锂离子电池内部温度及热失控快速检测方法——交流内阻法

随着电动汽车的大规模普及，我们看到和接触到电动汽车的机会也越来越多，但是很多人仍然对于锂离子电池的安全性抱有怀疑的态度，其实经过多年的技术发展，锂离子电池本身的安全性已经得到了很大的提升，其次电池包安全管理系统，例如热失控预警系统，快速灭火装置等近年来都取得了长足的发展，即便是锂离子电池发生安全事故，也能够提前预警，灭火剂压制热失控蔓延，为车内乘客逃生争取到足够的时间，确保乘客的人身和财产安全。

锂离子电池的热失控原因可以分为两大类：1）外部原因，例如过充、外部短路、加热和机械滥用等；2）内部原因，例如内部的缺陷（如金属杂质等），正负极材料在循环中的衰降等。引起锂离子电池热失控的外部原因的监控比较简单，例如监测电压、监测电池表面温度等，但是监测锂离子电池内部原因则比较困难。近日美国约翰普金斯应用物理实验室的Rengaswamy Srinivasan（第一作者，通讯作者）等人研究发现通过监测锂离子电池内阻能够高分辨率的分析锂离子电池内部温度的变化，在早期对锂离子电池热失控进行预警，Rengaswamy Srinivasan将电池的内阻分为两个部分：1）阻抗振幅Z；2）夹角j，Rengaswamy Srinivasan的研究发现夹角j与锂离子电池的容量关系较小，但是与电池温度具有很强的相关性，因此可以通过监测夹角j的变化实现对锂离子电池内部温度的实时监测，从而在热失控发生前进行预警。

上图为一个典型的锂离子电池的交流阻抗图谱，锂离子电池的交流阻抗主要包含两部分：实数部分Z’和虚数部分Z’’。为了便于分析，作者将阻抗的实数部分和虚数部分整合成为了两个部分：即振幅Z=（Z’2+Z’’2）1/2，以及Z’和Z’’之间的夹角j，因此Z’=Z cos(j)，Z’’=Z sin(j)。其中振幅Z与锂离子电池的尺寸和容量有关，一般电池越大Z越小，而夹角j则与电池的尺寸关系不大。这也就是说即便是两个大小尺寸不同的电池，虽然Z值差距较大，但是夹角j仍然具有可比性。

实验中采用的电池为两个型号，分别是来自日本汤浅的50Ah电池和来自波士顿电池的5300型5.3Ah电池，下图为两种电池的交流阻抗图（50%SoC），从图中能够看到阻抗的实数部分Z’和虚数部分Z’’都与锂离子电池的容量有明显的相关性，而夹角j则与电池的容量相关性很小，但是与温度相关性很大，电池温度变化50℃，夹角j变化可达到20度，因此很好的提高了通过观测夹角j测量电池内部温度的分辨率，同时经过多年的技术进步，我们现在能够用很低廉的成本对锂离子电池阻抗夹角j进行高分辨率（10-3）测量，因此监测夹角j的变化是监测锂离子电池内部温度变化的有效方法。

下图为LG的3Ah18650电池通过外部加热带加热诱发热失控过程中的监测数据，从图中能够看到开始加热前，电池温度14.3℃（电池表面温度），夹角j为-9.5度，将电池加热到50℃（电池表面温度），夹角j升高到了-0.96度，在经过240s加热后电池温度达到117℃，夹角j也升高到了-0.79度，此时电池并没有发生热失控。又经过55s后，电池温度进一步升高到了128℃（电池表面温度），夹角j也迅速降低到-2.9度，表明此时电池内部的温度开始有所降低（这可能是内部隔膜开始融化吸收了部分热量）。随后60s左右电池发生泄漏和喷发，电池外表温度持续升高，而此时夹角j却在不断降低，表明由于电池气体泄漏带走了部分热量，引起电池内部温度下降，但是尽管电池内部温度在持续变化，在电池表面温度上完全没有体现出来，而锂离子电池的电压在电池泄漏喷发之前则几乎没有波动，这表明相对于监测锂离子电池的表面温度和电压，监测夹角j是一个更为有效的预警锂离子电池热失控方法。

长久以来监测锂离子电池内部温度的变化就是一件非常具有挑战性的事情，为了监测锂离子电池内部的温度人们也相出了非常多的方法，例如我们之前曾经报道过的电池内部置入光纤的方式对电池的SoC和温度等状态进行监控（为锂离子电池装上智慧眼睛），也有通过模型方法对锂离子电池内部的温度进行预测（热失控中锂离子电池核心温度变化），但是这些方法要么采用的设备过于庞大和复杂，要么计算过于复杂因此很难在车载BMS上实现，而RengaswamySrinivasan采用的方法则通过简单的对锂离子电池在某个频率范围内的阻抗进行测量，得到夹角j的值就能够对锂离子电池的内部温度进行高分辨率的监测，大大提高了其实用价值，对于在线监测动力电池内部温度的变化和热失控的预警具有重要的实用价值。