【電池管理】關(guān)于鋰離子電池內(nèi)部溫度測量與分析

引言

隨著電池性能的提升，大容量、高比能的電池高速發(fā)展，為保證電池穩(wěn)定工作和可靠管理，需要精準(zhǔn)測量其工作過程中的參量。作為電池安全狀態(tài)的重要表征參量，溫度同時(shí)在壽命預(yù)測、熱失控預(yù)警、熱管理決策等多個(gè)層面起著關(guān)鍵作用。電池技術(shù)隨時(shí)代而不斷更新迭代，電池監(jiān)測裝置也不斷改進(jìn)提升（圖1），不過，直接測量電池內(nèi)部溫度仍存在重重困難，傳統(tǒng)的通過大型實(shí)驗(yàn)裝置來探測鋰電池內(nèi)部溫度的方法無法實(shí)現(xiàn)車載應(yīng)用，而通過直接植入光纖/去除部分活性材料的方法會導(dǎo)致電池的極片凸起、活性材料損傷和電化學(xué)性能損傷，并且無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。本文以鋰離子電池為研究對象，介紹了電池內(nèi)部溫度特性，介紹內(nèi)部溫度的測量方法及相關(guān)應(yīng)用。最后，對電池內(nèi)部溫度測量及電池管理做出未來展望。

圖1 電池傳感發(fā)展歷程

鋰離子電池內(nèi)部溫度

作為電池使用過程中表征電池安全狀態(tài)最直接、最有效的參數(shù)指標(biāo)，電池內(nèi)部溫度的原位監(jiān)測是電池管理的一個(gè)重要輸入。目前，大多數(shù)商用電池管理系統(tǒng)都依賴于電池的表面溫度測量，然而，由于電池內(nèi)部產(chǎn)生熱量，相較于表面排熱，內(nèi)部溫度高于表面溫度。因此，準(zhǔn)確的內(nèi)部溫度監(jiān)測方法對于提高電池的安全和健康至關(guān)重要。

鋰離子電池內(nèi)部溫度的變化主要來源于其內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，包括化學(xué)反應(yīng)（如電解質(zhì)與電極的反應(yīng)）、熱分解（電解質(zhì)在一定溫度下分解）、電阻熱（電流通過內(nèi)部阻抗產(chǎn)生的熱量）、活性物質(zhì)的焓變等復(fù)雜因素，它們共同作用導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度變化。內(nèi)部溫度是一個(gè)重要的老化加速器，影響電池容量和功率特性。一些常見老化效應(yīng)包括鍍鋰層、SEI膜生長、可循環(huán)鋰的損失和顆粒裂紋。此外，當(dāng)內(nèi)部產(chǎn)熱過多導(dǎo)致溫度過高時(shí)，熱失控、排氣、火災(zāi)或爆炸等安全危險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)更高。

另外，內(nèi)部溫度是電池?zé)峁芾碇械闹匾笜?biāo)。當(dāng)電池溫度過高時(shí)會破壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，引發(fā)熱失控，發(fā)生燃燒、爆炸等風(fēng)險(xiǎn)；電池溫度過低時(shí)，電池容量降低，會產(chǎn)生析鋰等危害。因此，對電池的內(nèi)部溫度進(jìn)行有效監(jiān)測可以提前規(guī)避損傷電池事故發(fā)生。

內(nèi)部溫度測量

3.1 電化學(xué)阻抗譜

電化學(xué)阻抗譜(EIS)是一種無損的參數(shù)測定和有效的電池動力學(xué)行為測定方法，可以監(jiān)測內(nèi)阻、電荷轉(zhuǎn)移電阻、雙層電容和擴(kuò)散等參數(shù)。同時(shí)，EIS能夠在一定程度上避免使用表面溫度傳感器時(shí)出現(xiàn)的傳熱延遲難題，是一種非破壞性、非侵入性技術(shù)。

基于電池阻抗特性進(jìn)行溫度估計(jì)的方法被眾多專家研究，通過建立阻抗特征參數(shù)與內(nèi)部溫度之間的關(guān)系，使用特征參數(shù)如阻抗幅值和阻抗相角進(jìn)行溫度估計(jì)，不過該方法需要依靠阻抗在線測量裝置進(jìn)行車載應(yīng)用，仍需進(jìn)行改進(jìn)。Dong Peng等人利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）對電池溫度和變形的相關(guān)性來生成具有三個(gè)頻率范圍內(nèi)的三個(gè)指標(biāo)的兩階段警告方法，但是阻抗測量耗時(shí)較長。Srinivasan等人基于電阻隨溫度變化的影響提出了在特定頻率下電化學(xué)阻抗的相位角與內(nèi)部溫度之間的相關(guān)性，對于LiCoO2電池，40至100Hz之間的頻率對溫度變化高度敏感，同時(shí)對荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）的變化不敏感。由于電池SOC和SOH會對EIS曲線造成不可忽計(jì)的影響，如何在保證模型精度的同時(shí)縮短測量時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部溫度的高精確預(yù)估，成為限制該方法的難題。

3.2 光纖傳感器

光纖傳感器具有體積小、可復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，已成為實(shí)現(xiàn)對每個(gè)電池單元進(jìn)行多參數(shù)分布式監(jiān)測的理想工具。光纖布拉格光柵（Fiber bragg grating，F(xiàn)BG）作為一種前景廣闊的傳感單元，現(xiàn)已廣泛用于監(jiān)測電池內(nèi)外的溫度和應(yīng)變，如圖2（c）所示。光纖布拉格光柵傳感器不僅可以嵌入電池中測量熱行為，還可以附著在每個(gè)電池的表面，實(shí)現(xiàn)對電池組溫度和應(yīng)變的分布式測量。隨著光纖傳感器的發(fā)展，基于光頻域反射（OFDR）的高分辨率全光纖分布式傳感器已被用于電池的應(yīng)變和溫度監(jiān)測，如圖2（a）、（b）所示。

FBG傳感器的波長變化不僅受到鋰電池內(nèi)部溫度的影響，其內(nèi)部壓力也會造成傳感器的輸出波長發(fā)生變化。因此，使用FBG測量溫度時(shí)，必須解決應(yīng)力耦合的影響。Huang等[68]通過將松散排列的直徑為150μm的單模FBG光纖傳感器插入到18650電池的卷芯中間來排除應(yīng)變的耦合效應(yīng)。Sommer等通過在鋰離子電池表面安裝兩個(gè)平行的FBG傳感器排列來測量補(bǔ)償應(yīng)變，其中一個(gè)與電池剛性粘合，而另一個(gè)用導(dǎo)熱劑松散地粘合。因此，考慮到FBG傳感器的交叉敏感性問題，有必要在實(shí)際測量中將應(yīng)變與溫度解耦，F(xiàn)BG的植入也會對鋰電池內(nèi)部造成機(jī)械侵入，導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部發(fā)生凸起。因此，需要合理選擇內(nèi)部溫度傳感器，確保傳感器在工作時(shí)的機(jī)械可靠性、化學(xué)穩(wěn)定性和測量準(zhǔn)確性，同時(shí)設(shè)計(jì)傳感器保護(hù)裝置避免極片凸起。

圖2 光纖傳感器的應(yīng)用（a）OFDR原理（b）OFDR植入電池（c）FBG植入18650電池

3.3 植入式薄膜傳感器

隨著電池技術(shù)發(fā)展，體積較大的傳統(tǒng)傳感設(shè)備逐漸難以適用，如何在保證其性能的基礎(chǔ)上縮小傳感器并植入進(jìn)電池內(nèi)部，成為科研人員的一道難題，由此，薄膜傳感器應(yīng)運(yùn)而生。

由于傳感器是柔性的，且電阻與溫度和應(yīng)變有關(guān)，因此這種耦合效應(yīng)可能會影響測量的準(zhǔn)確性。Parekh等利用內(nèi)阻溫度檢測器對鋰電池內(nèi)部溫度進(jìn)行原位測量并實(shí)現(xiàn)對熱失控時(shí)電池內(nèi)部溫度的探測。Joe等將薄膜式熱敏電阻植入到18650電池內(nèi)部空腔和軟包電池負(fù)極與隔膜間的中部位置，發(fā)現(xiàn)這種植入會造成電池的容量損失，提高鋰沉積風(fēng)險(xiǎn)，如圖3（a）。ZHU等[76]開發(fā)了一種將多點(diǎn)RTD傳感器與電極集成的新方法，通過刮除電極表面部分活性材料并安裝薄膜RTD，從而在不破壞電池內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對電池內(nèi)部多點(diǎn)溫度的準(zhǔn)確測量，如圖3（b）。Martiny等利用電容耦合效應(yīng)研發(fā)了一種可將信號進(jìn)行無線傳輸?shù)臒犭娮鑲鞲衅?，使用?shù)字傳輸方案和相應(yīng)的組件，提供多個(gè)溫度傳感器的可靠且快速的數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 植入式薄膜傳感器的應(yīng)用（a）圓柱電池（b）軟包電池

未來展望和電池管理

鋰離子電池是當(dāng)前電動汽車和儲能裝置的核心組件，電池大型化帶來的電池內(nèi)溫度分布不均勻性增加為電池管理提出了新的難題。電池內(nèi)部溫度的精確測量是實(shí)現(xiàn)壽命預(yù)測、熱失控預(yù)警、熱管理決策等多個(gè)層面的關(guān)鍵之處，制約電池內(nèi)部溫度分布監(jiān)測的難點(diǎn)在于鋰離子電池疊片/卷繞等分布式特征及其內(nèi)部復(fù)雜的電化學(xué)環(huán)境，這些都阻礙了傳感器的無損植入和精確測量。同時(shí)傳感器與電池制造工藝的兼容性和耐腐蝕性仍欠缺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，大部分的技術(shù)仍然局限于實(shí)驗(yàn)階段，不具有普適性。

未來，鋰離子電池發(fā)展的方向應(yīng)該是高比能、大型化，電池內(nèi)部溫度的傳感信息，特別是大容量單體內(nèi)部的信息，在電池管理和熱失控預(yù)警中的價(jià)值逐漸被挖掘。下一階段新型的傳感器植入方法應(yīng)著重于在無損或低損傷的前提下，通過精準(zhǔn)監(jiān)測電池內(nèi)部溫度，映射于高/低溫管理、常規(guī)工況管理、大倍率充放電管理、安全管理等方面（如圖4），有效揭示鋰離子電池?zé)崃W(xué)失效的機(jī)理，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和優(yōu)化新型鋰離子電池并實(shí)現(xiàn)智能電池管理提供重要依據(jù)。

圖4 智能電池管理

END

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