— Changes in ultrasound signal —
电池充放电过程中的
超声信号变化
引言
近年来，使用超声波方法对电池内部状态进行无损检测，由于其无损、原位、可对电池内部缺陷定性、定位等优势而被广泛关注。目前，已有许多研究表明电池SOC与电池内部的正负极材料的力学参数（密度、强度、弹性模量等）息息相关。
在锂离子电池充电的过程中，Li+首先从正极脱出，扩散负极表面，然后嵌入到石墨负极的晶格内部，随着Li+的嵌入，石墨颗粒会发生一定程度的体积膨胀，导致负极极片的孔隙率发生变化，而超声波对于孔隙率的变化十分敏感，因此也就能够高灵敏的检测电池的SoC状态。目前的研究表明，锂电池放电时，超声波的飞行时间（Time of Flight, TOF）会随SOC减小而增加[1]。在电池充电过程中，超声波的波幅也会随着SOC的增加而线性增加[2]。
如图1所示为软包电池使用清能博创自主研发的动力电池安全检测智能工作站的超声成像图。该实验使用5M Hz超声波探头测试石墨负极软包电池不同SOC状态下的超声成像图，随着SOC的增加超声成像图中波幅逐渐升高。根据图2超声波信号提取所示，超声波信号随着SOC状态增加而逐渐前移。
根据Biot提出的弹性波在液体填充的多孔固体中的传播理论，超声波在石墨负极中传播会产生两个波：快波与慢波，波速分别为3220m/s与460m/s[3]。根据声波波长公式λ=c／ƒ计算，5M Hz探头发出的超声波快波波长为0.644mm，与电极层的厚度十分接近，因此锂离子电池的结构的变化会对其传播造成显著的影响。
如图3所示，当电池充放电时，负极材料发生膨胀，带来孔隙率的降低。超声波的传播速度，是受到锂离子电池电极参数（孔隙率）的影响。当孔隙率降低时，超声波的波速随之增高，因此发生波峰前移的现象。此外，由于波速在充电过程中的增加，超声波的波长也随之增加。
Lukas的研究表明，超声波的波长越长，其信号强度越强，这是由于超声波在边界处发生散射引起的[4]，如图4所示。因此表现出超声波波幅随着SOC增加而逐渐增加的现象。
因此，在电池充放电过程中，由于石墨负极的孔隙率变化，会导致超声透射波信号波幅随着SOC增加而逐渐增加、波峰逐渐前移的现象。通过捕捉这种变化，清能博创使用机器学习算法对SOC进行估算，并控制最低误差小于1%。该方法不需要对锂离子电池进行建模，极大的降低了SOC预测的难度，是一种十分具有潜力的方法。
参考文献
[1] Cai Z, Pan T, Jiang H, et al. State-of-charge estimation of lithium-ion batteries based on ultrasonic detection[J]. Journal of Energy Storage, 2023, 65: 107264.
[2] Popp H, Koller M, Keller S, et al. State estimation approach of lithium-ion batteries by simplified ultrasonic time-of-flight measurement[J]. IEEE Access, 2019, 7: 170992-171000.
[3] Ladpli P, Kopsaftopoulos F, Chang F K. Estimating state of charge and health of lithium-ion batteries with guided waves using built-in piezoelectric sensors/actuators[J]. Journal of Power Sources, 2018, 384: 342-354.
[4] Ladpli P, Liu C, Kopsaftopoulos F, et al. Estimating lithium-ion battery state of charge and health with ultrasonic guided waves using an efficient matching pursuit technique[C]//2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). IEEE, 2018: 1-5.
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