團隊介紹

張闖

1982年生，河北工業(yè)大學教授，博士生導師，研究方向為儲能裝置的安全狀態(tài)評價與預警、電工裝備電磁無損檢測與評估等方面。現(xiàn)任省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室副主任、天津市電力設(shè)備可靠性與智能化國際聯(lián)合研究中心主任。兼任中國電工技術(shù)學會電工理論與新技術(shù)專委會秘書長、儲能系統(tǒng)與裝備專委會委員，IEEE PES動力電池技術(shù)分委會常務(wù)理事等。

孫博

1997年生，河北工業(yè)大學電氣工程專業(yè)博士研究生，主要研究方向為鋰離子電池狀態(tài)評估，曾獲2021年全國電工理論與新技術(shù)學術(shù)年會優(yōu)秀論文獎等。

研究背景

鋰離子電池的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）反映了鋰離子電池的續(xù)航能力，已經(jīng)成為新能源汽車電池管理系統(tǒng)中的主要監(jiān)測指標之一，也是動力電池組能量均衡的重要判據(jù)。對SOC的有效估計有助于實時獲取剩余電量，準確地掌握電池工作狀態(tài)，以及可靠地選擇充電策略。

目前鋰離子電池的SOC表征方法主要基于電學參數(shù)、熱學參數(shù)和聲學參數(shù)三類。其中，基于電參數(shù)的表征技術(shù)多以等效電路模型為基礎(chǔ)，并結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法實現(xiàn)SOC估計，其短期估計誤差小，但是計算成本高。此外，由于電參數(shù)方法無法直接反映電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)老化對SOC的影響，其長期累積誤差依然較大。利用熱學參數(shù)的估計往往不能與SOC 構(gòu)成單一的映射關(guān)系，通常與電參數(shù)聯(lián)合估計才能實現(xiàn)表征。

依據(jù)聲學參數(shù)的表征方法以電池的本體結(jié)構(gòu)特征演變規(guī)律為基礎(chǔ)，對SOC的變化較為敏感，在電池狀態(tài)評價和內(nèi)部結(jié)構(gòu)失效方面具有顯著優(yōu)勢。

論文解決的問題

鋰離子電池的電化學、動力學過程涉及復雜的多物理場耦合問題，當前針對鋰離子電池的動力學特征與電池狀態(tài)的對應關(guān)系研究仍處于探索階段，鋰離子脫嵌過程引起的楊氏模量的規(guī)律性研究也不夠深入。

此外，目前基于聲學參數(shù)對鋰離子電池狀態(tài)研究較少，主要采用常規(guī)的聲學時域指標（聲波振幅、聲傳播時間偏移量）來表征，但這些指標容易受耦合劑、壓力等影響且對硬件采樣精度的要求高。因此，提取更有效的聲學指標具有重要意義。

論文方法及創(chuàng)新點

本文將振鈴計數(shù)指標引入電池狀態(tài)評價中，基于振鈴計數(shù)描述電池整體有效楊氏模量對SOC的依賴性，建立短期循環(huán)中二者之間的對應關(guān)系，并進行鋰離子電池SOC超聲檢測實驗。相比于現(xiàn)有的研究，本文搭建的鋰離子電池SOC在線檢測實驗平臺控制了外界溫度、換能器壓力等實驗條件，規(guī)范實驗過程以降低實驗誤差。

根據(jù) Lemaitre的等效應變原理，通過電化學聲-學耦合模型建立起楊氏模量和振鈴計數(shù)的對應關(guān)系，獲取的動態(tài)振鈴計數(shù)Ni 在一定程度上避免了電池整體有效密度變化對該參數(shù)的影響。

同時，獲取了聲波振幅、聲傳播時間偏移量兩項指標，采用高斯過程回歸進行多特征聲學指標的SOC融合估計。

此外，本文還對不同循環(huán)倍率下的鋰離子電池進行實驗并提前振鈴計數(shù)，同時進行了不同放電情況下的聲響應特性分析。

結(jié)論

本文搭建鋰離子電池SOC在線檢測平臺，通過信號處理，引入振鈴計數(shù)參量，結(jié)合常規(guī)時域指標對鋰離子電池整體有效楊氏模量規(guī)律演變進行分析，并進行了鋰離子電池SOC表征研究。實驗結(jié)果見圖1。

圖1 電池測試和對應時刻的聲學指標變化曲線

根據(jù)實驗結(jié)果可以得出，超聲波形具有可重復的趨勢，并呈周期性變化，且與電化學循環(huán)同步。單次循環(huán)中影響振鈴計數(shù)的因素可歸納為：（1） 可循環(huán)鋰離子濃度（2）鋰離子分布均勻度（3）充電機制。

聲波振幅、聲傳播時間偏移量在充電機制轉(zhuǎn)換過程中的變化存在延遲，用于表征SOC存在一定的誤差。而計數(shù)的變化可以唯一地表示與楊氏模量的對應關(guān)系，進而將楊氏模量的變化趨勢凸顯出來。

基于SOC與楊氏模量、振鈴計數(shù)之間的對應關(guān)系，根據(jù)振鈴計數(shù)變化趨勢的可以得出鋰離子電池楊氏模量單次循環(huán)中總體表現(xiàn)出“穩(wěn)→升→降”的趨勢和階梯性變化特征。同時，實驗結(jié)果表明楊氏模量在充電后期與 SOC 呈近似線性的對應關(guān)系。基于高斯過程回歸法對 SOC 的估計誤差對比發(fā)現(xiàn)，計數(shù)指標的增加可有效提升表征精度。估計結(jié)果見圖2。

此外，不同循環(huán)倍率下的實驗數(shù)據(jù)驗證了計數(shù)在不同放電情況下表征SOC 的可行性，同時也反映了電池結(jié)構(gòu)老化對SOC的影響。

圖2 多特征聲學指標估計精度對比圖

因此，本文提出的基于聲學時域特征的鋰離子電池SOC在線檢測方法可以實現(xiàn)對SOC的有效表征，進而得出鋰離子電池的短期循環(huán)動力學特性。該方法可以表征鋰離子電池循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，在電池老化狀態(tài)、剩余壽命評估、安全狀態(tài)評價等方面具有重要的應用潛力。

引用本文

張闖, 孫博, 金亮, 劉素貞, 楊慶新. 基于聲波時域特征的鋰離子電池荷電狀態(tài)表征[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(22): 4666-4676. Zhang Chuang, Sun Bo, Jin Liang, Liu Suzhen, Yang Qingxin. Characterization of the State of Charge of Lithium-Ion Batteries Based on the Time-Domain Characteristics of Acoustic Waves. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(22): 4666-4676.