一种监测锂离子电池荷电状态和健康状态的方法及其装置与流程

本发明属于涉及电池技术领域，特别涉及电池荷电状态与健康状态的监测方法和装置。

背景技术：

电池的荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间或长期搁置不用后的剩余容量与其完全充电状态的容量的比值，简称SOC。电池的荷电状态和其电流、电压等可测量特性之间是一种非常复杂的非线性关系，且随电池使用环境和寿命变化，很难直接测得，因此，如何准确地进行电池荷电状态的测量是一个国际性的难题。

电池的健康状态是电池同其理想状态相比较的一个品质因素，简称SOH。通常电池的健康状态随着使用时间与次数的增加而降低。通常，我们会给电池健康状态设定一个阈值，当电池健康状态低于此阈值即代表电池不适合再继续使用。由于电池的健康状态并不存在一个具体的对应的物理量，因此工业界对于如何确立电池健康状态的方法各不相同，通常采用电池内阻、容量、电压、自放电快慢、充电能力、充放电圈数等电学参数的变化来确立电池的健康状态。而在实际使用中，电池还会因为过充、过热、短路、机械破坏等非正常使用原因，出现胀气、漏夜等健康状态问题，如果不及时发现，可能导致电池燃烧甚至爆炸。

电池的荷电状态无法被直接测量，人们通常通过离线和在线两种模式测量其他物理量对电池荷电状态进行估测。离线模式下，电池以恒定的速率充放电，对电量进行积分。这种模式能非常精确的估测电池荷电状态但耗时长且测试过程中电池的工作必须中断。因此人们倾向于在线测量的模式。当前在线测量模式主要有化学法、电压法、电流积分法、内阻法、卡尔曼滤波法、神经网络法等间接估测电池荷电状态的方法。

化学法仅适用于能接触到电解液的电池，例如非密封式铅酸电池通过测定其电解液的PH值与密度来确定其荷电状态。

电压法通过对比已知的充放电电压荷电状态曲线，将电压值转换为电池的荷电态，然而锂离子电池的电压往往比较稳定，随荷电状态不同而变化的幅度很小，且电池电压受电流、温度、寿命的影响非常大，导致这种方法测得的荷电状态非常不准确。电压法可以通过引入电流、温度修正系数的方法提高精确度，但精确度依然不高。

电流积分法又称为安时积分法或库伦计数，通过将电池电流对时间进行积分来计算电池的荷电状态。这种方法缺乏参照点，无法测得电池因为自放电而产生的容量衰减，且其误差具有累积性，会随着时间的增加而逐渐增大。因此，采用这种方法时需要定期对电池荷电状态进行重新标定，例如在充满电后将电池荷电状态重新设为100％。

内阻法有交流内阻和直流内阻之分，它们都与电池荷电状态有密切关系。电池交流阻抗是电池电压与电流之间的传递函数，是一个复数变量，表示电池对交流电的反抗能力，要用交流阻抗仪来测量。电池交流阻抗受温度影响大，是在电池处于静置后的开路状态还是在电池充放电过程中进行交流阻抗测量，存在争议。直流内阻表示电池对直流电的反抗能力，在实际测量中，将电池从开路状态开始恒流充电或放电，相同时间内负载电压和开路电压的差值除以电流值就是直流内阻。对于铅蓄电池在放电后期，直流内阻明显增大，可用来估计电池荷电状态；镍氢电池和锂离子电池直流内阻变化规律与铅蓄电池不同，应用较少。

卡尔曼滤波法的核心思想是对动力系统的状态做出最小方差意义上的最优估计。卡尔曼滤波法将电池被看成一个动力系统，电池荷电状态是系统的一个内部状态。估计电池荷电状态算法的核心，是一套包括电池荷电状态估计值和反映估计误差的、协方差矩阵的递归方程，协方差矩阵用来给出估计误差范围。该方法适用于各种电池，尤其是电池电流波动比较剧烈的混合动力电动汽车电池的荷电状态的估计。相比于其他方法，它不仅给出了电池荷电状态的估计值，还给出了电池荷电状态的估计误差。

神经网络法认为，电池是高度非线性的系统，在它充放电过程中很难建立准确的数学模型。神经网络具有非线性的基本特性，具有并行结构和学习能力，对于外部激励，能给出相应的输出，能够模拟电池动态特性，来估计电池荷电状态。神经网络法适用于各种电池，缺点是需要大量的参考数据进行训练，估计误差受训练数据和训练方法的影响很大。

总的来说，当前的电池的荷电状态与健康状态的测试方法都基于电流、电压、阻抗等电学参数的测量，却都因为电池的电学参数影响因素复杂，无法得到足够可信的结果。

因此，如果能通过电学参数以外的其他电池特性参数对荷电状态与健康状态进行测量，则对提高荷电状态测量精度、及时提示健康状态具有重要意义。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种监测锂离子电池荷电状态和健康状态的方法，其目的在于，建立声学参数分别与锂离子电池荷电状态和健康状态的对应关系，进而利用声学参数监测锂离子电池的荷电状态和健康状态，由此解决现有技术中基于电学参数监测锂离子电池电量和健康状态结果可靠性不佳的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种监测锂离子电池荷电状态和健康状态的方法，

首先，以声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的锂离子电池，以获得声学参数，进而建立声学参数分别与锂离子电池荷电状态和健康状态的对应关系，

接着，通过监测锂离子电池的声学参数，再根据所述的声学参数分别与锂离子电池荷电状态和健康状态的对应关系，判断锂离子电池的荷电状态和健康状态，

其中，所述声学参数包括：声波在锂离子电池中传播后的振幅衰减程度、飞行时间以及声指纹，所述飞行时间是指声波从超声信号源到超声信号接收器的用时。所述超声信号源和超声信号接收器均连接同一锂离子电池，所述声指纹是指声波穿过锂离子电池后的波形。

进一步的，首先，以特定频率与振幅的超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的锂离子电池，以获得该特定频率与振幅的超声波的振幅衰减程度，进而建立不同充放电电流条件下的振幅衰减程度与锂离子电池荷电状态的对应关系，获得标定图谱，

接着，在锂离子电池的使用过程中，监测不同充放电电流条件下以该特定频率与振幅的超声波在穿过锂离子电池后的振幅衰减程度，根据所述标定图谱，获得不同充放电电流条件下，该特定频率与振幅的超声波振幅衰减程度与荷电状态的对应关系，进而判断出电池的荷电状态。

以上发明构思的原理在于：对于一个确定的电池，在标定过程中，电流、荷电状态、超声波穿过电池后的振幅均是可以测得的已知量，而研究发现这三者之间有客观的对应关系。在电池的使用过程中，荷电状态是无法直接得到的。按以上的方法，测得电流与超声波穿过电池后的振幅，就可以推测电池的荷电状态。

不同荷电状态下，超声波穿过电池后的振幅会发生变化，这是以上发明内容成立的基础。其原因在于不同荷电状态下，锂离子电池内部的正、负极材料化学组成是不同的，且正、负极材料颗粒会随着充放电过程发生体积变化，导致电极片内部颗粒堆积紧密程度改变，进而导致电池整体对声波能量的吸收率发生改变，表现为超声波穿过电池后的振幅会发生变化。

进一步的，首先，以超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的锂离子电池，以获得飞行时间，进而建立不同充放电电流条件下的飞行时间与锂离子电池荷电状态的对应关系，获得标定图谱，接着，在锂离子电池的使用过程中，监测不同充放电电流条件下超声波穿过锂离子电池的飞行时间，根据所述标定图谱，获得不同充放电电流条件下，该超声波飞行时间与荷电状态的对应关系，进而判断出电池的荷电状态。

以上发明构思的原理在于：对于一个确定的电池，在标定过程中，电流、荷电状态、超声波穿过电池的飞行时间均是可以测得的已知量，且研究发现三者之间有客观的对应关系。在电池的使用过程中，荷电状态是无法直接得到的。按以上的方法，测得电流与超声波穿过电池的时间，就可以推测电池的荷电状态。

不同荷电状态下，超声波穿过电池的飞行时间会发生变化，这是以上发明内容成立的基础。其原因在于，不同荷电状态下，锂离子电池内部的正、负极材料化学组成是不同的，且正、负极材料颗粒会随着充放电进行发生体积变化，导致电极片内部颗粒堆积紧密程度改变，进而导致电池内部的平均声速发生改变，表现为超声波穿过电池后的振幅会发生变化。

进一步的，首先，以特定频率与振幅的超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的健康锂离子电池，以获得该特定频率与振幅的超声波的振幅衰减程度，进而获得不同充放电电流条件下的在锂离子电池健康状态下的振幅，接着，以该特定频率与振幅的超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的锂离子电池，在监测到穿过锂离子电池的该特定频率与振幅的超声波振幅与健康状态锂离子电池下相比异常减小时，能获知锂离子电池健康状态不佳。

进一步的，首先，以超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的健康锂离子电池，以获得该超声波中特定波峰的飞行时间，进而获得该特定波峰在不同充放电电流条件下穿过健康锂离子电池的飞行时间，接着，以超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的锂离子电池，在监测到穿过锂离子电池的所述特定波峰的飞行时间与健康状态锂离子电池下相比异常增加时，能获知锂离子电池健康状态不佳。

进一步的，首先，以超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的健康锂离子电池，记录穿过锂离子电池后的超声波信号，获得参考声指纹，接着，以超声波穿过不同充放电电流条件下的各种荷电状态的锂离子电池，获得检测声指纹，在所述检测声指纹与所述参考声指纹相比变化幅度超过设定限度时，能获知锂离子电池健康状态不佳。

以上发明构思的原理在于：对于一个确定的电池，在标定过程中，超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间均是可以测得的已知量，电池健康状态的恶化会引起超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间的巨大变化。电池的健康状态无直接对应物理量，但可以通过间接量来反映。按以上方法，测得超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间，就可以间接反映电池健康状态的变化，当超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间发生大幅度变化时可以提前对健康状态不佳的电池进行预警。

按照本发明的另一个方面，还提供一种实现如上所述方法的装置，其包括超声信号源和超声信号接收器，所述超声信号源和所述超声信号接收器分别位于待监测的锂离子电池两侧，所述超声信号源用于发射超声波，所述超声信号接收器用于接收并记录超声波的振幅、飞行时间以及声指纹。

总体而言，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：

本发明采用超声的方法，从声学角度通过测量不同充放电电流以及不同荷电状态下声波在电池中传播后的振幅衰减程度、飞行时间(声波从超声信号源到超声信号接收器的用时)以及声指纹(声波穿过电池后的波形)对电池的荷电状态进行测量并对电池的健康状态进行监测。

本发明通过超声能够更为直接的得到电池充放电过程中内部电极的变化，从而从一个新的有别于电学参数测量的途径检测到电池荷电状态与健康状态的数据。实验证实，利用本发明的方法，能有效对电池荷电状态进行测量并对电池的健康状态进行监测，能够适用于各种形状各种类型的锂电池，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例中电池荷电状态和健康状态的检测装置示意图；

图2是本发明实施例1中50％荷电状态下超声波脉冲穿过电池后的波形(声指纹)；

图3是本发明实施例1中放电过程中超声信号峰值同电池荷电状态的对应关系；

图4是本发明实施例1中充电过程中超声信号峰值同电池荷电状态的对应关系；

图5是本发明实施例1中放电过程中超声信号飞行时间同电池荷电状态的对应关系；

图6是本发明实施例1中充电过程中超声信号飞行时间同电池荷电状态的对应关系；

图7是本发明实施例中健康状态不佳的电池的声学指纹同正常健康状态电池声学指纹的对比图。

在所有的附图中，相同的附图标记自始至终表示相同元件或者结构，其中，

1-超声信号源 2-电池 3-超声信号接收器

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在大量的研究中发现，穿过锂离子电池的超声波衰减幅度随电池荷电状态的增加而减少，超声波的飞行时间随电池荷电态的增加而增加，同时对于同一电池，不同荷电状态下的波峰位置与波形相似(可以提取声指纹)。这就意味着我们可以利用超声的方式来对电池的荷电状态以及健康状态进行估测。因此，基于上述规律，本发明提出了一种全新的电池荷电状态和健康状态的测量方法并建立了相应装置。

本发明方法中，通过声波穿过锂电池后的振幅衰减程度监测电池荷电状态的方法在于：首先，标定电池在不同充放电电流以及不同荷电状态下，特定频率与振幅的超声波穿过该电池后的振幅，建立起超声波穿过该电池后的振幅与电流和电池荷电状态的对应关系。之后，在使用过程中，监测特定频率与振幅的超声波在穿过电池后的振幅，对比标定过程中得到的该电流下振幅与荷电状态的对应关系，进而推测电池的荷电状态。

本发明方法中，所述通过声波的飞行时间监测电池荷电状态的方法在于：首先，标定电池在不同充放电电流以及不同荷电状态下，特定频率与振幅的超声波穿过该电池的飞行时间，建立起超声波穿过该电池的飞行时间与电流和电池荷电状态的对应关系。之后，在使用过程中，监测特定频率与振幅的超声波在穿过电池的或飞行时间，对比标定过程中得到的该电流下声波的飞行时间与荷电状态的对应关系，进而推测电池的荷电状态。

本发明方法中，所述通过飞行时间、振幅以及声指纹监测电池健康状态的方法在于：首先，标定电池在不同充放电电流以及不同荷电状态下，特定频率与振幅的超声波穿过该电池后的振幅、波形与飞行时间，提取出超声波穿过该电池后的振幅、波形与飞行时间与对应电流和电池荷电状态的相对不变量。之后，在使用过程中，监测特定频率与振幅的超声波在穿过电池后的振幅、波形与飞行时间，对比标定过程中得到的该电流下振幅、波形或飞行时间的相对不变量，以振幅、波形与飞行时间同之前提取出的不变量间的差异作为电池健康状态的指示参数，当差异达到预定值时认定电池健康状态不佳，需要更换。以上设计的原理在于：对于一个确定的电池，在标定过程中，超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间均是可以测得的已知量，电池健康状态的恶化会引起超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间的巨大变化。电池的健康状态无直接对应物理量，但可以通过间接量来反映。按我们的方法，测得超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间，就可以间接反映电池健康状态的变化，当超声波穿过电池后的振幅、波形与飞行时间发生大幅度变化时可以提前对健康状态不佳的电池进行预警。

本发明的原理为：锂离子电池充放电过程本质是锂离子在正负极的嵌入与脱出。不同的池荷电状态下正负极拥有不同的锂含量，从而其电极密度、杨氏模量与晶体结构结构等物理量不同。而电池的声学参数(比如声波振幅衰减程度，声波飞行时间，穿过电池后的波峰形状)的变化，可以直接反映电池内部电极的物理变化。因此通过测量这些声学参数的变化能估测电池的池荷电状态与健康状态。

图1为本发明实施例中电池荷电状态和健康状态的检测装置示意图，由图可知，其包括超声信号源1、电池2以及超声信号接收器3，电池2为待监测的锂离子电池，所述超声信号源1和所述超声信号接收器3分别位于待监测的锂离子2电池两侧，所述超声信号源用于发射超声波，所述超声信号接收器用于接收并记录超声波的振幅、飞行时间以及声指纹。

更为详细地，为了更进一步说明本发明方法和装置，下面结合实施例更进一步阐述如下。

实施例1

将超声信号源和超声信号接收器分别贴在软包三元材料-石墨锂离子电池(标称容量5000mAh，正常充放电区间为2.8-4.2V)的上下表面，类似如图1所示。由超声信号源发出一个超声脉冲信号，采用透过模式通过另一面的超声信号接收器监测穿过电池的超声信号。

用电池测试仪以5A电流对电池进行充放电，并实时记录不同荷电状态下超声波脉冲穿过该电池后的波形(也即声指纹)，如图2所示，图2是本发明实施例中50％荷电状态下超声波脉冲穿过电池后的波形(声指纹)，从声指纹中提取到最强峰振幅、最强峰超声波的飞行时间等信息。

放电过程中，超声波穿过该电池后的最强峰振幅(振幅衰减程度)与荷电状态的对应关系如附图3所示，图3是本发明实施例中放电过程中超声信号峰值同电池荷电状态的对应关系。

充电过程中，超声波穿过该电池后的最强峰振幅(振幅衰减程度)与荷电状态的对应关系如图4所示，图4是本发明实施例中充电过程中超声信号峰值同电池荷电状态的对应关系。

之后，锂离子电池在2.8V～4.2V之间正常循环50圈，超声波穿过该电池后的最强峰振幅(振幅衰减程度)与荷电状态的对应关系没有明显变化。

由图3、图4可知，在一定的充放电电流下，透过超声波的振幅随荷电状态呈单调变化，在后续电池使用过程中，以5A电流充、放电，同时测得透过超声波的最强峰振幅，然后在图3、图4中寻找对应的点，即可得到电池的荷电状态。

此外，依据同样发方法可知，超声波的飞行时间与荷电状态的对应关系如图5、图6所示，图5是本发明实施例中放电过程中超声信号飞行时间同电池荷电状态的对应关系，图6是本发明实施例中充电过程中超声信号飞行时间同电池荷电状态的对应关系。由图5和图6可知，在一定的充放电电流下，超声波的飞行时间与荷电状态的也存在一定的对应关系，在后续电池使用过程中，以5A电流充、放电，同时测得透过锂离子电池的超声波的飞行时间，然后在图5、图6中分别寻找对应的点，也可以得到电池的荷电状态。

实施例2

将实施例1中的电池过充至4.25V，循环5圈，使电池的健康状态受到一定程度破坏，电池满充容量下降为标称容量的60％，之后用图1所示的装置测试健康状态受损的电池。

试验结果发现，透过超声波最强峰的振幅降低为健康电池的五分之一。因此可知，在电池使用过程中，发现透过超声波最强峰的振幅出现异常下降，则表明电池健康状态不佳。

实施例3

将实施例1中的电池在5A的电流下正常循环500圈，使电池老化，健康状态受到一定程度破坏，电池满充容量下降为标称容量的80％，之后用图1所示的装置测试老化的电池。

试验结果可知，透过超声波的波形(声指纹)发生了明显改变，如图7所示，图7是本发明实施例中健康状态不佳的电池的声学指纹同正常健康状态电池声学指纹的对比图。实线为电池正常健康状态下声指纹，虚线为电池老化后的声指纹，电池老化后健康状态不佳时，第四和第六波峰出现分裂且整体异常左移。所以，对比待检测电池的透过超声波波形与健康电池透过超声波波形，即可得待检测电池是否因为老化而健康状态不佳。

总而言之，本发明方法有别于传统的依赖于电学参数对电池荷电状态的测量，本发明首次运用超声的手段通过测量电池的声学参数变化来对电池池荷电状态与健康状态进行测量，其测量过程不会如同电学参数般受到诸多影响因素，检测结果相对比较准确。

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。