監(jiān)測(cè)阻抗相位移預(yù)防鋰離子電池起火

鋰離子電池含有高活性化學(xué)物質(zhì)，燃燒的鋰離子電池釋放的能量大約是與其相同體積汽油的三分之一，所有這些都是由化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。鋰離子電池相關(guān)火災(zāi)可分為兩大類：外部引發(fā)和內(nèi)部引發(fā)。外部包括由電氣“濫用”，機(jī)械濫用和熱濫用，外部引起的火災(zāi)更容易監(jiān)控并避免。內(nèi)部是電池正極和負(fù)極中內(nèi)部短路和化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)的結(jié)果，這種情況難以監(jiān)測(cè)或預(yù)測(cè)。此外，它們的電壓變化也不會(huì)超過BMS設(shè)定的“安全”限值，到人為干預(yù)時(shí)可能為時(shí)已晚。特別是在電池組中，即使在單個(gè)鋰離子電池中發(fā)生火災(zāi)，結(jié)果也可能對(duì)整個(gè)電池及其供電設(shè)備造成不利影響。溶劑和材料中含有易燃的碳?xì)浠衔铮?fù)極含有氧化性化學(xué)物質(zhì)，因此不需要大氣氧氣來(lái)支持電池的燃燒，也就意味著電池一旦燃燒，通過隔絕氧氣是無(wú)明顯效果的。

電池內(nèi)部的故障包括內(nèi)部短路和電極材料衰退，使用電壓表和電池表面安裝的熱傳感器很難預(yù)測(cè)內(nèi)部故障。用于識(shí)別阻抗微小變化的阻抗計(jì)技術(shù)正在日益成熟。這種儀器小而敏感，可以直接監(jiān)測(cè)電池組件的阻抗以改善其熱安全性。

在本文中美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)Rengaswamy Srinivasan教授提出了一種預(yù)測(cè)和預(yù)防鋰離子電池?zé)崾Э兀═R）的新方法。該方法是基于電池阻抗中φ相移參數(shù)對(duì)內(nèi)部溫度變化敏感的原理，值得一提的是這種監(jiān)測(cè)方法不受鋰離子電池的大?。ㄈ萘浚┑募s束，并且監(jiān)測(cè)速度只需要幾秒鐘，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。作者指出了鋰離子電池的起火原因和防火方法，還簡(jiǎn)要討論了阻抗監(jiān)測(cè)方法及其在鋰離子電池安全性方面的應(yīng)用。最終提出通過在電池管理系統(tǒng)（BMS）中集成相移監(jiān)視器來(lái)預(yù)測(cè)和預(yù)防TR的建議。

圖1. 在20℃時(shí)，53 Ah GS Yuasa 鋰離子電池的阻抗（主圖）; 多個(gè)溫度下的相移φ（插圖）。 5.3 Ah波士頓PowerSwing 5300電池在20℃時(shí)的阻抗（主圖）; 多個(gè)溫度下的相移φ（插圖）。在小容量和大容量電容中，φ隨溫度的變化很大：從0℃的20°到50℃的0.5°。 另一方面，| Z |的變化太小。因此，φ是跟蹤電池內(nèi)部溫度的優(yōu)選可測(cè)量參數(shù)。

單元阻抗Z是一個(gè)復(fù)數(shù)，由實(shí)數(shù)Z'和虛數(shù)Z“組成。Z'和Z“可以用| Z |振幅和φ相移來(lái)表示（Z'= | Z | cos（φ），Z''=| Z | sin（φ），| Z | = [（Z'）2+（Z“）2] 1/2）。| Z |對(duì)電池大小的依賴性很大，對(duì)不同容量大小的電池靈敏度有所不同。而φ則僅僅只受電池溫度影響，并且測(cè)量φ非常簡(jiǎn)單。如今儀器測(cè)量φ的分辨率為10-3，而且價(jià)格便宜，因此直接φ測(cè)量比| Z |的測(cè)量具有優(yōu)勢(shì)。隨著電池加熱的進(jìn)行直到發(fā)生排氣，電池表面溫度和電池電壓沒有明顯變化，而φ隨溫度的增加從大的負(fù)值變?yōu)檩^小的負(fù)值。該結(jié)果證明了監(jiān)測(cè)φ作為預(yù)測(cè)排氣的技術(shù)的可行性。因此，φ是精確監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部溫度的重要參數(shù);或者在基于BMS的控制系統(tǒng)中可以預(yù)測(cè)排氣和災(zāi)難性電池故障。

圖2.在將3 Ah LG HG218650電池加熱至熱失控期間的相移φ（兩圖的加熱方式左為環(huán)繞式加熱，右為貼片式加熱）與電池加熱幾何形狀無(wú)關(guān)，在初始電池排氣前幾乎一分鐘觀察到φ的顯著變化。

當(dāng)電池充電或放電時(shí)，基于阻抗測(cè)量的技術(shù)具有快速且無(wú)創(chuàng)的優(yōu)點(diǎn)。具有相位計(jì)和Ecv監(jiān)視器的BMS的尺寸小功率低，可以在每個(gè)單元中跟蹤φ和Tint，而不會(huì)增加巨大的成本負(fù)擔(dān)。φ和Tint監(jiān)測(cè)可以在BMS中幫助調(diào)節(jié)和優(yōu)化充電速率以匹配電池中的單個(gè)電池，同時(shí)還可以定位單個(gè)降級(jí)的電池，并最終增加有用的電池壽命。最重要的是，它可以防止與電池放空和熱失控相關(guān)的災(zāi)難性事件。

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