鋰離子電池管理系統(tǒng)之超聲檢測電池SoC狀態(tài)

　　對于鋰離子電池管理系統(tǒng)BMS非常重要的一個功能就是對電池的SoC狀態(tài)進行預測，SoC既電池的荷電狀態(tài)，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(fā)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(tài)并不是與電壓呈現(xiàn)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(jù)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(jù)該模型進行推導計算，從而實現(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(shù)，通過間接的方法推導鋰離子電池的SoC狀態(tài)，由于電池模型誤差的存在，因此難以對電池的SoC狀態(tài)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(tài)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(fā)生一定程度的體積膨脹，導致負極極片的孔隙率發(fā)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(tài)。

　　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(jù)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：