資料介紹
對于鋰離子電池管理系統BMS非常重要的一個功能就是對電池的SoC狀態進行預測,SoC既電池的荷電狀態,state ofcharge的縮寫,電池的SoC對于電池的管理十分重要,可以指導電池的充放電,防止發生過充過放,延緩電池的衰降。但是對于鋰離子電池而言,電池的SoC狀態并不是與電壓呈現簡單的線性關系,這就為電池SoC的預測制造了重重的阻礙。一般而言,電池的電壓與電池的SoC,工作電流和溫度等因素密切相關,因此為了提高預測的準確度,往往需要復雜的模型。目前比較常見的模型一般分為兩大類:1)等效電路模型,這種模型一般是根據電池的測量結果,將電池等效成為一個由電阻、電容等多種電子元器件組成的電路,并根據該模型進行推導計算,從而實現對電池的SoC的預測;2)電化學模型,這種模型更多的是關注鋰離子電池內在的反應機理,通過數學模型對電池的正極、負極、界面膜和電解液等組分進行建模,模擬它們在充放電過程中的行為特點,從而實現對鋰離子電池的SoC的預測。
上面這些SoC預測方法都是基于我們常見的電壓和電流、溫度等參數,通過間接的方法推導鋰離子電池的SoC狀態,由于電池模型誤差的存在,因此難以對電池的SoC狀態進行高精度的預測。來自德國Fraunhofer硅酸鹽研究所的Lukas Gold等人提出了一種利用超聲波檢測的手段確定鋰離子電池SoC狀態的方法。為了便于理解Lukas Gold提出的方法的工作原理,我們需要簡單介紹一下鋰離子電池的反應原理,在鋰離子電池充電的過程中,Li+首先從正極脫出,擴散負極表面,然后嵌入到石墨負極的晶格內部,隨著Li+的嵌入,石墨顆粒會發生一定程度的體積膨脹,導致負極極片的孔隙率發生變化,而超聲波對于孔隙率的變化十分敏感,因此也就能夠高靈敏的檢測電池的SoC狀態。
為了研究負極對超聲波的反饋,LukasGold假設負極結構中所有的空隙都填滿了電解液,并根據Biot的“彈性波在液體填充的多孔固體中的傳播理論”建立了理論模型。為了驗證這一理論的準確性,Lukas Gold采用方形1.2Ah電池進行了驗證。試驗中選用了RCN脈沖作為超聲波源,試驗原理如下圖所示:
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