一种基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法及系统

本发明属于锂电池管理系统，尤其涉及一种基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法及系统。

背景技术：

1、目前，锂离子电池作为20世纪最伟大的发明之一，因具有比能量高、循环寿命长、无记忆性以及自放电率低等优势被广泛应用于人类社会的衣食住行等各方面。3c电子产品(计算机类、通信类和消费类电子)领域锂离子电池几乎占据了全面市场。在电动汽车领域，万向集团为上海世博会提供了电动汽车和混合动力汽车用锂离子电池；上海汽车除了与比亚迪、上海空间电源研究所持续进行深度合作外，同时还与全球锂二次电池领域居于技术领先地位的美国a123组建了合资公司，生产和销售车用动力电池系统。

2、随着新能源汽车的快速发展，锂电池作为主要的能源存储设备，已经成为了电动汽车的核心组件。然而，锂电池的性能和健康状态对电动汽车的性能、寿命以及安全性都有着重要影响。因此，对锂电池的健康状态进行有效监测和诊断显得至关重要。人们需要更加注重锂电池的消耗和污染问题。以现在的科技条件来看，锂电池的应用技术还不够成熟，依然存在着很多需要解决的问题，如鼓包、爆炸、着火等安全问题。因此，锂电池的应用和维护技术成为研究热点，进而对锂电池的可靠性、安全性和使用寿命的改善，也成为了锂电池的成大课题。锂电池健康状态监测的重要性：锂电池是一种高效、轻量、高能量密度的能源存储装置，广泛应用于电动汽车、便携式电子设备以及能源储存系统中。然而，锂电池的性能会随着使用时间的增加而逐渐下降，甚至会出现安全隐患，如过热、短路等原因发生变形。因此，锂电池的健康状态监测对于确保电池的安全性、性能和寿命至关重要。

3、电容结构的锂电池健康状态监测方法：原理：电容结构是指锂电池的正极、负极和电解液之间的物理间隔，它可以看作是一个电容器。当锂电池工作时，电容结构中的介质会受到温度和应力的影响，从而改变其电容大小。通过监测电容结构的电容变化，可以间接地评估锂电池的健康状态。监测方法：通过在锂电池的外壳中嵌入传感器，可以实时监测电容结构的电容变化引起所设计的电路输出的频率的变化。传感器的设计是基于电路设计的一种电路结构。用于测量电容结构中介质的电容变化，间接导致输出频率的变化。通过监测输出频率的变化，可以诊断锂电池的健康状态，包括温度升高、应力积累以及电解液浸润等情况。数据分析：通过采集的电容变化引起频率变化的数据，可以使用数据分析和机器学习技术来建立锂电池健康状态的模型。这些模型可以用于实时监测电池的健康状态，并提前发现潜在的问题，从而采取适当的措施来维护或更换电池，以确保电池的可靠性和安全性。

4、锂电池在新能源汽车中的应用：新能源汽车(nev)是一种以电力为主要能源的交通工具，如电动汽车和混合动力汽车。锂电池作为nev的主要能源存储装置，具有高能量密度、环保和长寿命等优势，因此被广泛应用于nev中。随着nev市场的增长，对锂电池的健康状态监测变得尤为关键，以确保nev的性能和安全性。充电技术：新能源汽车的充电技术是新能源汽车领域的一个关键技术。快速充电、无线充电和电池交换等新技术的不断发展，使新能源汽车的充电更加便捷和高效，提高了用户的使用体验。能源管理系统：新能源汽车通常配备了先进的能源管理系统，用于监控和管理电池的状态，以优化能源利用和延长电池寿命。这些系统可以集成锂电池健康状态监测技术，实现实时的电池管理和维护。锂电池健康状态监测技术在新能源汽车领域具有重要的应用前景。通过监测电容结构的电容变化，可以实现对锂电池健康状态的实时监测，从而提前发现潜在问题，确保新能源汽车的性能和安全性。这一技术将有助于推动新能源汽车的发展，为清洁能源交通做出更大贡献。

5、在当前新能源汽车领域，锂电池安全检测技术处于关键发展阶段。通过非破坏性检测技术，如超声波和热成像，以及电池管理系统(bms)的实时监测，我们能够有效提高电池的安全性能。同时，针对电池容量衰减、温度控制不足、外部短路和物理损伤等问题，采用先进的材料设计和制造工艺进行优化。然而，在制造过程中的缺陷和全球缺乏统一标准等方面仍然是需要克服的挑战。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法及系统。

2、本发明是这样实现的，一种基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法，包括以下步骤：

3、第一步：电池结构模型抽象

4、(1)抽象电池结构为电容：将锂电池结构抽象为一个电容，考虑电池形变引起电容变化。

5、(2)电路中加入可变电容：将可变电容放入特定电路中，与电路输出结合观察指定指标的变化，选择输出频率作为指标。

6、第二步：555定时器电路设计

7、电路设计：基于555定时器设计电路。

8、multisim搭建电路：使用multisim等仿真工具搭建电路，保证电路的正常运行。

9、所用器件：5v直流电压源vcc、200ω电阻r1、270ω电阻r2、555定时器芯片、10pf电容c1、最大接入值为1000pf的可调电容c2、两个稳压二极管、一个频率计、一台示波器。

10、第三步，改变可变电容的容值，观察频率的变化，通过示波器观察波形，通过频率计直接读出精准的频率。

11、进一步，所述第三步中，初次电容值设置为1000pf，观测电容500pf、100pf、50pf、20pf、15pf、14pf、13pf、12pf的变化过程中频率计测出的频率的变化；之后进行电容容值的微调，观察电容值为950pf、996pf、997pf、998pf、999.5pf和999.6pf时，观察频率计的示数是否有明显的变化，如果有进一步的变化，再调整步进值，逼近出电路的能测电容变化的实际极限值。

12、进一步，所述基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法的电池的健康状况监测装置，监测电池的健康状况，时对电池安全监测电路的输出频率值进行记录与反馈，电路的输出频率传输给fpga或者数据收集器，然后实时传输给边缘计算平台，再把数据反馈到应急反馈装置；

13、由公式设置应急反馈装置，当边缘计算平台传达的频率值低于某一阈值的时候，汽车内部装置需要进行相应的应急措施。

14、进一步，所述基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法的设计好电路之后，不同品牌的新能源汽车有不同型号的供电锂电池组，不同锂电池结构可以画出不同的电池寿命报警表刻度：让电池一直以正常工作状态工作，经过一定的时间后电池因为膨胀改变装置的电容结构，导致电容的变化；达到某一个时刻电池基本损坏不能正常工作，记录下频率值，值作为报警表的表低值；把过程中记录的所有频率值进行保留，选择合刻度进行规划报警表盘；

15、若把第一表段记作健康状态，把第二表段记作亚健康状态，把第三表段记作危险状态；

16、测出的频率值与表盘指针转角结合使用模拟电表或数字电表的原理；

17、(1)数据采集：使用传感器或测量装置获取电池的频率值，将根据电池寿命的状态而变化；

18、(2)数据处理：将采集的频率值与事先确定的报警表刻度进行比较，划分了三个状态：健康、亚健康和危险状态，分别对应绿色、黄色和红色的表底色；根据频率值所处的范围，将电池的状态分为三个级别；

19、(3)表盘指针设置：设计一个表盘，其中包括一个指针，该指针表示电池的寿命状态，为每个状态分配一个特定的角度范围，以便将其与表盘上的刻度相对应；

20、(4)指针位置更新：根据电池的当前状态，根据频率值所在的范围，将表盘指针的角度设置为相应的值，通过电机或伺服马达实现，使指针能够根据电池状态的变化而移动；

21、(5)可视反馈：确保表盘上的颜色与电池状态相匹配，当电池处于健康状态时，表盘底色是绿色，指针处于绿色区域内；

22、(6)报警功能：如果电池状态变为危险状态，集成报警功能，触发警报声音或闪烁的警告灯；

23、(7)校准和测试：进行校准和测试，确保电池状态监测和指针位置更新的准确性。

24、进一步，用led灯来表示电池的不同状态健康、亚健康、危险；

25、(1)led灯的颜色：为健康状态分配绿色led灯，为亚健康状态分配黄色led灯，为危险状态分配红色led灯；

26、(2)数据采集和处理：采集电池的频率值，并将其与事先确定的报警表刻度进行比较，以确定电池的状态；

27、(3)led控制：根据电池的状态，控制相应颜色的led灯亮起，当电池状态为健康时，点亮绿色led灯，亚健康时，点亮黄色led灯，危险时，点亮红色led灯；

28、(4)多个led灯组合：使用多个led灯来表示状态的不同级别，对于危险状态，使用多个红色led灯以不同的方式组合来表示电池的不同程度的危险；逐渐增加红色led的亮度来表示危险程度的增加；

29、(5)报警功能：对于危险状态，集成报警功能，闪烁红色led灯或触发声音警报；

30、(6)电源供应：确保为led灯提供适当的电源供应；

31、(7)安装和可视性：安装led灯在仪表板或控制面板上。

32、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法。

33、本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行所述基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法。

34、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法。

35、本发明的另一目的在于提供一种实施所述基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法的基于555振荡电路的锂电池形变安全检测系统，所述基于555振荡电路的锂电池形变安全检测系统包括：

36、指标变化检测模块，用于抽象出电池结构模型，锂电池结构可以看成一个电容，电池模型抽象成一个可变电容，并放到特定的电路中，结合电路输出，观察由于电容的变化引起的指定指标的变化，指标的选择，选择指标为输出频率；

37、电路搭建模块，用于基于555定时器设计电路并在multisim中搭建电路；

38、频率计算模块，用于改变可变电容的容值，观察频率的变化，通过示波器观察波形，通过频率计直接读出精准的频率。

39、结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

40、第一、针对上述现有技术存在的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：与现有技术相比，本发明具有以下优势：

41、(1)无需破坏性测试：与一些现有的电池健康检测方法(如内部检查或取样)相比，这个方法是无损的。它不需要打开电池外壳或干扰电池的正常运行，因此不会对电池造成额外的损害或风险。

42、(2)即时监测：该方法能够提供即时的电池健康状态信息。通过不断监测电容大小的变化，可以在电池发生问题之前及时发现健康状况的变化，有助于预防潜在的安全问题。

43、(3)高度灵敏性：电容结构的电容大小变化是电池健康问题的早期指标，因此这种方法比传统的电池健康检测方法更敏感。它可以捕捉到微小的形变和电容变化，有助于提前发现潜在问题。

44、(4)非侵入性：这种技术无需将传感器或其他设备嵌入电池内部，因此不会对电池的正常运行产生干扰。这有助于降低电池制造成本，同时不会影响电池的性能。

45、(5)自动化监测：该方法可以与自动化系统集成，实现对大规模电池组的监测。这对于电动汽车、储能系统等领域非常重要，可以实现实时监测和管理。

46、(6)功能提升：本发明不只是能够对电池的健康状况进行直观的监测，达到未雨绸缪的效果，并且对于一些比较紧急的危险也可以及时地通过反馈系统采取措施消除危险。

47、本发明在于电容变大的过程中，因为电池形变膨胀后电容是变大的，所以假设电容变化范围在0到1000pf，关注的重点在大电容变化范围，比如950到1000pf，因为这个范围的电容的变化是最接近危险发生的，恰好这个电路是在大电容范围测量最精确。通过以上实验仿真，电路在大电容范围内，测量精度达到了0.1pf。通过监测电路的输出频率的记录，用数据采集中心实时采集频率数据，再传递给把边缘计算平台，平台把数据反馈给应急反馈系统。当应急反馈系统收到的频率值低于某一个阈值时，代表电池立马会发生危险，应急系统将采取措施消除风险。

48、第二，本发明提出对锂电池形变导致电池结构电容的变化，进而通过特定的电路结构监测由于电容的变化引起电路结构输出频率的变化。本发明的电池健康检测方法具有非侵入性、高度灵敏、即时监测和自动化等优势，有望提高电池的安全性和可靠性，减少潜在的风险和成本，并且对发生的危险有比较好的处理机制。

49、本发明提出了一种对锂电池形变引起电池结构电容变化的监测方法，通过特定的电路结构实现对电容变化引起的电路结构输出频率的监测。以下是该技术方案的主要技术效果和优点：

50、1、非侵入性：本发明通过频率测量的方式进行电池健康检测，无需对电池进行实质性的改动或干预，从而保持对电池的非侵入性监测，不影响电池正常运行。

51、2、高度灵敏：基于555振荡电路的设计提高了电容变化的测量精度和灵敏度。能够精确检测电容的微小变化，使得对电池状态的监测更为精准和可靠。

52、3、即时监测：通过实时监测电路结构输出频率的变化，本发明能够及时感知电池的状态变化，提供即时的电池健康状况反馈。这有助于在潜在问题发生前采取预防措施，提高电池的安全性和可靠性。

53、4、自动化：本发明的电池健康检测方法采用电路结构和频率测量相结合的自动化监测方案，无需人工干预即可完成电池状态的监测。这有助于提高检测效率，减少人为误差。

54、5、降低潜在风险和成本：通过提前监测电池的异常状态，本发明有望降低潜在的电池事故风险，减少维修和更换成本。在实际应用中，这意味着更长的电池使用寿命和更低的维护成本。

55、6、危险处理机制：本发明的监测系统对于电池状态的变化具有较好的处理机制。通过实时传输数据至边缘计算平台，触发应急反馈系统，及时采取措施，减轻或消除电池发生危险的性。

56、总体而言，本发明的技术方案不仅在电池形变安全检测领域取得了突破，而且具备了一系列实用性、效果显著的技术优势，为电池管理和安全性提供了新的解决途径。

57、第三，本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：提高电池形变安全检测的准确性，降低电池事故发生的风险，从而减少事故带来的损失，提高新能源汽车的安全性。通过实时监测电池状态，延长电池寿命，减少更换电池的频率，降低维护成本，为用户提供更经济、可靠的电池管理方案。该技术方案可应用于各种类型的锂电池，拓展了市场适用范围，适用于电动汽车、电动自行车、无人机等多个领域。

58、本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：目前锂电池安全检测方法多基于电流、电压等参数，而该发明基于555振荡电路的频率测量方法，填补了在电容变化方面的技术空白。国际上虽然有一些锂电池健康监测的方法，但在精准度和实时性上仍有不足，而本发明通过精确的频率测量提高了电池健康监测的准确性和实时性。

59、本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：电池形变安全检测一直是电动汽车等领域关注的难题，而通过基于555振荡电路的频率测量方法，成功解决了对电池形变进行实时、准确监测的技术难题。本发明通过在电容变化方面的研究，解决了传统方法无法完全覆盖的电池健康状况监测问题，为电池管理领域提供了全新的解决思路。

60、本发明的技术方案克服了技术偏见：传统的电池安全检测方法主要关注电流和电压等参数，而忽略了电容变化的重要性。本发明通过引入基于555振荡电路的频率测量方法，克服了传统技术对电容变化的偏见，提供了更全面、准确的电池健康状况监测手段。通过采用555振荡电路，避免了对传统测量方法的依赖，提高了电容变化的检测灵敏度，克服了过去技术对频率测量的限制，使得电池形变安全检测更为可靠。

61、第四，本发明提供的基于555振荡电路的锂电池形变安全检测方法获取了以下显著的技术进步：

62、1)精确度提升：本发明通过监测555振荡器电路中的可变电容变化来判断电池的形变。这种方法能够更为直接和准确地反映电池形变的情况，增强了电池状态检测的精度。

63、2)简化了系统设计：555振荡器电路是一种广为使用的基本电子组件，其结构简单，易于设计和实现。该方案使用555定时器作为核心元件，大大简化了电池健康状态检测系统的设计和实施过程。

64、3)成本效益：与使用电解电容或其他高端测量设备相比，555振荡器电路和相关组件相对较为便宜，降低了系统的整体成本。

65、4)提高了检测的灵敏度：通过微调电容值，您的方案可以检测到非常微小的电容变化，从而及时发现电池的形变，提高了检测的灵敏度。

66、5)适用性广泛：这种方法不仅可以应用于锂电池，还可以扩展应用到其他类型的电池或电容存储设备，具有广泛的适用性。