超级电容器储能状态的原位电致变色定量监测系统及方法

本发明属于电化学储能装置储能状态监测，具体涉及到一种超级电容器的实时电压、电量、性能衰退和失效等状态的原位监测系统及方法，尤其是一种通过在电极中植入电致变色功能并结合颜色数字信号解析策略来原位定量判断超级电容器储能状态的无线监测系统及方法。

背景技术：

1、超级电容器是一种具有高功率密度且长循环寿命的新型电化学储能设备，广泛应用于电动汽车、医疗、军用武器及航空航天等领域。随着科技不断进步，智能可穿戴电子设备使人们的生活更加舒适与便捷，与之匹配的智能储能设备的开发引起了人们广泛关注。作为重要的电化学储能装置之一的超级电容器逐渐向小型化、轻量化的方向发展，并逐渐应用于柔性显示、电子皮肤以及植入式医疗等领域。在实际应用中，通常需要对超级电容器的工作状态进行实时监测，可获得用于反映电源储能状态、健康状况及安全诊断的其它数据，来保证其高效、安全地运行。超级电容器在工作时最常需要进行监测的指标包括超级电容器的端电压、实时荷电容量、设备健康状态以及是否完全失效，例如端电压的监测可以防止超级电容器过充从而避免由过充而导致的电解液分解或活性材料破坏，从而延长超级电容器的使用寿命并提升其安全性；而对超级电容器的健康状态监测可以便于系统维护，避免其突然失效导致的系统内数据损失或其它电路元件的损坏；另外，对于电化学储能应用的超级电容器来说，评估其储能状态的最重要的指标是荷电状态(soc)，它可以反映出超级电容器实时的剩余容量占比，直观判断超级电容器的续航效率。现有技术最直接的策略是通过对超级电容器的端电压的实时监测并解析信号来实现上述预知超级电容器内部状态的目的。

2、目前电化学储能设备能量状态的传统监测技术，主要是在电化学储能设备端加装电压或电流检测电路元件，经过芯片处理为数字信号后经由电路输送到监测(显示)端，最后经过对数字信号的分析来判断电源设备的剩余电量、健康状态及失效信息。虽然这种监测方式实现了原位实时监测，但须在电源端加装额外电路元件且使用线路与信号处理端进行通信，这增加了电子系统整体的体积与质量，不利于未来电子设备的小体积和轻量化发展。为了解决这一问题，已有技术针对可穿戴和航空领域内的电源实现动态监测问题，提出了一种光纤在线监测技术(cn108593735b)；然而，该监测系统所需精密元器件较多，比较复杂，仍具有潜在精简化的改进余地。另一方面，依托具有电致变色功能的超级电容器也在储能电源方面发展出智能超级电容器技术(cn104867682a)，在充放电工作过程中能够伴随电极材料颜色的实时变化，允许人们通过肉眼对超级电容器的能量状态进行粗略估计。虽然这种方法简单、高效，且不需要在超级电容器端增加任何额外的电路元件，但判断精度较低、无法定量化判断，且不能将信息传递至其它分析电子设备用于数据采集与分析。更重要的是，为保证设备的透光率，储能材料薄膜厚度被制备的很薄，严重限制了其负载量，从而导致器件能量密度很低，无法满足高储能性能电源需求。近期发展的一种兼具电致变色功能和高能量密度的超级电容器技术(申请号202111578579.6)在传统非透明的超级电容器结构形式下实现了电致变色功能化，在保证电致变色功能的同时允许单位面积负载更多的活性材料，显著增强了超级电容器的面积能量密度。但该技术目前仅实现了通过肉眼观察来粗略估计内部能量状态，在能量状态的精确和实时监测方法和系统上亟待改进。因此，在保证超级电容器高能量密度的前提下，迫切需要一种无线的、定量化的、精确的、且处理信号过程方便与其它电子设备进行通讯的监测技术，以实现超级电容器能量状态的原位实时监测与管理。

3、鉴于此，本发明设计了一种针对超级电容器能量状态的原位定量化监测系统及方法，通过电极结构设计赋予超级电容器电致变色功能，进而将颜色对比度数字化并进行定量分析，实现超级电容器的实时电压、荷电状态、健康状态及是否失效的实时监测，对各种形态与类型的超级电容器都具有较好的技术兼容性。

技术实现思路

1、为了克服上述超级电容器监测技术中的不足，本发明提供了一种利用电致变色外观颜色进行超级电容器内部能量状态的数字化定量分析监测系统与方法。

2、技术特征包括以下部分：1.通过功能改进设计使超级电容器具备电致变色功能；2.在标准光度环境下以数字图像的形式对超级电容器电致变色外观进行记录；3.通过分析图像中包含的数字信息对超级电容器的颜色外观进行定量化描述，并建立起外观颜色与内部能量状态的对应数学关系；4.根据上述数学关系在定量测量出超级电容器在某一时刻的外观颜色后反推出超级电容器此刻内部的能量状态。

3、技术原理包括以下部分：

4、超级电容器功能改进设计包括：1.在超级电容器电极中引入电致变色材料成分或结构；2.根据电致变色材料以及储能材料的电化学反应需求匹配使用相应含盐电解质。

5、除超级电容器以外的监测系统包括：1.标准光源；2.能够生成全彩电子数码照片的图像采集装置；3.能够提取并处理电子数码照片中数字信息的计算设备(计算机)。

6、超级电容器内部能量状态的数字化定量分析包括以下流程：1.超级电容器在充放电过程中通过内部电压变化引发电致变色效应来改变自身的外观颜色；2.以数码照片的形式记录一段时间内超级电容器的外观颜色，并存储数码照片中的颜色信息；3.提取颜色信息的数字坐标；4.通过颜色数字坐标计算出颜色变化的对比度(δe)；5.根据颜色对比度的数值定量分析出超级电容器的内部电压、荷电状态和健康情况。

7、进一步的，所述超级电容器功能改进设计中，超级电容器作为一个监测对象本体，通过多功能电极设计赋予超级电容器以电致变色功能，其既可以是通过过滤透射光实现电致变色的透明状超级电容器，也可以是通过过滤反射光实现电致变色的非透明超级电容器。

8、进一步的，所述监测系统中，1部分的标准光源是为了产生人工可控的光照环境，使得超级电容器通过电致变色过程反馈出的颜色标准化，建立相同的光度环境，一方面有利于不同系统之间所获数据的比较，另一方面有利于超级电容器通过电致变色显示出的颜色不随环境的改变而改变；标准光源使用印染行业常用的d50、d65或d75等均可；

9、进一步的，所述监测系统中，2部分的图像采集装置可以是商业化的照相机或录像机甚至可识别颜色外观变化的光学传感器等，其目的是以数码照片的形式记录某一时刻超级电容器通过电致变色过程产生的外观颜色信息；

10、进一步的，所述监测系统中，3部分的处理数字信息的计算设备典型的为现有商业化计算机，或是具有相同图像数字化信息处理功能的微型计算机或逻辑电路元件等；

11、进一步的，所述定量化分析方法流程中，3步骤中的颜色信息的数字坐标具体是指现有国际照明委员会公布的通用cie-lab 1976颜色坐标，其能够以数学坐标的形式一对一地表示每一种特定颜色，数字坐标值的改变即代表颜色的改变；

12、进一步的，所述定量化分析方法流程中，4步骤中的颜色变化对比度(δe)的具体计算方法是：

13、

14、其中δl是表示颜色亮度的坐标值变化量，δa和δb是表示颜色色度坐标值的变化量；

15、进一步的，所述定量化分析方法流程中，5步骤中的分析超级电容器的内部电压或能量状态，其本质上是借助δe这一数学变量来定量的获知超级电容器通过电致变色过程产生的外观颜色的差异度，δe的数值越大代表超级电容器的颜色差异度越大，对应着储能状态改变幅度越大。相反，δe的数值越小表示超级电容器在该时刻处于能量变化幅度较小的状态。

16、其技术步骤为：如图1所示，1.将具有电致变色功能的超级电容器(a1)放置在暗室空间；2.使标准光源(a2和a3)的光线照射在超级电容器上，且在该空间内仅以标准光源为唯一照明设备；3.通过照相机(a4)记录超级电容器能量耗尽状态时的颜色，并记录颜色坐标；4.使用电压控制器对超级电容器进行充电/放电，在其中某一时刻记录超级电容器外观颜色的颜色坐标；5.通过计算设备(a5)计算出该时刻超级电容器的颜色与初始状态直接的颜色对比度(δe)，根据颜色对比度数值判断超级电容器的健康和能量状态。

17、与现有技术相比，本发明展现出的有益效果为：

18、1.本系统及方法通过分析图像的颜色信息实现超级电容内部储能状态的解析，相比于传统的视觉比色法具有更高的精度；

19、2.本发明的超级电容器的状态监测系统不需要在超级电容器端增加额外的电子电路模块与信号处理模块即可实现能量状态变化的监测，利于实现储能系统的小型化和轻量化；

20、3.本系统及方法仅通过超级电容器展现的光学信息的直接记录与分析即可获知超级电容器的荷电状态以及健康状态，能够实现定量化的、原位的且实时的监测，系统结构简单且监测方法简便；

21、4.本系统及方法适用于各种类型的超级电容器的状态监测，对各类具有不同几何形状、不同外形尺寸以及基于不同种类电极材料的超级电容器均可实现电致变色功能化与定量化状态监测，具有广泛的适用性。