而电池的电容也会发生变化，从而建立其电容值跟膨胀量之间的关系，而膨胀量跟SOC之间有有一个对应关系，所以可以间接建立其电容值跟SOC之间的关系，这种测量方式属于力学测量，不受电池充放电倍率影响，测量更加准确、稳定。

本发明的进一步设置为：所述构造电容设置于电池内部或电池外部，所述构造电容的电容值随电池的膨胀量而变化。

通过采用上述技术方案，使构造电容能够实时得知电池使用的电容值。

本发明的进一步设置为：所述构造电容与电池的面积比值介于0.6～1.2之间。

通过采用上述技术方案，使估测数值更加精确，若面积太小，无法进行整体性测量，另一方面，还会造成局部压力不均匀，无法兼顾缓冲功能，面积太大，设置上引入结构冗余，降低成组能量密度。

本发明的进一步设置为：所述电池为方型电池或者软包电池，所述构造电容位于相邻两个方型或者软包电池之间。

通过采用上述技术方案，使该电池状态估测装置适用于方型或软包电池测量。

本发明的进一步设置为：所述缓冲隔层为实体的弹性片或位于两个导电层之间的间隙。

通过采用上述技术方案，缓冲隔层为弹性片时，弹性片可将两个导电层隔开，起到缓冲和绝缘的作用，弹性片的体积也可随电池膨胀量的大小而变化，有利于及时反馈电容的变化；两个导电层之间可通过绝缘材料制成的方型框或垫片隔开，导电层与方型框或垫片之间形成间隙，该间隙也可起到缓冲和绝缘的作用，两个导电层之间的间隙宽度可随电池膨胀量的大小而变化，方型框或垫片可起到连接、固定的作用，避免电池之间松动。

本发明的进一步设置为：所述导电层为金属层，所述金属层采用镀膜或者粘贴的方式与缓冲隔层形成一体结构，位于相邻两个相邻的方型电池或软包电池之间。

通过采用上述技术方案，金属层是高导电性材料，它们可以提供低电阻的电路路径，以便将信号从一个器件区域传输到另一个器件区域，电池与缓冲隔层连接紧密，其缓冲性能更好，且对于电池的性能估测更准。

本发明的进一步设置为：所述导电层为方形电池或软包电池的金属壳，缓冲隔层置于两个方型电池或两个软包电池之间。

通过采用上述技术方案，将电池的金属壳直接作为金属层，无需额外设置金属层，节省材料和空间，缓冲隔层为弹性片时，弹性片可将两个导电层隔开，起到缓冲和绝缘的作用，弹性片的体积也可随电池膨胀量的大小而变化，有利于及时反馈电容的变化；两个导电层之间可通过绝缘材料制成的方型框或垫片隔开，导电层与方型框或垫片之间形成间隙，该间隙也可起到缓冲和绝缘的作用，两个导电层之间的间隙宽度可随电池膨胀量的大小而变化，方型框或垫片可起到连接、固定的作用，避免电池之间松动空间，同时使用方便。

本发明的进一步设置为：两个所述导电层设置在圆柱型电池的内部，两个导电层分别是电池壳体和电池卷心负极，所述电池卷心负极和电池壳体之间设置缓冲隔层；

或两个所述导电层设置在圆柱型电池的内部，两个导电层分别是电池壳体和独立电极，所述独立电极与电池壳体之间设有缓冲隔层。

通过采用上述技术方案，使该电池状态估测装置能同时适用于圆形电池，提高装置的应用范围。

一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置的测值方法，在电池工作过程时，由电容测量装置测得电容值，通过参考电容值变化曲线，从而得出电池的SOC值。

本发明进一步设置为，所述电容值变化曲线是通过电容测量装置检测充放电过程中构造电容的电容值，同时检测电池的SOC，通过电池的膨胀量变化建立电容值跟电池SOC之间的关系曲线，即得电容值变化曲线。

一种电池状态估测装置在析锂检测中的用途，该用途表现为，所述电容测量装置测得电容变化值，在电容变化值超过析锂预设区间的取值范围时，即可判定电池发生析锂，可以对外输出异常信号，来提醒降低充电电流大小或者停止充电等，进而根据实际情况优化充电策略。

一种电池状态估测装置在安全预警中的用途，该用途表现为，所述电容测量装置测得电容变化值，在电容变化值超过预设区间的取值范围时，即可判定电池内部形成局部热点，可以发出安全预警，进行相应检测、主动降温或者在电池发展到热失控之前提示用户离开风险车辆。

一种电池状态估测装置在安全预警中的用途，该用途表现为，所述电容测量装置测得电容变化值，用于分析电池的SOH状态。

本发明的有益效果是：

1、本发明，在电池膨胀时，缓冲隔层厚度会发生变化，从而电池的电容也会发生变化，从而建立其电容值跟膨胀量之间的关系，而膨胀量跟SOC之间有有一个对应关系，所以可以间接建立其电容值跟SOC之间的关系，这种测量方式属于力学测量，不受电池充放电倍率影响，测量更加准确、稳定。

2、本发明，通过将构造电容与电池的截面面积比值介于0.6～1.2之间，使估测数值更加精确，若面积太小，无法进行整体性测量，另一方面，还会造成局部压力不均匀，无法兼顾缓冲功能，面积太大，设置上引入结构冗余，降低成组能量密度。

3、本发明，通过将导电层可以采用金属层，可以提供低电阻的电路路径，以便将信号从一个器件区域传输到另一个器件区域，也可以将电池的金属壳直接作为金属层，无需额外设置金属层，节省材料，同时使用方便，缓冲隔层作为构造电容的一部分且位于两个电池之间，其使电池具有一定的缓冲功能，提高安全性，防止受压损坏。

4、本发明也可用于圆柱形电池测量，可以直接拿卷心和壳体作为构造电容的两个电极，电池充放电过程中，卷心会相应膨胀收缩，造成卷心与壳体之间的绝缘层厚度变化，从而可以探测到构造电容电容值变化，通过实验测试可以建立起电容值变化行为与电池内部状态之间的关系，使该估测装置可以同时应用于圆柱形电池，提高该估测装置的适用广泛性，方便推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例1中导电层为镀膜时的结构图。

图2是本发明实施例1中导电层为方形电池金属壳的结构图。

图3是本发明实施例2中用于圆柱形电池测量时的结构俯视图。

图4是本发明实施例2中用于圆柱形电池测量时的结构正视图。

图5是本发明实施例2中电池壳体和内置电极用作电容金属层的结构图。

图6是本发明实施例2中内置电极全包围设置的结构图。

图7是本发明实施例2中内置电极局部设置的结构图。

图8是本发明在电池电容变化时电池表面变化3D仿真的云图。

图9是本发明在对电池充电时电容与时间对应值的变化图。

图中，1、方型电池一；2、方型电池二；3、构造电容；31、导电层；32、缓冲隔层；4、电池卷心部件；5、电池壳体；6、内置电极。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，包括一个构造电容3及电容测量装置，构造电容3设置于电池内部或电池外部，构造电容3的电容值随电池的膨胀量而变化，电池为方型电池，构造电容3位于相邻两个方型或者软包电池之间，构造电容3与电池面积比值介于0.6～1.2之间，电池面积指的是跟构造电容3接触的表面的面积，比如方形电池大面面积或者圆柱电池的侧面面积，使估测数值更加精确，若面积太小，无法进行整体性测量，另一方面，还会造成局部压力不均匀，无法兼顾缓冲功能，面积太大，设置上引入结构冗余，降低成组能量密度，构造电容3由两个导电层31和一个缓冲隔层32组成，缓冲隔层32位于两个导电层31之间，缓冲隔层32为实体的弹性片，弹性片可将两个导电层隔开，起到缓冲和绝缘的作用，弹性片的体积也可随电池膨胀量的大小而变化，有利于及时反馈电容的变化，导电层为金属层，金属层采用镀膜的方式与缓冲隔层32形成一体结构，用于位于相邻两个相邻的方型电池或软包电池之间，金属层是高导电性材料，它们可以提供低电阻的电路路径，使电池与缓冲隔层32连接紧密，其缓冲性能更好，且对于电池的性能估测更准，电容测量装置为本领域技术人员的公知常识，因此本申请不做具体的结构描述，在电池膨胀时，缓冲隔层32厚度会发生变化，从而电池的电容也会发生变化，从而建立其电容值跟膨胀量之间的关系，而膨胀量跟SOC之间有一个对应关系，所以可以间接建立其电容值跟SOC之间的关系，此外，电池的机械挤压、内部产气等效应等风险机械信号也可以通过电容值的测试识别到，从而起到安全预警的作用，这种测量方式属于力学测量，不受电池充放电倍率影响，测量更加准确，稳定。

实施例2：

将实施例1中的缓冲隔层32设置为位于两个导电层之间的间隙，两个导电层31之间通过绝缘材料制成的垫片隔开，导电层与方型框或垫片之间形成间隙，该间隙也可起到缓冲和绝缘的作用，两个导电层之间的间隙宽度可随电池膨胀量的大小而变化，方型框或垫片可起到连接、固定的作用，避免电池之间松动。

实施例3：

如图2所示，导电层为方形电池的金属壳，缓冲隔层32置于两个方型电池之间，将电池的金属壳直接作为导电层，无需额外设置金属层，节省材料和空间，同时使用方便。

实施例4：

将实施例1中的电池设置为软包电池，该装置同样也能实现对电池状态的估测。

实施例5：

如图3、图4所示，两个导电层31设置在圆柱型电池的内部，两个导电层分别是电池壳体5和电池卷心部件4负极，电池卷心部件4负极和电池壳体5之间设置缓冲隔层32，在这种情况下，负极4和电池壳体5之间没有进行电连接，电池卷心部件4一般外圈会多卷绕几圈隔膜或其它绝缘层包裹，因此可以直接拿电池卷心部件4和壳体作为构造电容的两个电极，卷绕的隔膜作为缓冲隔层32，在用于圆柱形电池测量时，构造电容3是用卷心的电极集流体和壳体构成。

实施例6：

实施例5中的两个导电层31分别是电池壳体5和设置在电池卷心部件4外侧的部分，同样也能实现对圆柱电池状态的估测。

实施例7：

如图5、图6所述，可以在圆柱型电池上额外设置一个独立的内置电极6，两个导电层31设置在圆柱型电池的内部，两个导电层31分别是电池壳体5和独立内置电极6，独立内置电极6位于电池壳体5和电池卷心部件4之间，独立内置电极6与电池壳体5之间设有缓冲隔层32，在电池壳体5与电池负极之间无电连接情况下，内置电极6采用全包围设置，可以使用卷心4的负极通过负极极耳跟外电路连接作为电容的一个电极，壳体作为另外一个电极，这样电池充放电过程中，电池卷心部件4会相应膨胀收缩，造成电池卷心部件4与壳体之间的绝缘层厚度变化，从而可以探测到构造电容3电容值变化，通过实验测试可以建立起电容值变化行为与电池内部状态之间的关系，使该估测装置可以同时应用于圆柱形电池，提高该估测装置的适用广泛性，方便推广应用。

实施例8：

如图7所示，内置电极6采用局部设置，局部设置时，优选设置在极片收尾台阶处，从而避免引入额外的凸起,将圆柱电池内置电极6与壳体形成电容，缓冲隔层32采用隔膜材料，比如PP隔膜，同样可实现对电容值变化测量。

实施例9：

如图8、图9所示，一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置的测值方法，在电池工作过程中，由电容测量装置测得电容值，通过参考电容值变化曲线，从而得出电池的剩余电量SOC值。电容值变化曲线是通过电容测量装置检测充放电过程中构造电容3的电容值，同时检测电池的SOC，通过电池的膨胀量变化建立电容值跟电池SOC之间的关系曲线，即得电容值变化曲线；对电池进行充放电，电池厚度会发生一定变化，使缓冲隔层32厚度也随之变化，对构造电容3产生一定影响。

在实验室里，可通过电容测量装置检测电池的电容值，同时将电池的SOC值进行记录，通过实时记录电池的SOC值和电容值变化，制作出电容值变化曲线，在电池实际工作中，只需通过电容测量装置测得电容值，对照电容值变化曲线即可得出电池的SOC值。此外，实际工程中发现，膨胀力拐点跟电池SOC之间也存在非常稳定的关系，因此也可以在实验室建立拐点与SOC之间的对应关系，用于测量电池拐点处的SOC。

实施例10：

一种电池状态估测装置在析锂检测中的用途，该用途表现为，电池在充放电过程中的膨胀行为特征也会变化，通过电容测量装置测得电容变化值，在电容变化值超过析锂预设区间的取值范围时，即可判定电池是否发生析锂，在电池一旦发生析锂，就会形成额外的一层金属锂覆盖在活性可以表面，从而造成显著的厚度增加，电容变化趋势就会出现偏离正常曲线的情况，从而可以识别出内部的异常行为，就可以对外输出异常信号，来提醒降低充电电流大小或者停止充电等，进而根据实际情况优化充电策略。每种电池发生析锂时，电容变化值不同，可根据实际情况对析锂情况下的析锂预设区间进行检测。

关于析锂的判定可以在实验室通过对三电极电池进行充放电测试同时监测阳极电位及充电过程的电容值变化曲线，识别出正常充电情况(不发生析锂，如阳极电位高于0V)的SOC电容值变化曲线，以及异常情况下的电容值变化曲线，通过两种情况对比制定曲线，判定范围阈值。

实施例11：

一种电池状态估测装置在安全预警中的用途，该用途表现为，在电池在发生热失控之前，内部往往会先形成局部热点，造成局部温度过高，从而引入显著的热膨胀，同样会在电容信号上表现出异常，通过电容测量装置测得电容变化值，在电容变化值超过预设区间的取值范围时，说明电池内部正在发生一些非正常反应，进而可以发出安全预警，进行相应检测、主动降温或者在电池发展到热失控之前提示用户离开风险车辆。每种电池发生热失控时，电容变化值不同，可根据实际情况对热失控情况下的电容变化值预设区间进行检测。

关于热失控的判定可以在实验室通过热箱或短路等安全测试实验，获取试电池热失控行为的电容值变化曲线，用于判定、预警热失控事故。

实施例12：

一种电池状态估测装置在确定电池SOH状态的用途，该用途表现为，电池在使用过程中，特定荷电状态下的电池厚度，或者膨胀力会随着电池的使用次数单调增长。加拿大达尔豪斯大学A.J.Louli等的研究结果表明，锂电池持续增长的压力与容量损失之间存在紧密的关联，可以通过测量锂电池的内压变化实现对锂电池电池容量衰减速度的预测。

通过实验测试可以建立起电池特定状态下如满充状态电池膨胀力跟电池健康状态(SOH)之间的关系函数或者建立曲线拐点值跟SOH之间的关系，而膨胀力跟本发明电容值之间存在函数对应关系，因此，基于电容值测试也可以获取电池的SOH状态，从而实现电池SOH状态的在线测试。

Claims (13)

1.一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，包括一个构造电容(3)及电容测量装置，其特征在于：所述构造电容(3)由两个导电层(31)和一个缓冲隔层(32)组成，缓冲隔层(32)位于两个导电层(31)之间，所述电容测量装置分别与构造电容(3)的两个导电层(31)连接，用于测试构造电容(3)的电容值。

2.根据权利要求1所述的一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，其特征在于：所述构造电容(3)设置于电池内部或电池外部，所述构造电容的电容值随电池的膨胀量而变化。

3.根据权利要求1所述的一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，其特征在于：所述构造电容(3)与电池面积比值介于0.6～1.2之间。

4.根据权利要求1所述的一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，其特征在于：所述电池为方型电池或者软包电池，所述构造电容(3)位于相邻两个方型或者软包电池之间。

5.根据权利要求1所述的一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，其特征在于：所述缓冲隔层(32)为实体的弹性片或位于两个导电层之间的间隙。

6.根据权利要求4所述的一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，其特征在于：所述导电层为金属层，所述金属层采用镀膜或者粘贴的方式与缓冲隔层(32)形成一体结构，位于相邻两个相邻的方型电池或软包电池之间。

7.根据权利要求4所述的一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，其特征在于：所述导电层为方形电池或软包电池的金属壳，缓冲隔层(32)置于两个方型电池或两个软包电池之间。

8.根据权利要求1所述的一种兼具缓冲功能的电池状态估测装置，其特征在于：两个所述导电层(31)设置在圆柱型电池的内部，两个导电层分别是电池壳体(5)和电池卷心负极(4)，所述电池卷心负极(4)和电池壳体(5)之间设置缓冲隔层(32)；

或两个所述导电层(31)设置在圆柱型电池的内部，两个导电层分别是电池壳体(5)和独立电极，所述独立电极与电池壳体(5)之间设有缓冲隔层。

9.一种使用如权利要求1所述的兼具缓冲功能的电池状态估测装置的测值方法，其特征在于：在电池工作过程时，由电容测量装置测得电容值，通过参考电容值变化曲线，从而得出电池的SOC值。

10.根据权利要求9所述的测值方法，其特征在于：所述电容值变化曲线是通过电容测量装置检测充放电过程中构造电容(3)的电容值，同时检测电池的SOC，通过电池的膨胀量变化建立电容值跟电池SOC之间的关系曲线，即得电容值变化曲线。

11.根据权利要求1-8中任一项所述电池状态估测装置在析锂检测中的用途，其特征在于：该用途表现为，所述电容测量装置测得电容变化值，在电容变化值超过析锂预设区间的取值范围时，即可判定电池发生析锂，可以对外输出异常信号，来提醒降低充电电流大小或者停止充电等，进而根据实际情况优化充电策略。

12.根据权利要求1-8中任一项所述电池状态估测装置在安全预警中的用途，其特征在于：该用途表现为，所述电容测量装置测得电容变化值，在电容变化值超过预设区间的取值范围时，即可判定电池内部形成局部热点，可以发出安全预警，进行相应检测、主动降温或者在电池发展到热失控之前提示用户离开风险车辆。

13.根据权利要求1-8中任一项所述电池状态估测装置在确定电池SOH状态的用途，其特征在于所述电容测量装置测得电容变化值，用于分析电池的SOH状态。