隨著電動汽車的大規模普及, 我們看到和接觸到電動汽車的機會也越來越多, 但是很多人仍然對於鋰離子電池的安全性抱有懷疑的態度, 其實經過多年的技術發展, 鋰離子電池本身的安全性已經得到了很大的提升, 其次電池包安全管理系統, 例如熱失控預警系統, 快速滅火裝置等近年來都取得了長足的發展, 即便是鋰離子電池發生安全事故, 也能夠提前預警, 滅火劑壓制熱失控蔓延, 為車內乘客逃生爭取到足夠的時間, 確保乘客的人身和財產安全.
鋰離子電池的熱失控原因可以分為兩大類: 1) 外部原因, 例如過充, 外部短路, 加熱和機械濫用等; 2) 內部原因, 例如內部的缺陷 (如金屬雜質等) , 正負極材料在迴圈中的衰降等. 引起鋰離子電池熱失控的外部原因的監控比較簡單, 例如監測電壓, 監測電池表面溫度等, 但是監測鋰離子電池內部原因則比較困難. 近日美國約翰普金斯應用物理實驗室的Rengaswamy Srinivasan (第一作者, 通訊作者) 等人研究發現通過監測鋰離子電池內阻能夠高解析度的分析鋰離子電池內部溫度的變化, 在早期對鋰離子電池熱失控進行預警, Rengaswamy Srinivasan將電池的內阻分為兩個部分: 1) 阻抗振幅Z; 2) 夾角j, Rengaswamy Srinivasan的研究發現夾角j與鋰離子電池的容量關係較小, 但是與電池溫度具有很強的相關性, 因此可以通過監測夾角j的變化實現對鋰離子電池內部溫度的即時監測, 從而在熱失控發生前進行預警.
上圖為一個典型的鋰離子電池的交流阻抗圖譜, 鋰離子電池的交流阻抗主要包含兩部分: 實數部分Z' 和虛數部分Z' ' . 為了便於分析, 作者將阻抗的實數部分和虛數部分整合成為了兩個部分: 即振幅Z= (Z' 2+Z' ' 2) 1/2, 以及Z' 和Z' ' 之間的夾角j, 因此Z' =Z cos(j), Z' ' =Z sin(j). 其中振幅Z與鋰離子電池的尺寸和容量有關, 一般電池越大Z越小, 而夾角j則與電池的尺寸關係不大. 這也就是說即便是兩個大小尺寸不同的電池, 雖然Z值差距較大, 但是夾角j仍然具有可比性.
實驗中採用的電池為兩個型號, 分別是來自日本湯淺的50Ah電池和來自波士頓電池的5300型5.3Ah電池, 下圖為兩種電池的交流阻抗圖 (50%SoC) , 從圖中能夠看到阻抗的實數部分Z' 和虛數部分Z' ' 都與鋰離子電池的容量有明顯的相關性, 而夾角j則與電池的容量相關性很小, 但是與溫度相關性很大, 電池溫度變化50℃, 夾角j變化可達到20度, 因此很好的提高了通過觀測夾角j測量電池內部溫度的解析度, 同時經過多年的技術進步, 我們現在能夠用很低廉的成本對鋰離子電池阻抗夾角j進行高解析度 (10-3) 測量, 因此監測夾角j的變化是監測鋰離子電池內部溫度變化的有效方法.
下圖為LG的3Ah18650電池通過外部加熱帶加熱誘發熱失控過程中的監測數據, 從圖中能夠看到開始加熱前, 電池溫度14.3℃ (電池表面溫度) , 夾角j為-9.5度, 將電池加熱到50℃ (電池表面溫度) , 夾角j升高到了-0.96度, 在經過240s加熱後電池溫度達到117℃, 夾角j也升高到了-0.79度, 此時電池並沒有發生熱失控. 又經過55s後, 電池溫度進一步升高到了128℃ (電池表面溫度) , 夾角j也迅速降低到-2.9度, 表明此時電池內部的溫度開始有所降低 (這可能是內部隔膜開始融化吸收了部分熱量) . 隨後60s左右電池發生泄漏和噴發, 電池外表溫度持續升高, 而此時夾角j卻在不斷降低, 表明由於電池氣體泄漏帶走了部分熱量, 引起電池內部溫度下降, 但是儘管電池內部溫度在持續變化, 在電池表面溫度上完全沒有體現出來, 而鋰離子電池的電壓在電池泄漏噴發之前則幾乎沒有波動, 這表明相對於監測鋰離子電池的表面溫度和電壓, 監測夾角j是一個更為有效的預警鋰離子電池熱失控方法.
長久以來監測鋰離子電池內部溫度的變化就是一件非常具有挑戰性的事情, 為了監測鋰離子電池內部的溫度人們也相出了非常多的方法, 例如我們之前曾經報道過的電池內部置入光纖的方式對電池的SoC和溫度等狀態進行監控 (為鋰離子電池裝上智慧眼睛) , 也有通過模型方法對鋰離子電池內部的溫度進行預測 (熱失控中鋰離子電池核心溫度變化) , 但是這些方法要麼採用的設備過於龐大和複雜, 要麼計算過於複雜因此很難在車載BMS上實現, 而RengaswamySrinivasan採用的方法則通過簡單的對鋰離子電池在某個頻率範圍內的阻抗進行測量, 得到夾角j的值就能夠對鋰離子電池的內部溫度進行高解析度的監測, 大大提高了其實用價值, 對於線上監測動力電池內部溫度的變化和熱失控的預警具有重要的實用價值.
