中國儲能網(wǎng)訊：23日下午的會議專場主題為“動(dòng)力電池安全和梯次利用”，千人計(jì)劃專家和浙江省特聘專家、英國華威大學(xué)博士王偉力在會上發(fā)表了題為“動(dòng)力電池系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障檢修及安全保障”的演講。
千人計(jì)劃專家和浙江省特聘專家、英國華威大學(xué)博士王偉力
電動(dòng)汽車資源網(wǎng)整理王偉力博士演講主要內(nèi)容如下：
各位嘉賓好，剛剛幾位嘉賓的講演引人入勝，講了很多關(guān)于鋰離子電池的熱失控問題，解答了很多的疑惑，我主要講演的是關(guān)于如何加強(qiáng)電池系統(tǒng)的安全性問題，但是角度略微有點(diǎn)不同。上面這個(gè)大標(biāo)題有點(diǎn)大，實(shí)際上如果落實(shí)到第二排小標(biāo)題，從實(shí)時(shí)的檢測角度講，我們怎么樣來對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，如何檢測熱失控的前期狀態(tài)，這里主要集中在檢測方法與檢測原理上。匯報(bào)內(nèi)容大概是分成三個(gè)部分。
第一個(gè)是鋰離子電池組的阻抗分析和故障判斷。主要從檢測的手段角度講如何在線提取電池包的一些參數(shù)。通過這些參數(shù)來判斷電池系統(tǒng)是不是在一個(gè)正常狀態(tài)下有很大的偏差。
第二個(gè)就是通過新的檢測手段來判斷高壓大功率的接觸器，如何檢測接觸器的狀態(tài)和壽命。接觸器看起來簡單，但是實(shí)際上發(fā)生問題的幾率也是很大的。尤其是接觸器發(fā)生的問題實(shí)際往往造成一點(diǎn)嚴(yán)重的后果，比如說粘連，在運(yùn)行過程當(dāng)中該斷的時(shí)候不斷，整個(gè)汽車的壽命下降，這些都會影響安全這一塊。
第三個(gè)就是鋰離子電池組熱失控狀態(tài)的監(jiān)測。主要是探討不同的傳感器來如何更接近熱失控狀態(tài)，及早地發(fā)現(xiàn)熱失控，之后能相應(yīng)地采取一些動(dòng)作，對整個(gè)電池包進(jìn)行滅火裝置的觸發(fā)，或者是報(bào)警讓人員趕快撤離。
我們根據(jù)電池組的阻抗定義，實(shí)際上是電流和電壓之間、電流和電池之間的關(guān)系。這里面包括幾個(gè)分量，一個(gè)是電池系統(tǒng)自身的極化，這個(gè)部分跟電池組是相關(guān)的；另外一部分是電池組特殊對象來說，這里面又有阻抗來自于電池承組的過程，比如說電纜等等。
交流阻抗，是用掃平的方法，給電池加一個(gè)交流信號的電流，這個(gè)電流的頻率是由高到低掃過去的，這個(gè)電流的損失很小，對電池里面的平衡沒有太大的破壞。我們說如果這個(gè)頻率是從高頻，比如說一千赫茲掃過去到0.01赫茲，每一個(gè)頻率下面有一個(gè)阻抗，如果把每個(gè)頻率的阻抗通過一個(gè)圖展示出來的話就形成了這么一個(gè)圖象，如果我們用交流信號對電池進(jìn)行阻抗測算的話，是因?yàn)檫@個(gè)阻抗是輔阻抗，現(xiàn)在我這個(gè)橫坐標(biāo)是實(shí)度，縱坐標(biāo)是虛度，我們知道通過一個(gè)輔助的表達(dá)，最基本的表達(dá)是這個(gè)膜和線來表達(dá)一個(gè)輔助，這在業(yè)界都有一個(gè)普遍的大家都認(rèn)同的基本秩序。當(dāng)頻率比較高的時(shí)候，一千的交流信號，這個(gè)時(shí)候測電壓，這兩個(gè)信號計(jì)算出來的阻抗圖，最高的一千赫茲，這個(gè)時(shí)候?qū)嶋H得到的阻抗幾乎是一個(gè)實(shí)度，這一點(diǎn)被行業(yè)廣泛使用。
電池的交流內(nèi)阻，在行業(yè)里面有一個(gè)測試標(biāo)準(zhǔn)，在一千赫茲的情況下所看到的一個(gè)電阻，差不多就是交流內(nèi)阻，18650的電池內(nèi)阻一般是在10幾個(gè)毫安左右?，F(xiàn)在隨著頻率逐漸由低向高變化，頻率變化5赫茲的時(shí)候，在這個(gè)頻率上面的輔助阻抗就不再是一個(gè)實(shí)數(shù)了，是一個(gè)虛數(shù)，這一塊產(chǎn)生了一個(gè)角，象角。這兩個(gè)信號的比值就是這個(gè)A，在電化學(xué)行業(yè)里面，純實(shí)數(shù)的阻抗，通常反應(yīng)的電芯內(nèi)部存的物理連接，比如說焊接啊，包括阻力，包括電液的阻力，對這個(gè)中頻端這個(gè)阻抗，或者是這個(gè)極化來自于電池正負(fù)極材料的反應(yīng)速度，如果說這個(gè)阻抗的膜越大，同時(shí)這個(gè)象角越大，電池反映速度就越差，如果頻率再往下走，由高往低走，走到十分之一赫茲，百分之一赫茲的時(shí)候，曲線就有一個(gè)直線形成的，在電池里面又把這一端低頻端濃差極化，這一點(diǎn)的大小實(shí)際是反應(yīng)了電池內(nèi)部，比如說在充電過程，電池內(nèi)部鋰離子從負(fù)極表面向負(fù)極的材料里面滲透的過程，如果濃差極化越大，這個(gè)滲透的過程就越慢，這是一個(gè)典型的對單體電池阻抗的普遍解釋。
如果用一個(gè)等效電路模型描述這個(gè)過程，一個(gè)是歐姆極化，我們通常看到的電力，這個(gè)電流是短路的，所以我測到的就是這個(gè)電阻，這里面有一個(gè)法拉第計(jì)劃和濃差極化，當(dāng)頻率信號逐漸降低的時(shí)候，電流就要經(jīng)過這個(gè)，所以后面顯示出來阻抗的變化，通過這里面電化學(xué)專家已經(jīng)把這個(gè)過程分析的比較透了，這個(gè)是大家都認(rèn)可的一個(gè)基本的常識。
那現(xiàn)在我們能不能根據(jù)這個(gè)概念把單體電池的這些阻抗的能，映射上成阻之后的電池，也是18650做的，大概是30串的規(guī)模，就沒有標(biāo)準(zhǔn)的半圓形，大致規(guī)律是這樣的。如果我們不看這些細(xì)節(jié)，單從基本的概念分析，實(shí)際上我們還可以有相同的推論，一個(gè)推論就是說我對電池阻做阻抗分析的話，高頻阻抗在這個(gè)頻率下電流和電壓是同向的，這個(gè)阻抗一定是反應(yīng)我整個(gè)電池組物理連接產(chǎn)生的電流，這里面包括電纜，包括焊接點(diǎn)，包括組織，包括電池的局部的歐姆內(nèi)阻，總之是一個(gè)電流電壓之間沒有相對差的一個(gè)阻抗。
通常我們做電池模塊的時(shí)候也要用阻抗劑測這個(gè)，放到電池包的正負(fù)極兩端看讀數(shù)。如果隨著掃描頻率逐漸的降低，大約是5赫茲左右，我實(shí)際也能通過我上述的方法測出阻抗，這個(gè)電流和電壓不再是同向的了，電壓要滯后于電流。這個(gè)如果我們按照剛剛的分析，應(yīng)該是電池所有的電芯它的電化學(xué)極化造成阻抗綜合的效果，因?yàn)槟阋谴嬖陔娏髯杩箍隙ú粫须娏Σ?，如果有這個(gè)的話就不會有象差，那就不是純電流造成的，一定是電化學(xué)體系產(chǎn)生的象差，這個(gè)是大家認(rèn)可的，整個(gè)電池包所有的電芯串到一塊之后，產(chǎn)生的一個(gè)綜合的濃差極化。
這幾個(gè)阻抗如果把它推演，使用到幾個(gè)數(shù)據(jù)，高頻點(diǎn)A點(diǎn)連接電阻，相位角就是等于0，就是歐姆定律了，主要是焊接+電纜電阻構(gòu)成的，另外一個(gè)中頻B點(diǎn)，φ小于0，對于大功率的放電過程有影響，因?yàn)殡娏麟妷河幸粋€(gè)相對差，如果電壓相對差是90度的話，實(shí)際輸出的功率是φ等于0的，這個(gè)時(shí)候電池實(shí)際輸出的功率，由于電化學(xué)極化造成的。低頻C點(diǎn)就是濃差極化，相位角φ小于0，通常的充電或者是放電的過程是起到控制作用的。
這個(gè)是一個(gè)電流元，電池的正負(fù)極有一個(gè)測量電路，我給出一個(gè)電流的激勵(lì)信號，有一個(gè)測量，電路測量出來電池電壓信號，這種根據(jù)實(shí)際做的有幾種方法，就是測量剛剛說的，一種是時(shí)域瞬態(tài)電流脈沖激勵(lì)檢測，這種是大家會用到的，有時(shí)候我要區(qū)分交流阻抗和直流電阻差別的時(shí)候，通常我們國家也有規(guī)定，就是說用時(shí)域瞬態(tài)脈沖電流法進(jìn)行檢測，第二個(gè)方法就是正弦激勵(lì)+頻域鎖相測量，第三個(gè)方法就是偽隨機(jī)二進(jìn)制序列號（PRBS），電流激勵(lì)+時(shí)域響應(yīng)快速傅里葉變換（FFT），第一種和第二種方法是很困難的，尤其是交變電源實(shí)現(xiàn)出來都比較難，因?yàn)殡妷焊撸娏骶拖鄳?yīng)的比較大。
我下面的這個(gè)是電流激勵(lì)，最后這個(gè)電流脈沖有多高呢？一格是0.11秒，這個(gè)是按照國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做的，這個(gè)時(shí)候得到一個(gè)電壓的曲線，在我電流瞬間加上的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候有一個(gè)V1的電壓的增量，這個(gè)增量你看是和電流同步的，所以這個(gè)V1一定是由于電池的歐姆阻抗導(dǎo)致產(chǎn)生的，那隨著曲線上升之后產(chǎn)生了一個(gè)電壓V2，有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的公式，V2除以電流的輔值，就被標(biāo)準(zhǔn)定義為直流阻抗，把這個(gè)電流撤下來電壓有緩慢的恢復(fù)過程，能提取很多有用的信息，恢復(fù)過程的快慢或者是長短實(shí)際和電池的擴(kuò)散能力密切相關(guān)的。
還有一種就是對單體做的，用交流阻抗法做的，我用一個(gè)一千赫茲的電流信號得到了上面的電壓信號，這兩個(gè)信號它的相差是兩零，所以在兩個(gè)頻率下對應(yīng)的電阻是歐姆電阻，如果再做一個(gè)頻率的，5赫茲的情況下做出兩個(gè)信號，一個(gè)是電流激勵(lì)信號，一個(gè)是電壓的信號，就能看到在電壓小的明顯滯后于電流，如果你想測很多的頻率，你就得做下去。像這兩種方法實(shí)際對單體電池做起來比較容易，對電池組幾百伏，電池組容量都上百的話實(shí)際是挺困難的，因?yàn)槲乙蠹?lì)信號一定得是跟容量有匹配的關(guān)系，容量大激勵(lì)信號就得大，幾十安至少上百安能夠做出比較漂亮的結(jié)果。
還有一組是串聯(lián)方法，這個(gè)是什么呢？隨機(jī)二進(jìn)制序列，這種激勵(lì)信號就兩種，就兩個(gè)值，或者是在這個(gè)里面充電或者是放電狀態(tài)，為什么叫隨機(jī)呢？每個(gè)從充電到放電切換是隨機(jī)的，包括寬度都是隨機(jī)的，這個(gè)信號需要認(rèn)真設(shè)計(jì)，我這個(gè)信號滿足一個(gè)什么統(tǒng)計(jì)規(guī)律呢？這個(gè)激勵(lì)信號自相關(guān)函數(shù)在等于0的時(shí)候一定是很大的值，如果把這個(gè)電流信號加入到電池組的話，在這個(gè)電池組得到了一個(gè)響應(yīng)曲線，在底下的開關(guān)信號上，電池電壓有一個(gè)上面的過程。
我的這個(gè)電池組，是一個(gè)電阻一個(gè)負(fù)載，給一個(gè)電流元，上面用一個(gè)開關(guān)，如果電流大的話是一個(gè)電子開關(guān)，充電放電按照某一個(gè)設(shè)計(jì)好的電路進(jìn)行切換，測量電路就得到剛剛我給出的曲線，這個(gè)在電池組測量上面沒有什么障礙，無論是成本，還是器件選擇上面沒有太多的問題，而且我做的時(shí)候也是很容易就實(shí)現(xiàn)的，所以很容易把它推廣到更大的一個(gè)容量的電池包上，根據(jù)這個(gè)方法就設(shè)計(jì)激勵(lì)信號，讓它滿足我需要的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，第二個(gè)記錄電流電壓采樣數(shù)據(jù)，第三個(gè)對V、I數(shù)據(jù)針對特征頻率做快速傅里葉變換（FFT），最后計(jì)算比值。
剛剛講的統(tǒng)計(jì)特性設(shè)計(jì)好的電流輸入，有甚么特點(diǎn)呢？電流隨機(jī)信號，如果滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律設(shè)計(jì)好的話，這個(gè)傅里葉變換是不做的，這邊是一個(gè)乘數(shù)，所以說對電壓采下來在頻率點(diǎn)上做傅里葉變換，就能夠得到在特征頻率點(diǎn)上的阻抗。那現(xiàn)在我就想這個(gè)測量方法用到我對電池的評估上，事先對電池的特性選出三個(gè)頻率，高頻中頻和低頻，在這三個(gè)頻率下對正常狀態(tài)下的電池進(jìn)行參數(shù)的參考測量，正常下就是我認(rèn)為電池剛剛出廠，是幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，把后面的定時(shí)起動(dòng)測試程序，比如說一天兩天或者是一周，把測的參數(shù)通過相對的值的公式和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，測值超過100%了就做出一個(gè)判斷，如果超過200%了就做出一個(gè)判斷，總之是拿電池的良好狀態(tài)作為參比。
像這種是先有幾種方法，一種是現(xiàn)有的管理系統(tǒng)，比如說測量一些電池組的響應(yīng)信號，主控就是控制一個(gè)信號發(fā)射器測量電流信號和控制電流發(fā)射器可以完成，也可以單獨(dú)做模塊放到高壓盒里面，通過看到的正極負(fù)極進(jìn)行測量。
這個(gè)就是剛剛那組數(shù)據(jù)算出來的結(jié)果。通過這個(gè)判斷電池的誤差標(biāo)準(zhǔn)超過值的，可以對電池發(fā)生的問題做大體的判斷和使用限制。同樣的檢測方法還用到了接觸器檢測，這里面我同樣給一個(gè)正確的信號，對接觸器的變阻進(jìn)行測量，整車的電源的負(fù)載，這邊是接觸器，這樣我實(shí)際通過這個(gè)電路不斷判斷接觸器有沒有狀態(tài)，比如說粘連，該合的時(shí)候不合，可以判斷這種狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)阻抗的分布，測量的阻抗和阻抗分布圖預(yù)報(bào)這個(gè)接觸器是不是及時(shí)更換了？這個(gè)我可以給出一個(gè)很重要的預(yù)報(bào)信息，來提示使用者這部分是不是能繼續(xù)地使用，或者是馬上更換，或者是隔一段時(shí)間更換？為什么這一塊采用交流測量方法呢？這里面這個(gè)電流是正常工作的電流，這個(gè)電流是測試電流，這兩個(gè)電流實(shí)際上是互相之間沒有干擾的。
這個(gè)是我們設(shè)計(jì)了一款智能的高壓盒上面，另外就是看一個(gè)和電池?zé)崾Э鼐o密相關(guān)的，就是鋰離子電池使用環(huán)境參數(shù)策略，實(shí)際上我要是以測量熱失控為目的，這個(gè)參數(shù)測量應(yīng)該測量哪些參數(shù)控制熱失控？比如說現(xiàn)在溫度是測的，大家都認(rèn)可這個(gè)溫度，溫度過高肯定有問題，另外就是電液泄漏，如果我要是從安全角度講這種濕度，壓力可能要做環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量。很難通過溫度，盡管是溫度的值非常有價(jià)值，判斷熱失控，至少應(yīng)該是電池的表面的溫度，你要是環(huán)境的溫度隔兩米遠(yuǎn)，肯定相關(guān)性就幾乎沒有什么了。
實(shí)際應(yīng)用也是，監(jiān)測鋰離子熱失控的作用不大，由于只是一個(gè)離散的極點(diǎn)，正好碰到電池什么事兒都沒有，我們現(xiàn)在怎么能做到使熱失控的角度講改善溫度測量呢？因?yàn)檫@個(gè)溫度參數(shù)實(shí)在對熱失控的判斷太有關(guān)系了，所以考慮的就是用一種光纖傳感器測量這個(gè)溫度，大概是這么一個(gè)物理結(jié)構(gòu)，纖心和包層，外面是防護(hù)層，通常是通訊用的光纖都是這邊射出去從另外一端出來，基本的原理就是光在這個(gè)里面是折射的傳遞，絕對不會出去，這里面滿足必要的條件，就是說包層的折射率一定要大于芯的折射率才能滿足這個(gè)光的通訊，如果包層的折射率小于這個(gè)芯的折射率這個(gè)光就跑出去了，這個(gè)就不通光了，能不能用這種方法做一個(gè)簡易的成本很低廉的，作為保護(hù)的溫度開關(guān)呢？
光纖材料折射率的曲線，比如說第一組，在100度到250度之間都能夠滿足通光作用，為什么呢？因?yàn)檫@個(gè)的折射率是芯的折射率，這個(gè)是外皮的折射率，在這個(gè)階段之前都滿足光纖通訊的基本條件，因?yàn)槲疫@個(gè)橫軸是溫度，如果隨著溫度的變化到250度了，這個(gè)時(shí)候光就不在這個(gè)地方折射了，射出來之后順著這個(gè)表面，如果再把溫度升高的話，外層的折射率已經(jīng)小于芯的折射率，這個(gè)時(shí)候光跑出來了，我這個(gè)光纖已經(jīng)不起到通光作用了，如果我這么設(shè)想也在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的話，我用這個(gè)光纖5米長的光纖，這種特性之后，我把它繞到所有的電池組里面，盡量地和所有的電池電芯能相連如果一個(gè)電芯的溫度一下達(dá)到這個(gè)度了，那肯定在這個(gè)溫度下這個(gè)光就在這里露出來了，就不再通光了，說明光纖這一面使用的時(shí)候一個(gè)光源，如果多個(gè)光纖的話可以是一般的MED光源，如果這個(gè)光纖在繞完以后發(fā)現(xiàn)這個(gè)光纖不通光了，起碼至少知道光纖在路徑里面有一點(diǎn)溫度已經(jīng)達(dá)到了，起動(dòng)報(bào)警機(jī)制，所以說這一塊對光纖溫度有傳感，就是開關(guān)性能，特點(diǎn)就不知道這個(gè)溫度點(diǎn)在哪，但是我知道至少有一點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了溫度的臨界點(diǎn)了。
實(shí)際在做熱監(jiān)控的時(shí)候使用還是比合適的，因?yàn)檫@個(gè)的話，這個(gè)臨界點(diǎn)就是感應(yīng)溫度，完全取決于芯，和外皮之間的折射率，比如說電池傳感溫度，200度，我通過選擇材料的方法就選擇200度，做一條200度的光纖，現(xiàn)在正在做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，不同溫度下的高溫的也可以做，但是這個(gè)弄到電池包上很有意義，這樣你在布置的時(shí)候不要擔(dān)心短路的問題，同時(shí)光的測量又和電測量完全不相關(guān)的，互相之間沒有干擾的問題，這是一個(gè)要解決的問題。
另外一個(gè)漏液傳感，尤其是18650的電池，熱失控這一塊一定是先斷開，如果熱失控繼續(xù)進(jìn)行的話，整個(gè)的安全閥打開，可能就自然想到如何用電液傳感器，因?yàn)殡娨翰牧系脑捰袔追N典型的電液的配方，都是高分子材料，做這種傳感器無論是電化學(xué)和半導(dǎo)體學(xué)的都不是很大的困難，但是傳感器有一個(gè)壽命的問題，本身會中毒，如何把傳感器壽命做的足夠長而且做的穩(wěn)定，是一個(gè)難題，所以這一塊就做了一款半導(dǎo)體傳感器，基本上底下一個(gè)氧化鋁的加熱基地，大概2個(gè)微米后，通常的傳感器是沒有上面這一層的，在這里做一些調(diào)整，對氣體的選擇性，半導(dǎo)體一般用氧化，攙雜一些微量的系統(tǒng)元素，在這個(gè)里面有壽命的問題，我們采取一個(gè)新的工藝1微米左右的篩狀的陶瓷層覆蓋到加熱基底上面唯一的差一點(diǎn)就是犧牲了一些靈敏度。
因?yàn)閯倓偼ㄟ^上邊我們看到，這種里面的電液成分變化非常大，像EC的話長度都是90度，如何通過這個(gè)常數(shù)測量揮發(fā)的氣體，但我們會發(fā)現(xiàn)這個(gè)靈敏度會有變化，但是滿足電池包的需要是很重要的，謝謝大家！
