[發明專利]一種檢測鋰離子電池荷電狀態的方法和裝置

在審

• 申請號: 202010949555.6
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN111880107A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 楊艷;沈越;向經緯;鄧哲;黃云輝;劉磊
• 申請（專利權）人: 華中科技大學無錫研究院
• 主分類號: G01R31/387
• 分類號: G01R31/387
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 王世芳;曹葆青

本發明公開了一種檢測鋰離子電池荷電狀態的方法和裝置，屬于鋰電池領域，對待檢測的鋰離子電池施加超聲脈沖信號，以產生能夠穿透鋰離子電池的超聲波，在施加超聲脈沖信號的一側收集穿過待檢測電池后又被反射回來的超聲信號，與此同時，在施加超聲脈沖信號的相對一側收集透射過待檢測電池的超聲信號，通過對穿透待檢測電池的透射超聲信號和被反射回來的反射超聲信號進行全面收集，最大可能的采集攜帶待檢測電池荷電狀態的超聲信號，對超聲信號進行處理，實現對鋰電池荷電狀態的檢測。本發明還公開其測量裝置。本發明方法和裝置能十分準確并且方便地檢測鋰離子電池荷電狀態。

技術領域

本發明涉及儲能技術領域，特別涉及一種可檢測鋰離子電池荷電狀態的方法和裝置。

背景技術

自上世紀九十年代索尼公司推出第一款商業化鋰離子電池以來，鋰離子電池便因其高能量密度、長循環壽命、無記憶效應等優點在過去的二十年里得到了廣泛的應用，尤其是在便攜式電子產品等領域得到了長足的發展。對于一個智能的用電設備，應具備完善的對電池狀態的控制和監控能力，即配備必要的電池管理系統，以實現電池優化運行與安全管理。而荷電狀態作為表征電池剩余容量的一個狀態量，其精確估算是電池管理系統中最核心的技術之一，也是控制電池儲能系統能量平衡的基礎，其準確估算不僅可以有效預防過充和過放，同時也是電池合理使用和有效維護的主要依據。

然而，由于電池在使用過程中其內部化學反應極為復雜，使得電池的荷電狀態不能直接被測量得到，只能通過測量其他物理量來間接估計，加之影響電池荷電狀態的因素眾多，因此如何估計得到電池荷電狀態的準確值便成為限制電池管理系統技術進一步發展的一項難題。當前，對與鋰電池荷電狀態的測量主要分為離線和在線兩種模式。

離線模式下，通常將電池同工作電路斷開，用恒定的電流對電池進行放電至放電結束，通過統計放電量來獲知電池的荷電狀態。雖然這種方法能夠非常精確的獲知電池的荷電狀態，但是這種方法存在著實施過程中，電池無法對外工作；測試結束即意味著電池電量耗盡；測量耗時長；需要專業的昂貴的設備來進行精確的恒流充放電等缺點，因此只適用于實驗室條件下或工廠中電池出廠時的容量標定過程。

在實際應用過程中，在線模式下電池的荷電狀態測量才有意義，當前在線模式下電池荷電狀態的測量方法主要有電壓法、內阻法、電流積分法、卡爾曼濾波法、神經網絡法等方法。

電壓法利用不同電量下，電池電壓隨荷電狀態單調變化的規律來實現。通過對比已知的充放電電壓荷電狀態曲線，將電壓值轉換為電池的荷電狀態。但是與鉛酸電池、鎳氫蓄電池等傳統的電池不同，鋰離子電池充放電過程中存在一個電壓穩定的充放電平臺，在這個平臺范圍內，電池電壓隨電池荷電狀態變化的幅度很小，同時鋰離子電池電壓受電流、溫度、壽命的影響非常大。這導致了通過電壓的變化測量鋰離子電池荷電狀態得出的結果誤差非常大。雖然電壓法可以通過引入電流、溫度修正系數等方法提高精確度，但精確度依然不高。

電流積分法又稱為安時積分法，其原理是測量電池工作中每時每刻的電流，通過將電流對時間積分來計算電池的電荷量的變化量，結合初始標定的荷電狀態的獲得當前荷電狀態。相比于電壓法，這種方法獲得的電池荷電狀態不受電流與溫度的影響。然而，這種方法也存在許多缺點，首先這種方法對初始誤差不具備修正功能，對初始標定值的準確度要求很高；其次，這種方法需要高精度電流傳感器，極大的增加了測量成本；而且，這種方法缺乏參照點，無法測得電池因為自放電而產生的容量衰減；不僅如此，由于電池充電效率并非100％，導致積分得到的電荷量的變化量同電池實際電荷量的變化量間存在差異；同時，這種方法的誤差具有累積性，會隨著時間的增加而逐漸增大。因此電流積分法一般要同其他方法混合使用，且需要定期做標定。

電池內阻有交流內阻和直流內阻之分，它們都與電池荷電狀態有密切關系。內阻法利用電池內阻同電池荷電狀態的變化規律對電池荷電狀態進行預測。例如對于鉛蓄電池在放電后期，直流內阻明顯增大，可用來估計電池荷電狀態；但是鋰離子電池直流內阻變化規律與鉛蓄電池不同，變化不明顯，應用較少。