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!