CN107415726A - 无线牵引电池力传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线牵引电池力传感器。一种车辆的牵引电池包括牵引电池内的温度补偿无源无线表面声波传感器和控制器。温度补偿无源无线表面声波传感器被配置为接收广播信号并发送反射信号。控制器被配置为发送所述广播信号并接收所述反射信号，还基于所述广播信号和所述反射信号之间的相位差和幅值差指示所述牵引电池内的压力增大来停止对所述牵引电池充电。

Description

无线牵引电池力传感器
技术领域
本申请总体上涉及基于来自表面声波(surface acoustic wave，SAW)结构的压力操作车辆的牵引电池。
背景技术
电气化车辆包括混合动力电动车辆(HEV)和电池电动车辆(BEV)。电气化车辆包括牵引电池，以存储被用于推进和其它目的的能量。牵引电池通常根据多个参数来操作。在操作期间，牵引电池的参数的变化导致牵引电池性能的变化。操作参数中的一个是电池的荷电状态(SOC)；随着SOC变化，电池和车辆的控制变化以补偿SOC的变化。
发明内容
一种车辆的牵引电池包括位于牵引电池内的温度补偿无源无线表面声波传感器和控制器。温度补偿无源无线表面声波传感器被配置为接收广播信号并发送反射信号。控制器被配置为发送所述广播信号并接收所述反射信号，还基于所述广播信号和所述反射信号之间的相位差和幅值差指示所述牵引电池内的压力增大来停止对所述牵引电池充电。
一种操作车辆中的电池的方法包括：通过控制器执行以下操作：向表面声波传感器发送广播信号；从所述表面声波传感器接收反射信号；根据指示所述电池内的压力的所述广播信号和所述反射信号之间的差来操作所述电池。
根据本发明的一个实施例，操作所述电池包括对电池充电，其中，所述差是所述广播信号和所述反射信号之间的相位差和幅值差。
根据本发明的一个实施例，操作所述电池还包括响应于所述差超过阈值而终止充电。
根据本发明的一个实施例，所述广播信号具有低于2GHz的基本频率(basefrequency)。
根据本发明的一个实施例，所述方法还包括：使用正交频率编码算法来对所述反射信号解码。
一种车辆的牵引电池包括位于牵引电池内的温度补偿无源无线表面声波传感器和控制器。温度补偿无源无线表面声波传感器被配置为接收广播信号并发送反射信号。所述控制器被配置为发送所述广播信号并接收所述反射信号，还响应于指示所述牵引电池内的压力的所述广播信号和所述反射信号之间的相位差和幅值差超过阈值来停止对所述牵引电池充电。
根据本发明的一个实施例，所述车辆牵引电池还包括布置有平面电极的多个棱柱形电池单元，所述平面电极被布置为使得所述平面电极与所述表面声波传感器的纵轴和横轴大致平行。
根据本发明的一个实施例，所述车辆牵引电池还包括位于所述牵引电池内的附加的温度补偿无源无线表面声波传感器，其中，温度补偿无源无线表面声波传感器的总数小于所述多个棱柱形电池单元的总数。
根据本发明的一个实施例，每个温度补偿无源无线表面声波传感器包括反射器，所述反射器被配置为产生正交频率编码的反射信号。
根据本发明的一个实施例，温度补偿无源无线表面声波传感器包括3f0叉指换能器，其中，f0是温度补偿无源无线表面声波传感器的中心频率。
根据本发明的一个实施例，所述3f0叉指换能器由铝或铝合金构成。
根据本发明的一个实施例，温度补偿无源无线表面声波传感器包括Y方向切割、Z方向传播的LiNbO3基底。
附图说明
图1是示出典型的动力传动***和能量存储组件的混合动力车辆的示图。
图2是包括多个电池单元并由电池能量控制模块监测和控制的电池包的框图。
图3A是被配置为测量电池的压力的表面声波(SAW)器件的俯视图。
图3B是被配置为测量电池的压力的表面声波(SAW)器件的侧视图。
图4是每个正交频率编码(orthogonal frequency coding，OFC)组包括5个反射器的单端口双延时的正交频率编码(OFC)SAW器件的透视图。
图5A是2f0叉指换能器(interdigitated transducer，IDT)布局的俯视图。
图5B是3f0IDT布局的俯视图。
图5C是4f0IDT布局的俯视图。
图6是IDT电极对的电路表示的示意图。
图7是安装在电池上的SAW传感器的示图。
图8是被配置为与电池的SAW传感器通信的无线模块的框图。
图9是电池内的力相对于电池的荷电状态(SOC)的曲线示图。
具体实施方式
在此描述本公开的实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为示例，并且其它实施例可采用各种和替代形式。附图不必按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定组件的细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员将理解的是，参考任一附图示出和描述的各种特征可与在一个或更多个其它附图中示出的特征组合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征的组合提供用于典型应用的代表实施例。然而，与本公开的教导一致的特征的各种组合和变型可被期望用于特定应用或实施方式。
估计电池的荷电状态(SOC)的常用方式是测量电池的开路电压(OCV)，然后基于OCV计算估计的SOC。使用OCV方法有一些限制，例如，理想是OCV是在电池静置时测量的。然而，在操作期间，电池通常带有负载，因此降低了该测量方法的精确度。另一个限制是在电池的通常的操作范围内OCV的变化很小。
这里，公开了使用无线表面声波(SAW)传感器来测量牵引电池内的力的方法，该方法能够提升估计的荷电状态(SOC)的精确度。力或压力是基于与电池单元的电极在充电/放电期间的相位变化相关的碳膨胀/碳收缩的。碳膨胀/碳收缩是锂离子进入电极和离开电极的运动的结果。基于收集的数据，力、SOC和温度之间的非线性关系被观测到。这种关系可被用于计算更稳健的SOC估计值，尤其针对混合动力车辆的30％至50％的SOC范围。基于导线的SAW结构的使用连同测压元件的成本以及每个传感器所需的导线数量(在有源SAW传感器中，每个传感器需要4根导线)一起被考虑。对于基于导线的传感器，还必须考虑到诸如封装和布置导线的顾虑。
车辆的牵引电池的无线SAW传感器的发展和适应提供了对牵引电池内的力的现场实时监测。这里，SAW传感器(诸如小型的芯片类SAW器件)可位于电气化车辆的牵引电池的电池单元阵列结构内。测量的膨胀力可被用于确定电池包的荷电状态(SOC)和/或健康状态(SOH)。SAW传感器将被配置为测量电池内的压力，并输出指示压力的信号。SAW器件还可被配置有测量温度的功能，并且在一些配置中，SAW器件可被配置为输出指示关于温度的补偿的压力的信号。因此，单个传感器器件可被设计为测量温度和力两者。
表面声波(SAW)传感器是小型、稳健、固态的组件，其中，波沿着压电材料的表面传播。力或温度的变化使传播的波的声波速度改变。关于被测量对象(力/压力和温度)的改变可由单个器件测量。
图1示出了可被称作插电式混合动力电动车辆(PHEV)的电气化车辆112。插电式混合动力电动车辆112可包括机械地连接至混合动力传动装置116的一个或更多个电机114。电机114能够作为马达或发电机运转。此外，混合动力传动装置116机械地连接至发动机118。混合动力传动装置116还被机械地连接至驱动轴120，驱动轴120机械地连接至车轮122。电机114能在发动机118启动或关闭时提供推进和减速能力。电机114还用作发电机，并且能够通过回收在摩擦制动***中通常将作为热损失掉的能量来提供燃料经济效益。电机114还可通过允许发动机118以更有效的转速运转并允许混合动力电动车辆112在特定状况下以发动机118关闭的电动模式运转来减少车辆排放。电气化车辆112还可以是电池电动车辆(BEV)。在BEV的配置中，发动机118可以不存在。在其它配置中，电气化车辆112可以是没有插电功能的全混合动力电动车辆(FHEV)。
牵引电池或电池包124储存可被电机114使用的能量。车辆电池包124可提供高电压直流电(DC)输出。牵引电池124可电连接至一个或更多个电力电子模块126。一个或更多个接触器142可在断开时将牵引电池124与其它组件隔离，并且在闭合时将牵引电池124连接到其它组件。电力电子模块126还电连接至电机114，并提供在牵引电池124与电机114之间双向传输能量的能力。例如，牵引电池124可提供DC电压而电机114可使用三相交流电(AC)来运转。电力电子模块126可将DC电压转换为三相AC电流来运转电机114。在再生模式下，电力电子模块126可将来自用作发电机的电机114的三相AC电流转换为与牵引电池24兼容的DC电压。
车辆112可包括在牵引电池124和电力电子模块126之间电连接的可变电压转换器(VVC)152。VVC 152可以是被配置为提高或提升牵引电池124提供的电压的DC/DC升压转换器。通过提高电压，电流需求可被降低，使得电力电子模块126和电机114的导线尺寸减小。此外，电机114可以以更高的效率和更低的损耗运行。
除了提供用于推进的能量之外，牵引电池124还可为其它车辆电力***提供能量。车辆112可包括DC/DC转换器模块128，DC/DC转换器模块128将牵引电池124的高电压DC输出转换成与低电压车辆负载兼容的低电压DC供应。DC/DC转换器模块128的输出可电连接至辅助电池130(例如，12V电池)以用于对辅助电池130充电。低电压***可被电连接至辅助电池130。一个或更多个电负载146可被连接至高电压总线。电负载146可具有相关联的控制器，所述控制器在适当时操作和控制电负载146。电负载146的示例可以是风扇、电加热组件和/或空调压缩机。
电气化车辆112可被配置为通过外部电源136对牵引电池124再充电。外部电源136可以连接到电源插座。外部电源136可电连接至充电器或电动车辆供电设备(EVSE)138。外部电源136可以是由公共电力公司提供的配电网络或电网。EVES 138可提供电路和控制，以调节和管理电源136与车辆112之间的能量传输。外部电源136可向EVSE 138提供DC或AC电力。EVSE138可具有用于***到车辆112的充电端口134中的充电连接器140。充电端口134可以是被配置为从EVSE 138向车辆112传输电力的任意类型的端口。充电端口134可被电连接至充电器或车载电力转换模块132。电力转换模块132可对从EVSE 138供应的电力进行调节，以向牵引电池124提供合适的电压水平和电流水平。电力转换模块132可与EVSE 138进行交互，以协调对车辆112的电力传输。EVSE连接器140可具有与充电端口134的相应凹槽匹配的引脚。可选地，被描述为被电耦合或电连接的各种组件可使用无线感应耦合传输电力。
可提供一个或更多个车轮制动器144，以使车辆112减速并阻止车辆112运动。车轮制动器144可以是液压致动的、电致动的或者它们的一些组合。车轮制动器144可以是制动***150的一部分。制动***150可包括用于操作车轮制动器144的其它组件。为简单起见，附图描绘了制动***150与车轮制动器144中的一个之间的单一连接。制动***150和其它车轮制动器144之间的连接被隐含。制动***150可包括控制器，以监测和协调制动***150。制动***150可监测制动组件并控制车轮制动器144以使车辆减速。制动***150可对驾驶员命令做出响应并且还可以自主运转以实现诸如稳定性控制的功能。当被另一控制器或子功能请求时，制动***150的控制器可实现施加被请求的制动力的方法。
车辆112中的电子模块可经由一个或更多个车辆网络通信。车辆网络可包括用于通信的多个信道。车辆网络的一个信道可以是诸如控制器局域网络(CAN)的串行总线。车辆网络的信道中的一个可包括由电子电气工程师协会(IEEE)802标准族定义的以太网。车辆网络的额外信道可包括模块之间的离散连接，并可包括来自辅助电池130的电力信号。不同的信号可通过车辆网络的不同信道传输。例如，视频信号可通过高速信道(例如以太网)传输，而控制信号可通过CAN或离散信号传输。车辆网络可包括协助在模块之间传输信号和数据的任意硬件组件和软件组件。车辆网络没有在图1中示出，但图1可隐含着车辆网络可连接至车辆112中存在的任意电子模块。可存在车辆***控制器(VCS)148来协调各个组件的操作。
牵引电池124可由各种化学配方构造。典型的电池包化学成分可以是铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子。图2示出了使用N个电池单元202的简单串联结构的牵引电池包124。然而，牵引电池124可由串联连接或并联连接或者它们的一些组合连接的任意数量的单个电池单元组成。电池管理***可具有监测并控制牵引电池124的性能的一个或更多个控制器(诸如电池能量控制模块(BECM)206)。牵引电池124可包括用于测量各个电池包水平特征的传感器。牵引电池124可包括一个或更多个电池包电流测量传感器208、电池包电压测量传感器210和电池包温度测量传感器212。BECM 206可包括用于与电池包电流测量传感器208、电池包电压测量传感器210和电池包温度测量传感器212连接的电路。BECM 206可具有非易失性存储器，使得数据可在BECM 206处于关闭状况时被保留。保留的数据可以在下一启动周期时使用。电池包测量传感器212包括位于电池包内的SAW传感器
除了电池包水平特征之外，还可测量和监测电池单元202的水平特征。例如，可测量每个电池单元202的端电压、电流和温度。***可使用一个或更多个传感器模块204来测量电池单元202的特征。根据能力，传感器模块204可测量一个或更多个电池单元202的特征。牵引电池124可利用多达Nc个传感器模块204来测量所有电池单元202的特征。每个传感器模块204可将测量结果传输至BECM 206，用以进一步处理和协调。传感器模块204可将模拟形式或数字形式的信号传输至BECM 206。在一些配置中，传感器模块204的功能可被并入BECM 206中。即，传感器模块204的硬件可被集成为BECM 206中的电路的一部分，并且BECM206可进行对原始信号的处理。BECM 206还可包括用于与一个或更多个接触器142连接的电路，以断开或闭合接触器142。
计算电池包的各个特性可能是有用的。诸如电池功率容量、电池容量和电池荷电状态的量对于控制牵引电池124以及从牵引电池124接收电力的任何电负载的操作是有用的。电池功率容量是牵引电池124可提供的最大功率量或牵引电池124可接收的最大功率量的测量。已知电池电力容量允许管理电负载，使得电力需求在牵引电池124可处理的限制之内。
电池容量是可被存储在牵引电池124中的能量总量的测量值。电池容量(通常表示为变量Q)可以以安培小时为单位来表示。与电池容量相关的值可被称作安培小时值。牵引电池124的电池容量可随着牵引电池124的寿命而减小。
荷电状态(SOC)给出在牵引电池124中剩余多少电荷的指示。SOC可被表示为在牵引电池124中可能剩余的总电荷的百分比。当SOC为百分之一百时，牵引电池124可被充电至电池容量。类似于燃料表，可输出SOC值，以通知驾驶员牵引电池124中剩余多少电荷。还可使用SOC来控制电动车辆或混合动力电动车辆的操作。SOC的计算可由多种方法来实现。计算SOC的一种可行的方法是执行牵引电池电流随着时间的积分。这就是在本领域中公知的安培小时积分。
能量管理***或车辆电力***可操作牵引电池124以管理牵引电池124的荷电状态。牵引电池124可根据将目标荷电状态与当前荷电状态进行比较而进行充电或放电。例如，在当前荷电状态大于目标荷电状态时，牵引电池124可放电。牵引电池124的操作可通过命令电机114的扭矩以从牵引电池124汲取电流或向牵引电池124提供电流来实现。牵引电池124的操作还可包括命令发动机118向电机114提供电力来对牵引电池124充电。
图3A是被配置为测量电池的温度补偿的压力和温度的表面声波(SAW)传感器300的俯视图。SAW传感器还被称作SAW器件或SAW结构，SAW传感器可被配置成为有源SAW传感器或无源SAW传感器。有源SAW传感器包括电连接，使得有源SAW传感器电连接至外部AC电压源并由外部AC电压源供电。有源SAW传感器包括导电体以承载电源电压。无源SAW传感器300在没有任何外部电源的情况下工作。控制器、模块或发送器发射的信号(例如无线电波脉冲)由无源SAW传感器300的天线308接收，并且所述信号通过叉指换能器(IDT)306被转换为沿着晶体302行进的机械波312A。机械波312A沿着SAW传感器300的纵轴行进。声波经过一系列的波反射器304产生唯一编码的声波脉冲，唯一编码的声波脉冲行进回IDT 306。IDT 306将脉冲转换为编码的无线电波反射信号312B，编码的无线电波反射信号312B经过天线308被发送回控制器。SAW传感器基于晶体基底302的压电效应工作，并可被配置为在没有直接施加的AC电压的情况下工作。在一些材料(诸如石英、铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂(LiTaO3))中自然发生压电效应。典型的SAW的速度比电磁(EM)波慢105倍。因此，典型的SAW的波长比EM波短105倍。由于传播慢并且波长短，因此在非常小的空间内执行非常复杂的信号处理功能/测量是可能的。
图3B是被配置为测量电池的压力的表面声波(SAW)传感器的侧视图。该侧视图通过切断横轴示出了垂直结构。无源SAW传感器300包括第一反射器304A，第一反射器304A被配置为基于随着脉冲传播通过区域310而变化的温度和压力来改变反射脉冲，其中，区域310包括表面材料下方的空隙314。第二反射器304B被配置为基于温度变化而在区域316中传播脉冲，因此，来自IDT的第一反射器和第二反射器的反射脉冲的组合产生了温度补偿的反射脉冲。然后，信号处理技术可被应用于传感器响应信号以去除温度的贡献，从而获得压力/力响应。这种配置允许通过单个传感器同时监测温度和压力/力。IDT被配置有天线308，天线308包括正面308A和反面308B。天线被配置为接收RF(射频)能量，并将RF能量传输至IDT结构306，以及基于反射脉冲发送从IDT接收的RF能量。
IDT和反射器结构通常由薄金属膜、铝或金通过单层光刻技术构成。针对自动SAW传感器使用Y方向切割、Z方向传播的LiNbO3基底(YZ-LiNbO3)提供了合意的结果。这种水晶的切割基于其高机电耦合因子和自准直(即，使波衍射最小化)属性而被选择，这有助于降低传感器中的损耗。同样，YZ-LiNbO3具有高延迟温度系数(TCD＝-94ppm/℃)，该期望的特性是针对温度感测应用的，但不是针对应变测量的。
由于SAW传感器对温度、压力、应力、液体流速和表面效应敏感，因此在电池中使用宽范围的传感器是可能的。在另一实施例中，SAW传感器阵列可位于单个电池中，使得阵列中的每个传感器都对不同的被测变量做出响应。假设SAW传感器被构造为承受腐蚀性的环境，则传感器可被嵌入电池单元的外壳中，与电极和电解质密切接触。此外，SAW传感器阵列可由控制器发送的广播信号驱动，其中，阵列中的每个SAW传感器可基于反射脉冲而向控制器发送应答信号。
基于正交频编码(OFC)的概念使用SAW传感器在电池***中提供了合意的结果。OFC是用于对SAW传感器的反射脉冲进行编码的扩展频谱技术。OFC技术具有同时处理增益和安全两者的固有优势。OFC技术允许频率和伪噪声(PN)编码，以及使用功率增大的线性调频询问信号。OFC技术是正交频分复用(OFDM)和二进制相移键控(BPSK)编码技术的混合。
图4是单端口双延时OFC SAW传感器400的透视图。OFC传感器被实现为两个由SAW反射器组构成的阵列，第一阵列组402A和第二阵列组402B。配置可包括如图3A的元素310和图3B的元素314示出的空隙。每个组402由具有从f1至f5的中心频率的反射器的队列组成。选择每个反射器的时间长度和频率使得每个反射器的峰值与所有其它反射器的空值对齐。正交关系如下面的等式(1)所示：
Nj＝τcfj (1)
其中，Nj是反射器电极的数量，τc是反射器长度(即，每个反射器的时间长度)，fj是反射器频率。一旦选择了一组频率，所述组中的频率可被及时混合(shuffle)以生成唯一代码。该唯一代码取决于反射器的数量(Nc)以及PN编码(其中，个代码是可能的)的使用。
IDT 404包含通过电介质相互交织并分开的极性相反的电极。该布置的属性是电容性的，但由于电极的有限的电阻，导致IDT还具有串联电阻。图5A、图5B和图5C是具有不同电极结构的IDT结构的示图。图5A是2f0的电极布局500，其中，在每个波长中出现两个电极和两个空间，该配置被调谐为采样频率是fs＝2f0。图5B是3f0的电极布局510，其中，在每个波长中出现三个电极和三个空间，该配置被调谐为采样频率是fs＝3f0。图5C是4f0的电极布局520，其中，在每个波长中出现四个电极和四个空隙，该配置被调谐为采样频率是fs＝4f0。3f0电极和4f0电极还被称作分割电极，在分割电极中，换能器被用于使内部反射最小化。
等效电路600提供的电极对的电路表示在图6中示出。这里，示出了正电极(RF +)的串联电阻602、具有介电常数(Cs)的基底604以及负电极(RF -)的串联电阻606。IDT的总电极电阻由等式2和等式3给出，如下所示：
其中，Rs是电极的薄层电阻(以欧姆/平方为单位)，Wa是以米为单位的电极重叠度，We是以米为单位的电极宽度，“#+electrodes”是正电极的数量，“#-electrodes”是负电极的数量。
整体IDT的静态电容由等式4给出，如下所示：
Ct＝NpWaεp, (4)
其中，Np是电极指对的数量，Np由等式5给出，如下所示：
其中，NBW是IDT的空带宽或部分频率。IDT的输入导纳是根据频率的复数项。实部被称作辐射电导Ga(f)，虚部被称作声纳Ba(f)。这些参数遵循电声转换过程，并且由等式(6)和等式(7)表示，如下所示：
其中，K2＝机电耦合系数，针对2f0、3f0和4f0的IDT，α分别是9、5.9和9.77。
基于等式6和等式7，IDT输入导纳Yin(ω)可被表示为：
在SAW传感器的工作期间，无论何时在波的传播路径中发生阻抗间断，SAW波都被反射。这里，反射器包括短电极设计的反射器，该反射器被配置为具有λ/2的周期(p)和λ/4的宽度(a)。在电极下方的阻抗Z0+ΔZ与自由表面阻抗Z0不同。该差异导致SAW波的一部分在电极自由空间边界处被反射。在每个界面处，小反射系数rREF由等式9表示，如下所示：
其中，e4和e5表示对反射率的短路贡献和大量负载贡献。反射器的净反射的大小由等式10表示，如下所示：
|R|＝tanh(N|rREF|) (10)
其中，N是反射器中的电极总数。对于N|rREF|＜＜π的情况，反射器的空带宽由等式11表示，如下所示：
反射器的传递函数可由等式12描述的sinc函数来估计，如下所示：
反射器下方的SAW速度可由等式13来估计，如下所示：
其中，e1是电负载项，e2和e3是机械负载项。
如图4所示，反射器位于传感器中的IDT的每侧上。为了满足正交性的限制，每个频率的峰值出现在对于所有其它频率的空值处。这允许机械波能量通过与反射器频率标准不匹配的反射器，并仅通过相应的反射器被反射。每个反射器的响应通过以上的等式12的HREF给出。
在一个示例中，SAW传感器按照图4所示被配置，使得每个反射器是统一的，N＝44，h＝1000埃，电极宽度a＝λ/4，周期p＝λ/2。反射器的中心频率f1＝861MHz、f2＝881.5MHz、f3＝902MHz、f4＝922.5MHz、f5＝943MHz。该配置提供了1000MHz的带宽，该带宽等于IDT的带宽，并且该带宽是用于测量频率偏移的互相关的一部分。
可通过简化的一阶模型来估算单端口延时SAW传感器的频率响应。通常在实践中，SAW传感器使用模式耦合(coupling of modes，COM)模型被建模，所述COM模型最初被开发用于光学建模。一阶模型将可比较结果提供给COM模型。当IDT被电信号激励时，由于电压源和IDT之间的阻抗差导致的初始反射通常会发生。IDT吸收的能量被转化为机电波并同时按照两个方向发送。波向晶体下方行进并随后从反射器向着换能器反弹回去，其中，该波在换能器处由IDT部分反射或重新产生。该波继续在反射器和换能器之间行进，直到没有剩余能量并且产生了多次传输以及驻波波形的反射消失为止。每个反射器位于相对于IDT的不同的距离处。并且，由于传输是双向的，因此，不需要向左或向右的符号规则。例如，如果IDT是3端口器件，该IDT由1个电端口和2个声学端口组成，并且反射器仅由2个声学端口组成。随着SAW在IDT和反射器之间往复传播，IDT的声导纳被来自反射器组的反射波周期性地调制，其中，反射波在时间τD＝2kL/ω、4kL/ω、6kL/ω等处具有幅值HREF(ω)。IDT的输入导纳被多个反射调制，并由等式14表示：
Yin-total(ω)＝Yin(ω)+HREF(ω)Ga(ω)exp(-j2kL) (14)
其中，k是由等式15表示的自由空间传播常数：
换能器的输入幅值反射系数仅由等式16表示：
其中，Ga(ω)、Yin(ω)和HREF(ω)分别由等式6、8和12给出。执行针对YZ-LiNbO3上的902MHz的单端口双SAW延时线的调制导纳(等式16)与IDT的S11(等式8)之间的比较，该比较提供了IDT模型与调制的导纳模型之间的相关性。IDT是统一的3fo电极布局，其中，Np＝18，波束宽度Wa＝50λ，电极宽度We＝λ/6，Rs＝0.2欧姆/平方，金属厚度h＝1000A；反射器是统一的，N＝44并且h＝1000A。注意，等式14的第二项对于每个反射器是不同的。可使用快速傅里叶变换(FFT)产生S11的时域曲线。该曲线可示出反射器在时域中的位置，使得对于每个反射器，波行进2L的距离。
OFC SAW传感器的另一示例包括YZ-LiNbO3基底。OFC SAW参数包括中心频率(f0)为902MHz、带宽为100MHz、Vfree surface为3488m/s、λ为3.867μm以及铝金属厚度h为100nm＝1000A。在这个示例中，IDT包括3f0结构、金属化比率为50％、NWB为100MHz、每波长的电极阵列(Se)为3、波束宽度或电极重叠度(Wa)为50λ、电极宽度(We)为λ/2Se、正电极的数量/周期为2、负电极的数量/周期为1、电极指对的数量(Np)为18、IDT的长度为18λ。反射器结构包括：反射器的数量为5、NWBbit为100MHz、每个反射器的空带宽(NWBchip)为2*NWBbit/Nc、每个反射器中的电极总数(Nchip)为44、中心频率为902MHz、金属化比率为50％、电极宽度(a)为λ/4、周期为λ/2、反射器空带宽(NBW_REF)为2f0/N。每个单独的反射器的频率包括：f3＝f0、f1＝f3-2*(NBW_REF/2)、f2＝f3-(NBW_REF/2)、f4＝f3+(NBW_REF/2)、f5＝f3+2*(NBW_REF/2)、以及反射器长度(L_REF)为N*p＝Nλ/2，以及反射器之间的距离(d1)为30μm。
图7是包括位于电池外壳702的凸出点704处的SAW传感器706的牵引电池700的示图。选择SAW传感器的布置使得基于电池的膨胀/收缩的电池变形可被监测到。例如，SAW传感器可位于电池单元的一侧的最大凸出点的位置，诸如电池单元的中心704。电池的表征可包括电池操作的仿真以及按照对于给定应用的SAW传感器的位置和方向的利用SAW传感器的测试。
在可选的实施例中，多个SAW传感器可位于牵引电池内。例如，具有多个棱柱形电池单元的牵引电池可具有位于外壳壁和棱柱电池单元之间的SAW传感器，其它SAW传感器可位于相邻电池单元之间，使得膨胀和收缩可在多个位置被监测到。具有多个SAW传感器的***可被配置以使得每个SAW传感器具有唯一的OFC配置，从而允许控制器发送或广播每个SAW传感器接收的信号，并且每个传感器将转而发送指示反射脉冲的编码的反射信号。基于反射的信号和广播的信号，控制器可使用数字信号处理技术来确定牵引电池内的压力。在一些实施例中，与电池单元相关的压力可被确定并用于旁路电池单元或使电池单元放电。
图8是用于与电池SAW传感器通信的无线模块800的框图。无线模块800还被称作控制器，无线模块800可包括具有嵌入式微控制器804的电路802。微控制器804可包括处理器806，处理器806被配置为执行来自非易失性存储器808(诸如闪存、ROM或MRAM)的指令。微控制器804可包括电源管理电路810，或者电源电路可在微控制器804的外部。微控制器804可包括模数转换器(ADC)812，以将外部模拟信号转换为这些信号的数字表示。在其它实施例中，ADC可在微控制器804的外部。ADC可被用于对模拟信号(诸如来自压力传感器814的模拟信号或者来自温度传感器816的模拟信号)进行转换。在其它实施例中，传感器可将模拟读数转换成数字，并使用数字接口(诸如串行***接口(SPI)和***传感器接口5(PSI5))进行数字式通信。压力传感器814和温度传感器816可被配置为测量外界压力和温度。无线模块800可包括射频(RF)收发器818和低频(LF)接收器820。RF收发器818被用于发送广播信号并接收来自一个或更多个SAW传感器的反射信号。LF接收器820被用于接收来自SAW传感器的广播信号的LF加工信号。
图9是电池内的力902相对于电池的荷电状态(SOC)904的图形表示900。基于开路电压(OCV)估计电池的SOC的问题包括允许电池空闲以精确地测量OCV，以及在牵引电池的通常的操作范围中，OCV的变化不是非常大并因此受限于精确度限制。这里，示出了电池内部力曲线906，其中，通过与牵引电池的通常的操作范围中的SOC变化相关的力测量的电池的内部压力的变化可能导致更大的力的变化。这种更大的力的变化能够以比OCV方法更精确的方法被测量，从而允许对电池SOC进行更精确的确定。此外，在操作中，力能够被测量，并且确定的SOC不受到OCV方法的限制。这允许在驾驶周期中进行精确的SOC确定，同时，电池处于负载中。图9中示出的关系基于具有石墨阳极的锂离子电池单元，其中，石墨的体积膨胀通常远大于阴极的体积膨胀。此外，负电极的负荷介入状态表现出类似的形状。
图9还示出了与SOC 904相关的每伏特的测量的力的相对于SOC的变化的变化率(dF/dSOC)908的近似曲线。dF/dSOC曲线910与25摄氏度的电池单元温度相关联。使用dF/dSOC的一方面是随着电池单元温度降低，dF/dSOC曲线接近恒定线性曲线，并且曲线中的峰值不断地移动至较低SOC的区域。该特征可通过与温度有关的移位以及相对于温度变化的缩放功能来被补偿。
在此公开的处理、方法或算法可被传送到处理装置、控制器或计算机，或者通过所述处理装置、控制器或计算机实现，其中，所述处理装置、控制器或计算机可包括任何现有的可编程电子控制单元或专用电子控制单元。类似地，所述处理、方法或算法可被以多种形式存储为通过控制器或计算机执行的数据和指令，其中，所述多种形式包括但不限于信息被永久存储在不可写的存储介质(诸如，ROM装置)中，以及信息被可变地存储在可写的存储介质(诸如，软盘、磁带、CD、RAM装置以及其它磁介质和光学介质)中。所述处理、方法或算法也可在软件可执行对象中实施。可选地，可使用合适的硬件组件(诸如，专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、状态机、控制器或其它硬件组件或装置)或者硬件、软件和固件组件的组合来全部或部分地实现所述处理、方法或算法。
虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中所使用的词语是描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，可在不脱离本公开的精神和范围的情况下做出各种改变。如前所述，可将各个实施例的特征进行组合以形成本发明的可能未被明确描述或示出的进一步的实施例。尽管针对一个或更多个期望特性，各个实施例已经被描述为提供优点或优于其它实施例或现有技术实施方式，但是本领域的普通技术人员应认识到，根据特定应用和实施方式，一个或更多个特征或特性可被折衷以实现依赖于特定应用和实现的期望的整体***属性。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐用性、生命周期成本、市场性、外观、包装、尺寸、可维护性、重量、可制造性、装配的容易性等。因此，针对一个或更多个特性，被描述为不如其它实施例或现有技术实施方式的实施例并非在本公开的范围之外，并可被期望用于特定应用。

Claims (10)

1.一种车辆的牵引电池，包括：
温度补偿无源无线表面声波传感器，位于所述牵引电池内，被配置为接收广播信号并发送反射信号；
控制器，被配置为：发送所述广播信号并接收所述反射信号，还基于所述广播信号和所述反射信号之间的相位差和幅值差指示所述牵引电池内的压力增大来停止对所述牵引电池充电。
2.如权利要求1所述的牵引电池，还包括布置有平面电极的多个棱柱形电池单元，所述平面电极被布置为使得所述平面电极与所述表面声波传感器的纵轴和横轴大致平行。
3.如权利要求2所述的牵引电池，还包括位于所述牵引电池内的附加的温度补偿无源无线表面声波传感器，其中，温度补偿无源无线表面声波传感器的总数小于所述多个棱柱形电池单元的总数。
4.如权利要求3所述的牵引电池，其中，温度补偿无源无线表面声波传感器的频率被调整为基本频率，并且每个温度补偿无源无线表面声波传感器包括反射器，所述反射器被配置为按照所述基本频率根据所述广播信号产生唯一编码的反射脉冲。
5.如权利要求3所述的牵引电池，其中，每个温度补偿无源无线表面声波传感器包括反射器，所述反射器被配置为产生正交频率编码的反射信号。
6.如权利要求1所述的牵引电池，其中，温度补偿无源无线表面声波传感器包括3f0叉指换能器，其中，f0是温度补偿无源无线表面声波传感器的中心频率。
7.如权利要求1所述的牵引电池，其中，温度补偿无源无线表面声波传感器包括多个反射器，所述多个反射器的总数少于11。
8.如权利要求1所述的牵引电池，其中，温度补偿无源无线表面声波传感器被配置为具有大于100MHz的基本频率。
9.一种操作车辆中的电池的方法，包括：
通过控制器执行以下操作：
向表面声波传感器发送广播信号；
从所述表面声波传感器接收反射信号；
根据指示所述电池内的压力的所述广播信号和所述反射信号之间的差来操作所述电池。
10.一种车辆牵引电池，包括：
温度补偿无源无线表面声波传感器，位于所述牵引电池内，被配置为接收广播信号并发送反射信号；
控制器，被配置为发送所述广播信号并接收所述反射信号，还响应于指示所述牵引电池内的压力的所述广播信号和所述反射信号之间的相位差和幅值差超过阈值来停止对所述牵引电池充电。
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