基于Comsol的超声探测锂电池SOC状态仿真分析

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    对于锂离子电池管理系统BMS非常重要的一个功能就是对电池的SoC状态进行预测，SoC既电池的荷电状态，state ofcharge的缩写，电池的SoC对于电池的管理十分重要，可以指导电池的充放电，防止发生过充过放，延缓电池的衰降。但是对于锂离子电池而言，电池的SoC状态并不是与电压呈现简单的线性关系，这就为电池SoC的预测制造了重重的阻碍。  

   目前比较常见的模型一般分为两大类：  

   1）等效电路模型，这种模型一般是根据电池的测量结果，将电池等效成为一个由电阻、电容等多种电子元器件组成的电路，并根据该模型进行推导计算，从而实现对电池的SoC的预测；  

   2）电化学模型，这种模型更多的是关注锂离子电池内在的反应机理，通过数学模型对电池的正极、负极、界面膜和电解液等组分进行建模，模拟它们在充放电过程中的行为特点，从而实现对锂离子电池的SoC的预测。   

   来自德国Fraunhofer硅酸盐研究所的Lukas Gold等人提出了一种利用超声波检测的手段确定锂离子电池SoC状态的方法。为了便于理解Lukas Gold提出的方法的工作原理，我们需要简单介绍一下锂离子电池的反应原理，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。

试验原理如下图所示

    此次采用Comsol软件，对标超声探测锂电池SOC的实验进行仿真建模，其中锂电池内部介质的力学等属性会随着SOC变化而变化，模型根据Hashin-Shtrikman 边界等效介质模型方程来建立，以下是超声传播的过程动图。

通过接收对侧信号，并对信号进行分析，提取信号的穿透时间与SOC关系，如下。

穿透时间和SOC的关系

从分析结果可以看到，基于Comsol的超声仿真分析可以比较准确的贴近实验，符合真实趋势，对预测更复杂的锂电池内部情况提供帮助。

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