一种锂离子电池超声脉冲监测装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种锂离子电池超声脉冲监测装置，属于锂电池状态监测领域。本发明专利技术装置包括超声波换能片、第一电阻、第二电阻、第一肖特基二极管、第二肖特基二极管、第三肖特基二极管、二极管、二极管组、电感、NMOS管和PMOS管；将方波信号输入NMOS管的栅极，NMOS源极输入负高压，漏极输出负高压驱动超声波换能片产生参数可调的超声波；同时互补方波信号输入PMOS管的栅极，PMOS的漏极经过二极管组整形输出到NMOS管的漏极控制关断所述NMOS管，提高超声波信号波形的整形度，本发明专利技术装置产生的超声波信号可与锂离子电池组获得最佳匹配，在使用超声波进行锂离子电池内部异常状态监测时能够获得最多的信息与最优的信噪比。

An Ultrasound Pulse Monitoring Device for Lithium Ion Batteries

【技术实现步骤摘要】
一种锂离子电池超声脉冲监测装置
本专利技术属于锂电池监测
，更具体地，涉及一种锂离子电池超声脉冲监测装置。
技术介绍
锂电池技术飞速发展，锂电池应用越来越多的出现在人们的身边，如电动汽车、手机、手表等设备都需要锂电池供能，基本上人人身边都会有锂电池的存在，但是目前锂电池的使用还存在着安全隐患，使用不当或的锂电池有一定几率出现过热烧融、爆炸等危险事故，严重的威胁了人身安全。目前，对锂电池的状态监控基本都是通过对锂电池外部展现出的电学特性和温度特性进行监控，但是锂离子出现某些异常状态时，如电池内部在出现气泡、析锂等异常状态，其外部电学特性包括电压、电流等均与正常锂离子电池无较大差别，目前存在的锂电池检测方法对该类异常状态无法有效监测；锂离子电池内部出现异常状态风险较高，若不及时处理可能导致损坏甚至爆炸，目前仅进行锂离子电池电学参数测量无法解决这一问题。目前已经开始尝试使用超声波进行锂离子电池内部异常状态监测，但是存在以下问题：(1)目前尚未没有找到与锂离子电池匹配度最好的超声波参数，在对锂电池进行超声波时，不同的超声波参数，如波形、频率和脉宽不同的话，接收端接收到的超声波信号反映锂电池状态的能力并不同，若没有选择合适的超声波参数进行锂电池超声，则能够分析获得的锂电池信息非常少，(2)目前现有超声波换能器产生的超声波主要为多频点叠加超声波和非高整形度超声波；多频点叠加超声波中叠加了多个高次谐波，在多种使用环境中，使用多个高次谐波有利于通过不同频率的超声波来进行对比实验验证；在锂离子电池超声波监测中，高次叠加谐波的超声波会引入大量噪声，影响针对有用信号的观测与提取；对于非高整形度超声波，换能片更换也需要更换超声波的各项参数，市场上的超声波发生器考虑到成本和电路设计难度问题，同时也为了适应多种使用环境，在对超声波产生电路设计时留了较大的死区裕量，在锂离子电池超声监测中使用会导致信号幅值出现短暂变化并叠加进入输出信号，导致输出信号与输入信号幅值为非线性关系，不适合对锂电池进行超声波监测，由于以上原因，导致目前超声波监测锂电池的研究处于停滞状态。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种锂离子电池超声脉冲监测装置，其目的在于设计一种超声波脉冲监控装置，通过产生和锂电池监测最匹配的超声波，实时监测锂电池内部状态，由此解决锂电池异常状态监测的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种锂离子电池超声脉冲监测装置，所述装置包括以下部分：所述装置包括超声波换能片、第一电阻R1、第二电阻R2、第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第三肖特基二极管D3、二极管D4、二极管组D5、电感L1、NMOS管Q1和PMOS管Q2；其中，第一肖特基二极管D1和第二肖特基二极管D2的负极相连组成钳位电路；第一电阻R1的一端、第二肖特基二极管D2的正极、NMOS管Q1的栅极和方波信号输入端相连；第一电阻R1的另一端、第一肖特基二极管D1的正极、NMOS管Q1的源极和负高压输入端相连；NMOS管Q1的漏级连接二极管D4的负极；第二电阻R2的一端、第三肖特基二极管D3的负极和PMOS管Q2的源极接地；第二电阻R2的另一端、第三肖特基二极管D3的正极、PMOS管Q2的栅极和互补方波信号输入端相连；PMOS管Q2的漏级连接二极管组D5的正极；二极管组D5的负级、二极管D4的正极和电感L1的一端相连，电感L1的另一端连接超声波换能片；所述方波信号频率可调，占空比可调；所述互补方波信号的波形和方波信号的波形互补，且互补方波信号预制小于0.01微秒的低电平死区；所述负高压幅值可调。进一步地，所述装置还包括第三电阻R0和SMA接口，所述电感L1的另一端通过SMA接口连接超声波换能片；所述SMA接口的输入端和接地端之间并联第三电阻R0。进一步地，所述二极管组D5包括多个串联的二极管。进一步地，所述超声波换能片安装在锂电池两端，所述锂电池一端的超声波换能片在输入信号的激励下输出超声波，该超声波通过锂电池内部，锂电池另外一侧的超声波换能片接受该超声波信号并将其转换为电信号，对该电信号进行分析得到锂离子电池内部状态信息。进一步地，所述电信号输入至FPGA芯片，通过FPGA芯片对该电信号进行分析得到锂离子电池内部状态信息。进一步地，所述超声波换能片为厚度方向极化的圆形压电陶瓷片。进一步地，所述方波信号和所述互补方波信号由FPGA产生。进一步地，所述FPGA使用直接数字频率合成技术DDS产生频率可调和占空比可调的方波信号和互补方波信号，所述方波信号与所述互补方波信号均通过所述SMA接口分别输出至方波信号输入端和互补方波信号输入端。进一步地，所述负高压由负高压模块产生并输出至负高压输入端，所述FPGA通过SPI总线控制负高压模块产生幅值可调的负高压。进一步地，所述方波信号频率取值范围在2.1-2.3MHz之间，脉宽取值范围在0.1905-0.214微秒之间；所述负高压输出电压取值范围在-200至-400伏之间。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：(1)本专利技术装置通过方波信号和互补方波信号促进NMOS关断和PMOS的开启，产生频率和脉宽可调的方波驱动信号，驱动超声波换能片产生参数可调的超声波，由于互补方波信号的波形和方波信号的波形互补，且互补方波信号预制小于0.01微秒的低电平死区，因此产生的超声波也具有变化更加快速的上升沿与下降沿，采用本专利技术装置产生的超声波进行锂离子电池内部异常状态监测时能够获得最多的信息与最优的信噪比；(2)本专利技术通过理论分析和长期实验，发现频率取值范围在2.1-2.3MHz之间，脉宽取值范围在0.1905-0.214微秒之间的超声波信号和锂电池最匹配，当锂电池内部出现气泡、析锂等异常状态时，具有该参数的超声波在穿过状态异常锂电池时，接收端能明显发现超声信号幅值和频谱的变化；(3)本专利技术装置通过FPGA产生方波信号和互补方波信号，方波信号频率可调，占空比可调；互补方波信号的波形和方波信号的波形互补，并且还通过FPGA控制负高压信号的幅值，FPGA产品成熟，技术普及度高，方便技术人员对本专利技术生产转化；(4)本专利技术装置结构简单，方便扩展，在大规模锂电池阵列中，只需在每个锂电池两端各安装一个超声波换能片就能实现大规模锂电池阵列中单个锂电池的监控。附图说明图1是本专利技术装置较佳实施例的结构示意图；图2是本专利技术装置中方波信号与互补方波信号的波形示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。图1所示为本专利技术装置的较佳实施例，如图所示，本装置具体包括超声波换能片、第一电阻R1、第二电阻R2、第一肖特基二极管D1、第二肖特基二极管D2、第三肖特基二极管D3、二极管D4、二极管组D5、电感(L1)、NMOS管Q1和PMOS管Q2；其中，第一肖特基二极管D1和第二肖特基二极管D2的负极相连组成钳位电路；第一电阻R1的一端、第二肖特基二极管D2的正极、NMOS管Q1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种锂离子电池超声脉冲监测装置，其特征在于，所述装置包括超声波换能片、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一肖特基二极管(D1)、第二肖特基二极管(D2)、第三肖特基二极管(D3)、二极管(D4)、二极管组(D5)、电感(L1)、NMOS管(Q1)和PMOS管(Q2)；其中，第一肖特基二极管(D1)和第二肖特基二极管(D2)的负极相连组成钳位电路；第一电阻(R1)的一端、第二肖特基二极管(D2)的正极、NMOS管(Q1)的栅极和方波信号输入端相连；第一电阻(R1)的另一端、第一肖特基二极管(D1)的正极、NMOS管(Q1)的源极和负高压输入端相连；NMOS管(Q1)的漏级连接二极管(D4)的负极；第二电阻(R2)的一端、第三肖特基二极管(D3)的负极和PMOS管(Q2)的源极接地；第二电阻(R2)的另一端、第三肖特基二极管(D3)的正极、PMOS管(Q2)的栅极和互补方波信号输入端相连；PMOS管(Q2)的漏级连接二极管组(D5)的正极；二极管组(D5)的负级、二极管(D4)的正极和电感(L1)的一端相连，电感(L1)的另一端连接超声波换能片；所述方波信号频率可调，占空比可调；所述互补方波信号的波形和方波信号的波形互补，且互补方波信号预制小于0.01微秒的低电平死区；所述负高压幅值可调。...

【技术特征摘要】
1.一种锂离子电池超声脉冲监测装置，其特征在于，所述装置包括超声波换能片、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第一肖特基二极管(D1)、第二肖特基二极管(D2)、第三肖特基二极管(D3)、二极管(D4)、二极管组(D5)、电感(L1)、NMOS管(Q1)和PMOS管(Q2)；其中，第一肖特基二极管(D1)和第二肖特基二极管(D2)的负极相连组成钳位电路；第一电阻(R1)的一端、第二肖特基二极管(D2)的正极、NMOS管(Q1)的栅极和方波信号输入端相连；第一电阻(R1)的另一端、第一肖特基二极管(D1)的正极、NMOS管(Q1)的源极和负高压输入端相连；NMOS管(Q1)的漏级连接二极管(D4)的负极；第二电阻(R2)的一端、第三肖特基二极管(D3)的负极和PMOS管(Q2)的源极接地；第二电阻(R2)的另一端、第三肖特基二极管(D3)的正极、PMOS管(Q2)的栅极和互补方波信号输入端相连；PMOS管(Q2)的漏级连接二极管组(D5)的正极；二极管组(D5)的负级、二极管(D4)的正极和电感(L1)的一端相连，电感(L1)的另一端连接超声波换能片；所述方波信号频率可调，占空比可调；所述互补方波信号的波形和方波信号的波形互补，且互补方波信号预制小于0.01微秒的低电平死区；所述负高压幅值可调。2.根据权利要求1所述的一种锂离子电池超声脉冲监测装置，其特征在于，所述装置还包括第三电阻(R0)和SMA接口，所述电感(L1)的另一端通过SMA接口连接超声波换能片；所述SMA接口的输入端和接地端之间并联第三电阻(R0)。3.根据权利要求1或2所述的一种锂离子电池超声脉冲监测装置，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗徐佳，耿晓虎，李奥博，聂川野，沈越，黄云辉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42