如何应用超声技术准确检测低温环境下的锂离子电池荷电状态？

锂离子电池在便携式电子产品、新能源汽车和储能电站等领域被广泛使用。锂离子电池的荷电状态（State of Charge, SOC）是表征电池健康状况的重要指标，但低温对锂离子电池材料有较大影响，导致电池容量显著下降，因此开展低温环境下锂离子电池荷电状态的准确检测十分必要。

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锂离子电池的荷电状态是指在特定放电条件下，电池剩余容量占额定容量的百分比。目前对锂离子电池荷电状态的检测方法主要有开路电压法、内阻检测法、安时积分法和基于智能优化算法的等效电路模型等方法。但是这些研究方法存在检测速度慢、只能离线测量、等效电路难以反映电池内部物理化学过程等问题，因此国内外学者开始探索运用超声检测技术来检测锂离子电池的荷电状态。

综合国内外研究现状分析，目前超声检测锂离子电池荷电状态方法存在以下不足：①试验均在室温环境下进行，然而低温对锂离子电池荷电状态造成显著影响，该方法能否实现低温下荷电状态检测尚未可知；②研究对象多为棱柱形和方形软包锂离子电池，对于复杂结构的圆柱卷绕型锂离子电池研究较少，超声在圆柱卷绕型锂离子电池内部传播衰减大，很难检测；③运用超声信号特征量检测锂离子电池荷电状态时，缺乏超声透射飞行时间与锂离子电池荷电状态及温度的量化关系，难以基于超声透射飞行时间结果计算不同温度下的锂离子电池荷电状态。

为掌握低温下锂离子电池荷电状态（SOC）与超声检测特征量之间的关系，新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的吴立峰、刘昊、林仲钦、徐策、马国明，在2022年第21期《电工技术学报》上撰文，开展了圆柱卷绕型锂离子电池荷电状态超声检测与理论分析。

图1 超声检测试验平台

研究人员在-20 10 环境下搭建了圆柱卷绕型锂离子电池荷电状态检测试验研究平台，建立特征提取算法，提取超声信号幅值和超声飞行时间两个特征参量，获得低温环境下锂离子电池的最大可用容量。

他们的研究结果表明，在低温环境下，相较于超声信号幅值特征量，超声飞行时间特征量能更准确地表征锂离子电池的荷电状态。考虑低温对锂离子电池负极材料弹性模量、质量、长度的影响，建立了超声透射飞行时间与锂离子电池荷电状态及温度三者之间的量化方程，确定了其中的关键参数。

研究人员指出，该方程与试验数据的拟合决定系数为0.9668，方均根误差为0.6244μs。并开展了10组不同环境温度、不同荷电状态值的检测试验，荷电状态绝对误差绝对值的平均值为2.23%。试验结果表明在低温环境下，可以运用超声透射技术检测圆柱卷绕型锂离子电池的荷电状态。本研究可为低温环境下不同类型锂离子电池荷电状态的准确检测提供研究思路与数据参考。

本文编自2022年第21期《电工技术学报》，论文标题为“低温环境下锂离子电池荷电状态与超声透射飞行时间的关系研究”。本课题得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国科协青年人才托举工程、中央高校基本科研业务费和新能源电力系统国家重点实验室自主研究课题资助项目的支持。