一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统

1.本发明属于电池技术领域，具体涉及一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统。


背景技术：

2.现如今，随着电池技术的不断发展，电池这一重要的储能载体已经应用到人类生活的方方面面，如遥控器、手机、电脑、汽车等各领域。电池在长期工作后会发生机械膨胀、容量衰减等老化现象，严重限制电池产品的使用寿命。因此，如何提高电池在生命周期内的容量保持率从而进一步延长电池工作寿命就成了电池技术领域至关重要的一项研究。
3.目前用于提高锂电容量保持表现的方法主要有两类：
4.(1)选择搭配性能更优的材料体系，例如，使用能改善电池容量保留率的电解铜箔。
5.(2)改善电解质的配比，通过提升电解质的平均价态，大幅提升电池容量的保持率。
6.方法(1)是通过在彼此间隔的正极板和负极旋转鼓之间供电而形成铜层，以及在所述铜层上形成保护层和由包括预定量的硅的混合物形成的活性材料层；由此得到的电解铜箔具有优异的被覆性，可抑制电池充放电效率的恶化，以保证电池足够的容量保持率和一定程度以上的使用寿命(cn107768675a)。
7.对于电极、箔片、隔膜材料已确定的预组装电池，改善电解质的配比不失为一种合适的选择。方法(2)中，针对全钒液流电池在长循环过程中容量快速衰减的问题，通过提升电解液的平均价态，使得正极液在首次充电过程中产生过量的vo
2+
，避免了因v
2+
扩散到正极对vo
2+
进行消耗导致的正极可利用的vo
2+
的不足，同时降低了负极液中不可利用的v
2+
的累积，大幅提升了全钒液流电池容量的保持率(cn115472883a)。
8.上述两种(cn107768675a、cn115472883a)均是在电池组成方面通过对材料体系优化的措施来提高电池容量保持率，但这类方法均会导致生产成本的明显增大，不能有效应用于当前电池生产，也难以为市场上已有电池产品的容量保持改善提供帮助。
9.以电动汽车为例，目前的电动汽车主要采用将若干锂离子电池单体串并联组成高压高容量的电池组系统来对车轮电动机提供动力，其整车性能高度依赖于电池组系统。锂离子软包电池由于其能量密度高和成本效益好等优势成为电动汽车厂商的首选，但是，由于其机械稳定性低，软包电池的特性容易受到外部条件的影响，特别是软包电池所受的机械载荷是影响电池组性能、容量保持和结构安全的关键因素。因此，考虑电池组内部机械载荷对电池容量衰减的影响，通过优化电池包内部的预加载荷水平，调节电池单体所受载荷处于最佳区间，从而可以实现电池组长期工作循环的容量保持。


技术实现要素：

10.考虑到电池组内部机械载荷对电池包相关性能的影响，为利用优化后的电池组预
加载荷水平对容量保持的积极作用，本发明提供一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，实现对电池组使用寿命的延长，为考虑电池机械特性的电池管理系统的开发提供参考。
11.本发明至少通过如下技术方案之一实现。
12.一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，包括：位于电池模组两侧的力传感器与载荷调节装置，实时监测获取电池单体受到的压力信号；
13.电流传感器，实时监测获取电池组工作电流信号；
14.计算单元，所述计算单元接收来自力传感器的压力信号，将压力数据转换为压强数据；接受来自电流传感器的电流信号，由电流积分法估算电池实际容量，并计算容量保持率；
15.控制器，所述控制器根据容量保持率，不断优化系统预设的最佳载荷区间范围，直至最佳载荷区间的长度满足精度要求，当力传感器检测后经计算单元处理的实时载不在最佳载荷区间内时，控制器向载荷调节装置输出控制信号，载荷调节装置根据指令相应地调节电池组内部预加载荷大小。
16.进一步地，计算单元处理压力数据转换为压强数据，包括如下：
17.根据电池组的出厂信息获取其软包电池单体的尺寸规格，得到电池单体受压表面的面积为：
18.a
cell
＝l
x
·
ly19.其中：l
x
为电池单体的长度，ly为电池单体的宽度；
20.计算单元根据压强公式，代入实时压力数据，计算得到实时压强数据：
[0021][0022]
其中：f
cell
为电池单体所受实时压力，a
cell
为电池单体受压表面的面积。
[0023]
进一步地，控制器判断实时压强小于最佳载荷区间下限时，向载荷调节装置发送减小预加载荷的控制指令；控制器判断实时压强大于最佳载荷区间上限时，向载荷调节装置发送增大预加载荷的控制指令。
[0024]
进一步地，载荷调节装置接收减小预加载荷的指令后，线性电机运行，控制弹簧回弹，减小对电池单体的预加载荷；载荷调节装置接收增大预加载荷的指令后，线性电机运行，控制弹簧压缩，增大对电池单体的预加载荷。
[0025]
进一步地，载荷调节装置包括线性电机、弹簧、电池垫板；所述线性电机用于变换直线位移来压缩弹簧；所述弹簧在线性电机的压缩下产生不同大小的压力；所述电池垫板与电池单体直接接触，用于传递弹簧压力。
[0026]
进一步地，计算单元处理工作电流数据，根据电流积分方法计算出电池组的实际容量，以及得出容量保持率，具体包括：
[0027]
记录电池组从满电状态工作放电到无电状态的电流数据，由积分方法得到电池组实际容量为：
[0028][0029]
其中：t0表示完全放电过程的初始时间，t1表示完全放电过程的结束时间，i为检测
记录的工作电流；
[0030]
进一步地，根据电池组的出厂信息获取其额定容量大小，计算单元处理得到电池组当前工作循环的容量保持率为：
[0031][0032]
其中：c
bat
为计算单元处理得到的电池组实际容量，c
rated
为电池组的额定容量。
[0033]
进一步地，力传感器以不低于1hz额采样频率测量电池组内部单体在工作过程中的机械载荷变化。
[0034]
进一步地，预设的初始最佳载荷区间为监控电池组中单体在出厂预加外载荷容量衰减循环测试的结果区间。
[0035]
进一步地，控制器将新接收到的容量保持率数据r
cap
与已有的容量保持率数据进行比较，根据容量保持率的变化情况，对最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]进行优化调整，优化后的最佳载荷区间长度(p
op-max-p
op-min
)应小于参考精度δ
[0036]
与现有的技术相比，本发明的有益效果为：
[0037]
本发明所提供的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，考虑了电池组内部适度的预加载荷对容量保持的积极作用，通过实时的监测和控制，在外部对电池施加影响，可有效提高电池组的容量保持效果，大大延长电池系统的使用寿命；最佳载荷区间的迭代优化，可进一步提高系统实现电池组容量保持的有效性和稳定性。
附图说明
[0038]
图1为本发明实施例中基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统的结构框图；
[0039]
图2为本发明实施例中基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统的工作流程图；
[0040]
图3为本发明实施例中一次锂电单体不同预加载荷作用测试中，容量保持率随工作循环次数增加的变化统计图；
[0041]
图4为本发明实施例中载荷调节装置的结构示意图；
[0042]
其中：1—力传感器；2—电池单体；3—垫板；4—弹簧；5—线性电机；6—电池模组。
具体实施方式
[0043]
为了使本发明的目的、技术特征及优点更加明显易懂，以下结合附图及实施实例，对本发明进行进一步详细的说明。
[0044]
需要说明的是，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。
[0045]
如图1所示，本实施例的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，包括载荷调节装置、力传感器、电流传感器、计算单元和控制器；
[0046]
其中，力传感器和载荷调节装置均固定于电池组结构中，力传感器和电流传感器均连接计算单元并向其传输实时监测后待处理的压力数据和工作电流数据；计算单元将计
算处理好的数据传输给所连接的控制器；控制器根据计算单元传输的实时数据进行逻辑判断，并相应地对载荷调节装置发送控制指令；载荷调节装置连接控制器并根据控制器发送的指令执行相应的运动。
[0047]
所述载荷调节装置固定于电池组结构中电池模组的末端，用于接收控制器发送的控制指令并执行相应的机械运动来调节电池组内部单体所受载荷大小。
[0048]
所述力传感器固定于电池组结构中电池模组相对于载荷调节装置的另一末端，实时监测获取电池单体受到的压力信号f
cell
。
[0049]
所述电流传感器置于电池组对外的充放电线路上，实时监测获取电池组工作电流信号i。
[0050]
所述计算单元连接力传感器和电流传感器，分别接收来自两类传感器的实时监测信号，并通过计算将压力数据f
cell
处理为压强数据p
cell
，通过数值计算的电流积分法基于电流数据i估算电池实际容量c
bat
，并进一步计算获得容量保持率r
cap
。
[0051]
所述控制器接收到压强数据p
cell
后判断其与最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]的大小关系，视比较结果向载荷调节装置发送不同的控制指令，控制驱使载荷调节装置执行对应的载荷调节行为来调节电池组内部预加载荷大小，之后，控制器再次评估经力传感器获取并由计算单元处理的新实时载荷数据；所述控制器还将新接收到的容量保持率数据r
cap
与已有的容量保持率数据进行比较，根据容量保持率的变化情况，对最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]进行优化调整，并保证优化后的最佳载荷区间长度(p
op-max-p
op-min
)满足参考精度δ。
[0052]
作为一种优选的实施例，如图2所示，力传感器实时监测获取电池组内部电池单体受到的机械压力数据f
cell
；力传感器以一定的采样频率(不低于1hz)测量电池组内部单体在工作过程中的机械载荷变化。
[0053]
所得压力数据f
cell
经计算单元处理转换为压强数据p
cell
；
[0054]
计算单元处理压力数据转换为压强数据，包括如下：
[0055]
根据电池组的出厂信息获取其软包电池单体的尺寸规格，得到电池单体受压表面的面积为：
[0056]acell
＝l
x
·
ly[0057]
其中：l
x
为电池单体的长度，ly为电池单体的宽度；
[0058]
计算单元根据压强公式，代入实时压力数据，计算得到实时压强数据：
[0059][0060]
其中：f
cell
为电池单体所受实时压力，a
cell
为电池单体受压表面的面积。
[0061]
控制器接收到压强数据p
cell
后判断其与最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]的关系，如果实时压强p
cell
不处于最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]内，则向载荷调节装置发送相应的控制指令，载荷调节装置接收指令后执行对应的载荷调节行为，控制器再次评估经力传感器获取并由计算单元处理的新实时载荷数据；如果实时压强p
cell
处于最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]内，则保持系统稳定；
[0062]
进一步地，监控系统预设的初始最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]是根据所监控电池组中单体在出厂预加外载荷容量衰减循环测试的结果而定，其有益于电池单体在生命周期内保持良好的容量保持表现，需要注意的是，不同型号的电池单体对应不同范围的最佳载
荷区间，本发明只考虑电池组内部所有单体型号一致的条件，图3所示为本发明实施例中一次锂电单体不同预加载荷作用测试中，容量保持率随工作循环次数增加的变化统计图。其中，测试对象为额定容量35ah的高密度ncm锂离子软包电池单体，分别在0kpa、20kpa、40kpa的预加外部载荷作用下和环境温度均保持40℃的条件下，进行正常的工作循环测试(重复性cc-cv充电和cc放电)。测试结果表明，零初始载荷的约束自由状态电池的容量衰减比具有初始外部载荷的电池更严重，这是因为当没有载荷约束时，电池会由于层膜的分离而发生容量衰减。因此，适宜的外部载荷可以通过防止层膜的分离对电池容量保持产生积极影响，有益于延长电池使用寿命。需要注意的是，不同型号的电池单体对应不同范围的最佳载荷区间，本发明只考虑电池组内部所有单体型号一致的条件。
[0063]
进一步地，控制器判断实时压强p
cel
小于最佳载荷区间下限p
op-min
时，向载荷调节装置发送减小预加载荷的控制指令；控制器判断实时压强大于最佳载荷区间上限p
op-max
时，向载荷调节装置发送增大预加载荷的控制指令。
[0064]
电流传感器实时监测获取电池组在工作过程中的电流数据i；
[0065]
进一步地，电流传感器以连续采样的方式(采样频率不低于5hz)收集电池组在工作过程中的电流数据。
[0066]
所得电流数据i经计算单元处理，根据对时间的积分计算得电池组实际容量c
bat
，进一步计算获得容量保持率r
cap
；
[0067]
进一步地，计算单元处理工作电流数据，根据电流积分方法计算出电池组的实际容量，以及得出容量保持率，具体包括：
[0068]
记录电池组从满电状态(soc＝1)工作放电到无电状态(soc＝0)的电流数据，由积分方法得到电池组实际容量为：
[0069][0070]
其中：t0表示完全放电过程的初始时间，t1表示完全放电过程的结束时间，i为检测记录的工作电流；
[0071]
根据电池组的出厂信息获取其额定容量大小，计算单元处理得到电池组当前工作循环的容量保持率为：
[0072][0073]
其中：c
bat
为计算单元处理得到的电池组实际容量，c
rated
为电池组的额定容量。
[0074]
控制器将新接收到的容量保持率数据r
cap
与已有的容量保持率数据进行比较，根据容量保持率的变化情况，对最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]进行优化调整，优化后的最佳载荷区间长度(p
op-max-p
op-min
)应小于参考精度δ；
[0075]
进一步地，对最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]所进行的优化调整是一种迭代收敛的过程，其目的在于找寻并维持电池组正常工作时其内部载荷最益于提高生命周期容量保持率的预加载荷值范围；将优化后最佳载荷区间的长度约束在系统设定的参考精度之内，减小监控系统调整电池组内部载荷的波动，保证了系统的持续稳定性。
[0076]
控制器持续更新优化后的最佳载荷区间，监控系统通过实时监测和控制调整的方式保证电池组内部预加载荷水平始终处于有益于电池容量保持的最佳载荷区间范围内。
[0077]
作为另一种优选的实施例，如图4所示，所述载荷调节装置固定于电池组结构中电池模组6的末端，用于接收控制器发送的控制指令并执行相应的机械运动来调节电池组内部单体所受载荷大小，包括线性电机5、弹簧4、电池垫板3；
[0078]
前实施例所述的力传感器1固定于电池组结构中电池模组6相对于载荷调节装置的另一末端，由于力的平衡作用，可实时监测获取电池单体受到的压力信号f
cell
；
[0079]
电池模组6主要由若干串并联连接的电池单体2和用以隔离单体的垫板3组成；
[0080]
线性电机5用于变换直线位移来压缩弹簧4；所述弹簧4在线性电机5的压缩下产生不同大小的压力；所述电池垫板3与电池单体2直接接触，用于传递弹簧压力；
[0081]
载荷调节装置采用弹簧4柔性部件来产生所需预加载荷，具有一定的安全性，可避免电池受到刚性结构固定而出现安全隐患；
[0082]
载荷调节装置接收减小预加载荷的指令后，线性电机5运行，控制弹簧4回弹，减小对电池单体的预加载荷；载荷调节装置接收增大预加载荷的指令后，线性电机5运行，控制弹簧4压缩，增大对电池单体的预加载荷。
[0083]
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了一定程度的详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，也可以对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，包括：位于电池模组两侧的力传感器与载荷调节装置，实时监测获取电池单体受到的压力信号；电流传感器，实时监测获取电池组工作电流信号；计算单元，所述计算单元接收来自力传感器的压力信号，将压力数据转换为压强数据；接受来自电流传感器的电流信号，由电流积分法估算电池实际容量，并计算容量保持率；控制器，所述控制器根据容量保持率，不断优化系统预设的最佳载荷区间范围，直至最佳载荷区间的长度满足精度要求，当力传感器检测后经计算单元处理的实时载不在最佳载荷区间内时，控制器向载荷调节装置输出控制信号，载荷调节装置根据指令相应地调节电池组内部预加载荷大小。2.根据权利要求1所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，计算单元处理压力数据转换为压强数据，包括如下：根据电池组的出厂信息获取其软包电池单体的尺寸规格，得到电池单体受压表面的面积为：a
cell
＝l
x
·
l
y
其中：l
x
为电池单体的长度，l
y
为电池单体的宽度；计算单元根据压强公式，代入实时压力数据，计算得到实时压强数据：其中：f
cell
为电池单体所受实时压力，a
cell
为电池单体受压表面的面积。3.根据权利要求1所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，控制器判断实时压强小于最佳载荷区间下限时，向载荷调节装置发送减小预加载荷的控制指令；控制器判断实时压强大于最佳载荷区间上限时，向载荷调节装置发送增大预加载荷的控制指令。4.根据权利要求1所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，载荷调节装置接收减小预加载荷的指令后，线性电机运行，控制弹簧回弹，减小对电池单体的预加载荷；载荷调节装置接收增大预加载荷的指令后，线性电机运行，控制弹簧压缩，增大对电池单体的预加载荷。5.根据权利要求1所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，载荷调节装置包括线性电机、弹簧、电池垫板；所述线性电机用于变换直线位移来压缩弹簧；所述弹簧在线性电机的压缩下产生不同大小的压力；所述电池垫板与电池单体直接接触，用于传递弹簧压力。6.根据权利要求1所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，计算单元处理工作电流数据，根据电流积分方法计算出电池组的实际容量，以及得出容量保持率，具体包括：记录电池组从满电状态工作放电到无电状态的电流数据，由积分方法得到电池组实际容量为：
其中：t0表示完全放电过程的初始时间，t1表示完全放电过程的结束时间，i为检测记录的工作电流。7.根据权利要求6所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，根据电池组的出厂信息获取其额定容量大小，计算单元处理得到电池组当前工作循环的容量保持率为：其中：c
bat
为计算单元处理得到的电池组实际容量，c
rated
为电池组的额定容量。8.根据权利要求1所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，力传感器以不低于1hz额采样频率测量电池组内部单体在工作过程中的机械载荷变化。9.根据权利要求1所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，预设的初始最佳载荷区间为监控电池组中单体在出厂预加外载荷容量衰减循环测试的结果区间。10.根据权利要求1～9任一项所述的一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，其特征在于，控制器将新接收到的容量保持率数据r
cap
与已有的容量保持率数据进行比较，根据容量保持率的变化情况，对最佳载荷区间[p
op-min
，p
op-max
]进行优化调整，优化后的最佳载荷区间长度(p
op-max-p
op-min
)应小于参考精度δ。

技术总结
本发明公开了一种基于载荷调节实现电池组容量保持的监控系统，所述系统包括载荷调节装置、力传感器、电流传感器、计算单元和控制器；力传感器和电流传感器实时获取电池单体所受压力数据和电池组工作电流数据；计算单元对两类数据分别处理，得到压强数据和容量保持率；控制器判断实时压强是否处于有益于提高电池生命周期容量保持率的最佳载荷区间内，相应地发送出控制指令；载荷调节装置根据控制指令执行对电池组预加载荷的调节；控制器根据容量保持率的变化情况，对最佳载荷区间进行优化调整，并确保区间长度的精度。本发明所述系统通过实时监测和控制调整的方式保证电池组内部预加载荷水平始终处于有益于电池容量保持的最佳载荷区间范围内。最佳载荷区间范围内。最佳载荷区间范围内。


技术研发人员：曲杰 刘奇飞 代国军
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/22