微型超声波传感器可监测电动汽车电池情况

CARLOS JONES/ORNL/U.S. DEPARTMENT OF ENERGY

一项新的研究发现，小如缩略图的超声波传感器可以扫描锂离子电池，以检查其充电、健康和安全性。

研究结果表明，超声波，即频率高于人类听力的声波，有朝一日可能有助于电动汽车更好地估计电池中的剩余电量。该研究的主要作者、田纳西州橡树岭国家实验室的超声波工程师Hongbin Sun表示，这种方法还可能有助于检测处于灾难边缘的不稳定电池，在制造过程中快速测试电池质量，并确定哪些用过的电池足够健康，可以转售以减少浪费。

估计商用锂离子电池的剩余电量目前是一项具有挑战性的任务。例如，电动汽车在估计电池电量时通常会遇到大约10%的不确定性。这反过来又使它们的行驶里程减少了约10%，以确保它们保持在电池的安全范围内。

为了找到一种简单、廉价、无损的方法来估计锂离子电池的电量，科学家们研究了超声波。随着锂离子电池的放电和再充电，潜在的电化学反应导致其部件的性能和结构发生机械变化，原则上来说，超声波扫描可以检测到这些变化。

之前对锂离子电池进行超声波扫描的工作通常只使用一个超声波频率进行实验。在这项新的研究中，研究人员检查了多个超声波频率，以了解每种频率在估计电池电量方面的优缺点。

在实验中，科学家使用约1.25厘米宽的商用现成超声波传感器，在充放电过程中监测2.4安培小时的锂离子电池。他们测试了相对低频的750千赫、1兆赫和1.5兆赫超声波，因为电池材料在很大程度上吸收的频率高于此。（作为参考，人类可以听到大约20赫兹到20千赫之间的频率。）

研究人员观察到，所有三种频率的波速都与电荷状态有关。电波减弱的方式也有助于揭示电池中的材料在充电和放电期间的相位变化。

“我们提出的方法为电池性能评估和了解电池充放电过程中的材料相变提供了快速、低成本的解决方案，”Sun说，“对于工业规模的应用，它或可用于预测电池的充电状态和评估电池是否失去保持充电的能力。”

Sun指出，这种方法的潜在应用将在电动汽车电池中嵌入低成本的压电超声传感器，以持续监测它们。他表示，该技术目前在估计电池电量时的不确定性约为5%，大约是现有技术的两倍。通过改进传感器校准并考虑测量过程中的温度影响，“我们预计误差可以降低到2%左右，”Sun说，“我们预计不确定性的减少将转化为EV范围的改善。”

此外，使用超声波扫描，“有缺陷的电池很容易被发现，”Sun表示。超声波扫描“也可能为电池起火提供早期预警，因为超声波对电池内部的温度变化和材料变化非常敏感”。

未来的研究需要在多种锂离子电池上测试这一技术，以及一系列的充电速率和更多的充电周期；Sun表示，该方法“在商业化之前还需要大量的额外工作和技术验证”。

科学家们在《电源杂志》上详细介绍了他们的发现。