一种可检测荷电状态的充放电装置及荷电状态的检测方法与流程

本发明涉及储能技术领域，特别涉及一种可检测荷电状态的充放电装置及荷电状态的检测方法。

背景技术：

储能技术的发展在小到电动汽车、无人飞机、智能手机、智能手表等终端消费产品大到通讯基站、分布式微网、可再生能源发电系统的应用中发挥着重大的作用。储能技术最小储能单位是电池，当前常见的储能电池中锂电池具有能量密度大、寿命长、工作稳定等优势，因此成为了现在储能电池的主流选择。

对于一个智能的用电设备，应具备完善的对电池状态的控制和监控能力，即配备必要的电池管理系统，以实现电池优化运行与安全管理。而荷电状态作为表征电池剩余容量的一个状态量，其精确估算是电池管理系统中最核心的技术之一，也是控制电池储能系统能量平衡的基础，其准确估算不仅可以有效预防过充和过放，同时也是电池合理使用和有效维护的主要依据。

然而电池的荷电状态并不是一个可以通过仪器直接测量得到的物理量，只能通过测量其他物理量来间接估计。当前对与锂离子电池荷电状态的测量主要分为离线和在线两种模式。

离线模式下，通常将电池同工作电路断开，用恒定的电流对电池进行放电至放电结束，通过统计放电量来获知电池的荷电状态。虽然这种方法能够非常精确的获知电池的荷电状态，但是这种方法存在着实施过程中，电池无法对外工作；测试结束即意味着电池电量耗尽；测量耗时长；需要专业的昂贵的设备来进行精确的恒流充放电等缺点，因此只适用于实验室条件下或工厂中电池出厂时的容量标定过程。

在实际应用过程中，在线模式下电池的荷电状态测量才有意义，当前在线模式下电池荷电状态的测量方法主要有电压法、内阻法、电流积分法、卡尔曼滤波法、神经网络法等方法。

电压法利用不同电量下，电池电压随荷电状态单调变化的规律来实现。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状态。但是与铅酸电池、镍氢蓄电池等传统的电池不同，锂离子电池充放电过程中存在一个电压稳定的充放电平台，在这个平台范围内，电池电压随电池荷电状态变化的幅度很小，同时锂离子电池电压受电流、温度、寿命的影响非常大。这导致了通过电压的变化测量锂离子电池荷电状态得出的结果误差非常大。虽然电压法可以通过引入电流、温度修正系数等方法提高精确度，但精确度依然不高。

电流积分法又称为安时积分法，其原理是测量电池工作中每时每刻的电流，通过将电流对时间积分来计算电池的电荷量的变化量，结合初始标定的荷电状态的获得当前荷电状态。相比于电压法，这种方法获得的电池荷电状态不受电流与温度的影响。然而这种方法也存在许多缺点，首先这种方法对初始误差不具备修正功能，对初始标定值的准确度要求很高；其次，这种方法需要高精度电流传感器，极大的增加了测量成本；而且，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；不仅如此，由于电池充电效率并非100％，导致积分得到的电荷量的变化量同电池实际电荷量的变化量间存在差异；同时，这种方法的误差具有累积性，会随着时间的增加而逐渐增大。因此电流积分法一般要同其他方法混合使用，且需要定期做标定。

电池内阻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。内阻法利用电池内阻同电池荷电状态的变化规律对电池荷电状态进行预测。例如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；但是锂离子电池直流内阻变化规律与铅蓄电池不同，变化不明显，应用较少。

卡尔曼滤波法和神经网络法与其说是一种测量方法，不如说是一种数据处理的手段，其本质也是对电池电压、电流、内阻等电学信息进行测量，然后通过复杂的数学处理手段对电池荷电状态做更为精确的估计。这些方法一方面需要复杂的电路来说实现，另一方面受电压、电流、内阻等信息测量准确性的影响。

总的来说，当前对电池荷电状态的测量方法主要基于电池的电学参数变化，通过测量电池的电压、电流、内阻或对电池的电流进行积分等方式间接获取电池的荷电状态。然而，一方面，电池的电学参数影响因素复杂，电池的荷电状态同多个影响因素密切相关，且具有很强的非线性关系；另一方面，锂离子电池具有稳定的充放电平台这一特点导致锂离子电池电压同电池荷电状态的变化关系并不明显。因此，传统的荷电状态测量方法均无法得到足够可信的结果，如何准确地进行锂离子电池荷电状态的测量一直是一个国际性的难题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供一种可检测荷电状态的充放电装置及荷电状态的检测方法。本技术方案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，本技术方案通过利用超声波检测，其中超声波信号在不同物质的不同状况下，如密度，温度，压力，晶体结构具有唯一的声学参数，如声速、声衰减系数。锂电池充放电过程中，随着荷电状态的变化，电池正负极活性材料的成分、密度、晶体结构域等物理参数发生变化，其声学参数也随之发生改变；

因此，本技术方案通过利用检测系统通过制定标定曲线，和具有不同的温度标记的标定曲线所制成的曲线集合，通过利用温度检测装置检测锂电池的温度，并从曲线集合中选择与该锂电池的温度匹配的标定曲线，通过利用超声波检测装置获得信息超声波的能量数据，并带入至该标定曲线内确定锂电池的荷电状态，具有敏感度高，实现简单，成本低等特点，并且能够准确的检测出锂电池的荷电状态，进而更加精准的控制电池管理系统启动或停止对所述锂电池充电或放电，提高了企业的生产效率或检测效率。

本发明中的一种可检测荷电状态的充放电装置，用于检测锂电池的荷电状态，并对所述锂电池充放电，包括：

检测系统，与锂电池连接用于检测所述锂电池的荷电状态，并形成状态信号；

电池管理系统，与锂电池连接用于对锂电池进行充点或放电，所述电池管理系统还与所述检测系统连接，并根据所述状态信号启动或停止对所述锂电池充电或放电。

上述方案中，所述检测系统包括超声波检测装置、温度检测装置和计算机；

所述超声波检测装置与所述锂电池连接并利用超声波对所述锂电池进行检测，形成超声波数字信号；所述温度检测装置与所述锂电池连接并检测所述锂电池的温度，并形成温度数字信号；

所述计算机分别与所述超声波检测装置和温度检测装置连接，所述计算机内具有由若干个标定曲线构成的曲线集合，所述计算机根据所述温度数字信号从所述曲线集合中选取匹配的标定曲线，所述计算机将所述超声波数字信号与所述标定曲线进行比对，确定所述锂电池的荷电状态的测量值。

上述方案中，所述电池管理系统与所述计算机连接，所述计算机将所述锂电池的荷电状态的测量值传送至所述电池管理系统，所述电池管理系统根据所述荷电状态的测量值，对所述锂电池充电或放电。

上述方案中，所述温度检测装置包括温度传感器和温度模数转换器，所述温度传感器与所述锂电池连接，所述温度模数转换器与所述温度传感器连接，所述温度模数转换器与所述计算机连接；

所述温度传感器感测所述锂电池的温度，并向所述温度模数转换器传送温度信号，所述温度模数转换器将所述温度信号转换为温度数字信号传送至所述计算机，所述计算机根据所述温度数字信号从所述曲线集合中选取匹配的标定曲线。

上述方案中，所述超声波检测装置包括超声波发射探头、超声波接收探头、超声波发射接收器和能量积分器；

所述超声波发射探头和超声波接收探头对称布置与所述锂电池的两侧，并分别与所述锂电池连接；

所述超声波发射探头和超声波接收探头分别与所述超声波发射接收器连接；

所述超声波发射接收器与所述能量积分器连接，所述超声波发射接收器通过所述超声波发射探头向所述锂电池输出检测超声波，所述检测超声波穿过所述锂电池形成信息超声波，所述信息超声波经所述超声波接收探头传回至所述超声波发射接收器，所述超声波发射接收器将所述信息超声波传送至所述能量积分器。

上述方案中，所述能量积分器与所述计算机连接，所述能量积分器对所述信息超声波进行积分转换，并转化为超声波数字信号传送至所述计算机，所述计算机将所述超声波数字信号与所述标定曲线进行比对，确定所述锂电池的荷电状态的测量值。

一种荷电状态的检测方法，用于检测锂电池的荷电状态，包括以下步骤：

S1.检测装置初始化：制作标定曲线和曲线集合，所述标定曲线包括充电标定曲线和放电标定曲线；

S11.制作充电标定曲线：将锂电池置于实验线，操作电池管理系统将所述锂电池由空电状态充至饱和状态，操作计算机通过超声波检测装置在同一温度下向所述锂电池输出检测超声波，所述检测超声波经锂电池形成信息超声波；所述计算机将锂电池的充电电流数据和信息超声波的信号能量数据进行归一化拟合处理，并制成充电标定曲线；

S12.制作放电标定曲线：将锂电池置于实验线，操作电池管理系统将所述锂电池由饱和状态放至空电状态，操作计算机通过超声波检测装置在同一温度下向所述锂电池输出检测超声波，所述检测超声波经锂电池形成信息超声波；所述计算机将锂电池的放电电流数据和信息超声波的信号能量数据进行归一化拟合处理，并制成放电标定曲线；

S13.制作曲线集合：操作计算机通过超声波检测装置在不同的温度下重复所述S11和S12步骤，形成若干个具有温度标记的充电标定曲线和放电标定曲线；将若干个所述标定曲线制成曲线集合并嵌入进所述计算机内；

S2.锂电池检测：

S21.检测准备：将所述计算机与电池管理系统连接，检测线上具有与所述电池管理系统连接的锂电池，所述电池管理系统对所述锂电池进行充电或放电工作；

S22.温度检测：所述计算机通过温度检测装置感测检测线上的锂电池进行温度检测，所述温度检测装置将锂电池的温度转化为温度数字信号传送至所述计算机；

S23.超声波检测：所述计算机通过超声波检测装置向所述检测线上的锂电池输出检测超声波，所述检测超声波穿过所述锂电池形成信息超声波回传至所述超声波检测装置，所述超声波检测装置将所述信息超声波进行积分转换后转化为超声波数字信号传送至所述计算机，所述超声波数字信号内包含所述信息超声波的能量数据；

S24.荷电状态分析：所述计算机根据所述温度数字信号从所述集合曲线中选择与所述锂电池的温度匹配的标定曲线，所述计算机根据所述超声波数字信号获得所述信息超声波的能量数据，所述计算机还将所述信息超声波的能量数据带入至所述标定曲线内，获得所述锂电池的荷电状态。

上述方案中，在所述S11和S12中，所述计算机将所述锂电池从空电状态至饱和状态，或从饱和状态放至空电状态过程中各个时点的电流数据，以及各个时点所对应的信息超声波的信号能量数据进行归一化处理，并对归一化处理后的信息超声波的信号能量数据拟合形成充电标定曲线或放电标定曲线；

在所述S13中，所述计算机通过超声波检测装置在不同的温度下，重复所述S11和S12步骤制成曲线集合并嵌入进所述计算机内。

上述方案中，还包括以下步骤：S3.充放电控制：所述计算机根据所述锂电池的荷电状态判断所述锂电池处于饱和状态、非饱和状态还是过充状态，并向所述电池管理系统输出状态信号，所述电池管理系统根据所述状态信号启动或停止对所述锂电池充电或放电。

上述方案中，在所述S3中，所述状态信号包括饱和信号、剩余电量的预测值和过充信号；

若所述锂电池处于饱和状态，所述计算机向所述电池管理系统输出饱和信号，所述电池管理系统根据所述饱和信号停止向所述锂电池充电或放电；

若所述锂电池处于非饱和状态，所述计算机根据所述锂电池的荷电状态向所述电池管理系统输出剩余电量的预测值，所述电池管理系统根据所述剩余电量的预测值向所述锂电池充电，并确定充电电流或充电时间；

若所述锂电池处于过充状态，所述计算机向所述电池管理系统输出过冲信号，所述电池管理系统根据所述过充信号向所述锂电池放电。

本发明的优点和有益效果在于：本发明提供一种可检测荷电状态的充放电装置及荷电状态的检测方法，利用超声波检测，其中超声波信号在不同物质的不同状况下，如密度，温度，压力，晶体结构具有唯一的声学参数，如声速、声衰减系数。锂电池充放电过程中，随着荷电状态的变化，电池正负极活性材料的成分、密度、晶体结构域等物理参数发生变化，其声学参数也随之发生改变；通过制定标定曲线，和具有不同的温度标记的标定曲线所制成的曲线集合，通过利用温度检测装置检测锂电池的温度，并从曲线集合中选择与该锂电池的温度匹配的标定曲线，通过利用超声波检测装置获得信息超声波的能量数据，并带入至该标定曲线内确定锂电池的荷电状态，具有敏感度高，实现简单，成本低等特点，并且能够准确的检测出锂电池的荷电状态，进而更加精准的控制电池管理系统启动或停止对所述锂电池充电或放电，提高了企业的生产效率或检测效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种可检测荷电状态的充放电装置的结构示意图；

图2为本发明一种荷电状态的检测方法的流程图；

图3为本发明一种荷电状态的检测方法中信息超声波的波形图；

图4为本发明一种荷电状态的检测方法中锂电池从空电状态至饱和状态，和从饱和状态放至空电状态过程中各个时点的电流数据，以及各个时点所对应的信息超声波的信号能量数据的散点图；

图5为对图4中的信息超声波的信号能量数据归一化处理后散点图；

图6为本发明一种荷电状态的检测方法中充电标定曲线的曲线图；

图7为本发明一种荷电状态的检测方法中放电标定曲线的曲线图；

图8为本发明一种荷电状态的检测方法中充电标定曲线、放电标定曲线、电池管理系统对锂电池的充电电压和放电电压的曲线对比图。

图中：1、锂电池 2、检测系统 3、电池管理系统

21、超声波检测装置 22、温度检测装置 23、计算机

211、超声波发射探头 212、超声波接收探头

213、超声波发射接收器 214、能量积分器

221、温度传感器 222、温度模数转换器

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明是一种可检测荷电状态的充放电装置，用于检测锂电池1的荷电状态，并对锂电池1充放电，包括：

检测系统2，与锂电池1连接用于检测锂电池1的荷电状态，并形成状态信号；

电池管理系统3，与锂电池1连接用于对锂电池1进行充点或放电，电池管理系统3还与检测系统2连接，并根据状态信号启动或停止对锂电池1充电或放电。

具体的，检测系统2包括超声波检测装置21、温度检测装置22和计算机23；

超声波检测装置21与锂电池1连接并利用超声波对锂电池1进行检测，形成超声波数字信号；温度检测装置22与锂电池1连接并检测锂电池1的温度，并形成温度数字信号；

计算机23分别与超声波检测装置21和温度检测装置22连接，计算机23内具有由若干个标定曲线构成的曲线集合，计算机23根据温度数字信号从曲线集合中选取匹配的标定曲线，计算机23将超声波数字信号与标定曲线进行比对，确定锂电池1的荷电状态的测量值。

优选的，电池管理系统3与计算机23连接，计算机23将锂电池1的荷电状态的测量值传送至电池管理系统3，电池管理系统3根据荷电状态的测量值，对锂电池1充电或放电。

进一步的，温度检测装置22包括温度传感器221和温度模数转换器222，温度传感器221与锂电池1连接，温度模数转换器222与温度传感器221连接，温度模数转换器222与计算机23连接；其中，温度传感器221的测量范围为-20℃—80℃；

温度传感器221感测锂电池1的温度，并向温度模数转换器222传送温度信号，温度模数转换器222将温度信号转换为温度数字信号传送至计算机23，计算机23根据温度数字信号从曲线集合中选取匹配的标定曲线。

优选的，温度传感器221贴合连接在锂电池1的导热包装层外侧，以及时感应锂电池1的内部温度变化。

进一步的，超声波检测装置21包括超声波发射探头211、超声波接收探头212、超声波发射接收器213和能量积分器214；

超声波发射探头211和超声波接收探头212对称布置与锂电池1的两侧，并分别与锂电池1连接；

超声波发射探头211和超声波接收探头212分别与超声波发射接收器213连接；

超声波发射接收器213与能量积分器214连接，超声波发射接收器213通过超声波发射探头211向锂电池1输出检测超声波，检测超声波穿过锂电池1形成信息超声波，信息超声波经超声波接收探头212传回至超声波发射接收器213，超声波发射接收器213将信息超声波传送至能量积分器214。

优选的，超声波发射探头211和超声波接收探头212贴合连接在锂电池1的两侧；

优选的，超声波发射接收器213为脉冲式超声波发射接收器213，超声波发射接收器213可发射与超声波发射探头211的中心频率匹配的电压脉冲，以激发超声波发射探头211输出检测超声波；超声波发射接收器213还具有滤波电路，用于对信息超声波进行滤波和放大，再将经滤波电路滤波和放大后的信息超声波传送至能量积分器214。

进一步的，能量积分器214与计算机23连接，能量积分器214对信息超声波进行积分转换，并转化为超声波数字信号传送至计算机23，计算机23将超声波数字信号与标定曲线进行比对，确定锂电池1的荷电状态的测量值。

优选的，检测系统2可对多组锂电池1的荷电状态进行检测，并针对各个锂电池1分别形成状态信号；电池管理系统3可根据各状态信号对多组锂电池1分别进行充点或放电。

优选的，计算机23与电池管理系统3通过有线或无线连接。

如图2-图8所示，一种荷电状态的检测方法，用于检测锂电池1的荷电状态，包括以下步骤：

S1.检测装置初始化：制作标定曲线和曲线集合，标定曲线包括充电标定曲线和放电标定曲线；

S11.制作充电标定曲线：将锂电池1置于实验线，操作电池管理系统3将锂电池1由空电状态充至饱和状态，操作计算机23通过超声波检测装置21在同一温度下向锂电池1输出检测超声波，检测超声波经锂电池1形成信息超声波；计算机23将锂电池1的充电电流数据和信息超声波的信号能量数据进行归一化处理，并制成充电标定曲线；

S12.制作放电标定曲线：将锂电池1置于实验线，操作电池管理系统3将锂电池1由饱和状态放至空电状态，操作计算机23通过超声波检测装置21在同一温度下向锂电池1输出检测超声波，检测超声波经锂电池1形成信息超声波；计算机23将锂电池1的放电电流数据和信息超声波的信号能量数据进行归一化处理，并制成放电标定曲线；

S13.制作曲线集合：操作计算机23通过超声波检测装置21在不同的温度下重复S11和S12步骤，形成若干个具有温度标记的充电标定曲线和放电标定曲线；将若干个标定曲线制成曲线集合并嵌入进计算机23内；

S2.锂电池检测：

S21.检测准备：将计算机23与电池管理系统3连接，检测线上具有与电池管理系统3连接的锂电池1，电池管理系统3对锂电池1进行充电或放电工作；

S22.温度检测：计算机23通过温度检测装置22感测检测线上的锂电池1进行温度检测，温度检测装置22将锂电池1的温度转化为温度数字信号传送至计算机23；其中，

S23.超声波检测：计算机23通过超声波检测装置21向检测线上的锂电池1输出检测超声波，检测超声波穿过锂电池1形成信息超声波回传至超声波检测装置21，超声波检测装置21将信息超声波进行积分转换后转化为超声波数字信号传送至计算机23，超声波数字信号内包含信息超声波的能量数据；其中，检测超声波的范围为100K-10MHz；

S24.荷电状态分析：计算机23根据温度数字信号从集合曲线中选择与锂电池1的温度匹配的标定曲线，计算机23根据超声波数字信号获得信息超声波的能量数据，计算机23还将信息超声波的能量数据带入至标定曲线内，获得锂电池1的荷电状态。

进一步的，计算机23可根据电池管理系统3处于充电状态或放电状态，将信息超声波的能量数据带入至充电标定曲线或放电标定曲线内，以准确获得锂电池1的荷电状态。

具体的，计算机23将锂电池1从空电状态至饱和状态，或从饱和状态放至空电状态过程中各个时点的电流数据，以及各个时点所对应的信息超声波的信号能量数据进行归一化处理，并对归一化处理后的信息超声波的信号能量数据拟合形成充电标定曲线或放电标定曲线；

在S13中，计算机23通过超声波检测装置21在不同的温度下，重复S11和S12步骤制成曲线集合并嵌入进所述计算机23内。

进一步的，还包括以下步骤：S3.充放电控制：计算机23根据锂电池1的荷电状态判断锂电池1处于饱和状态、非饱和状态还是过充状态，并向电池管理系统3输出状态信号，电池管理系统3根据状态信号启动或停止对锂电池1充电或放电。

进一步的，在S3中，状态信号包括饱和信号、剩余电量的预测值和过充信号；

若锂电池1处于饱和状态，计算机23向电池管理系统3输出饱和信号，电池管理系统3根据饱和信号停止向锂电池1充电或放电；

若锂电池1处于非饱和状态，计算机23根据锂电池1的荷电状态向电池管理系统3输出剩余电量的预测值，所述电池管理系统3根据所述剩余电量的预测值向所述锂电池1充电，并确定充电电流或充电时间；

若锂电池1处于过充状态，计算机23向电池管理系统3输出过冲信号，电池管理系统3根据过充信号向锂电池1放电。

进一步的，计算机23还将若干个锂电池1的剩余电量的预测值输出至电池管理系统3，电池管理系统3根据各个锂电池1的剩余电量的预测值确定各个锂电池1的荷电状态，电池管理系统3再根据各个锂电池1的荷电状态确定对各个锂电池1的充电电流大小或充电时间长短，并预测由若干个锂电池1组成的电池组的总体剩余使用时间，以延长各锂电池1的使用寿命，并提高电池管理系统3的能量利用率。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。