中國儲能網(wǎng)訊：23日下午的會議專場主題為“動力電池安全和梯次利用”，千人計劃專家和浙江省特聘專家、英國華威大學博士王偉力在會上發(fā)表了題為“動力電池系統(tǒng)實時故障檢修及安全保障”的演講。
千人計劃專家和浙江省特聘專家、英國華威大學博士王偉力
電動汽車資源網(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，我主要講演的是關于如何加強電池系統(tǒng)的安全性問題，但是角度略微有點不同。上面這個大標題有點大，實際上如果落實到第二排小標題，從實時的檢測角度講，我們怎么樣來對系統(tǒng)進行實時的監(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。匯報內(nèi)容大概是分成三個部分。
第一個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)是不是在一個正常狀態(tài)下有很大的偏差。
第二個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)生的問題實際往往造成一點嚴重的后果，比如說粘連，在運行過程當中該斷的時候不斷，整個汽車的壽命下降，這些都會影響安全這一塊。
第三個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，之后能相應地采取一些動作，對整個電池包進行滅火裝置的觸發(fā)，或者是報警讓人員趕快撤離。
我們根據(jù)電池組的阻抗定義，實際上是電流和電壓之間、電流和電池之間的關系。這里面包括幾個分量，一個是電池系統(tǒng)自身的極化，這個部分跟電池組是相關的；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，給電池加一個交流信號的電流，這個電流的頻率是由高到低掃過去的，這個電流的損失很小，對電池里面的平衡沒有太大的破壞。我們說如果這個頻率是從高頻，比如說一千赫茲掃過去到0.01赫茲，每一個頻率下面有一個阻抗，如果把每個頻率的阻抗通過一個圖展示出來的話就形成了這么一個圖象，如果我們用交流信號對電池進行阻抗測算的話，是因為這個阻抗是輔阻抗，現(xiàn)在我這個橫坐標是實度，縱坐標是虛度，我們知道通過一個輔助的表達，最基本的表達是這個膜和線來表達一個輔助，這在業(yè)界都有一個普遍的大家都認同的基本秩序。當頻率比較高的時候，一千的交流信號，這個時候測電壓，這兩個信號計算出來的阻抗圖，最高的一千赫茲，這個時候?qū)嶋H得到的阻抗幾乎是一個實度，這一點被行業(yè)廣泛使用。
電池的交流內(nèi)阻，在行業(yè)里面有一個測試標準，在一千赫茲的情況下所看到的一個電阻，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赫茲的時候，在這個頻率上面的輔助阻抗就不再是一個實數(shù)了，是一個虛數(shù)，這一塊產(chǎn)生了一個角，象角。這兩個信號的比值就是這個A，在電化學行業(yè)里面，純實數(shù)的阻抗，通常反應的電芯內(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，對這個中頻端這個阻抗，或者是這個極化來自于電池正負極材料的反應速度，如果說這個阻抗的膜越大，同時這個象角越大，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，百分之一赫茲的時候，曲線就有一個直線形成的，在電池里面又把這一端低頻端濃差極化，這一點的大小實際是反應了電池內(nèi)部，比如說在充電過程，電池內(nèi)部鋰離子從負極表面向負極的材料里面滲透的過程，如果濃差極化越大，這個滲透的過程就越慢，這是一個典型的對單體電池阻抗的普遍解釋。
如果用一個等效電路模型描述這個過程，一個是歐姆極化，我們通?？吹降碾娏?，這個電流是短路的，所以我測到的就是這個電阻，這里面有一個法拉第計劃和濃差極化，當頻率信號逐漸降低的時候，電流就要經(jīng)過這個，所以后面顯示出來阻抗的變化，通過這里面電化學專家已經(jīng)把這個過程分析的比較透了，這個是大家都認可的一個基本的常識。
那現(xiàn)在我們能不能根據(jù)這個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，就沒有標準的半圓形，大致規(guī)律是這樣的。如果我們不看這些細節(jié)，單從基本的概念分析，實際上我們還可以有相同的推論，一個推論就是說我對電池阻做阻抗分析的話，高頻阻抗在這個頻率下電流和電壓是同向的，這個阻抗一定是反應我整個電池組物理連接產(chǎn)生的電流，這里面包括電纜，包括焊接點，包括組織，包括電池的局部的歐姆內(nèi)阻，總之是一個電流電壓之間沒有相對差的一個阻抗。
通常我們做電池模塊的時候也要用阻抗劑測這個，放到電池包的正負極兩端看讀數(shù)。如果隨著掃描頻率逐漸的降低，大約是5赫茲左右，我實際也能通過我上述的方法測出阻抗，這個電流和電壓不再是同向的了，電壓要滯后于電流。這個如果我們按照剛剛的分析，應該是電池所有的電芯它的電化學極化造成阻抗綜合的效果，因為你要是存在電流阻抗肯定不會有電力差，如果有這個的話就不會有象差，那就不是純電流造成的，一定是電化學體系產(chǎn)生的象差，這個是大家認可的，整個電池包所有的電芯串到一塊之后，產(chǎn)生的一個綜合的濃差極化。
這幾個阻抗如果把它推演，使用到幾個數(shù)據(jù)，高頻點A點連接電阻，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，另外一個中頻B點，φ小于0，對于大功率的放電過程有影響，因為電流電壓有一個相對差，如果電壓相對差是90度的話，實際輸出的功率是φ等于0的，這個時候電池實際輸出的功率，由于電化學極化造成的。低頻C點就是濃差極化，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。
這個是一個電流元，電池的正負極有一個測量電路，我給出一個電流的激勵信號，有一個測量，電路測量出來電池電壓信號，這種根據(jù)實際做的有幾種方法，就是測量剛剛說的，一種是時域瞬態(tài)電流脈沖激勵檢測，這種是大家會用到的，有時候我要區(qū)分交流阻抗和直流電阻差別的時候，通常我們國家也有規(guī)定，就是說用時域瞬態(tài)脈沖電流法進行檢測，第二個方法就是正弦激勵+頻域鎖相測量，第三個方法就是偽隨機二進制序列號（PRBS），電流激勵+時域響應快速傅里葉變換（FFT），第一種和第二種方法是很困難的，尤其是交變電源實現(xiàn)出來都比較難，因為電壓高，電流就相應的比較大。
我下面的這個是電流激勵，最后這個電流脈沖有多高呢？一格是0.11秒，這個是按照國家的相關標準做的，這個時候得到一個電壓的曲線，在我電流瞬間加上的時候，這個時候有一個V1的電壓的增量，這個增量你看是和電流同步的，所以這個V1一定是由于電池的歐姆阻抗導致產(chǎn)生的，那隨著曲線上升之后產(chǎn)生了一個電壓V2，有一個標準的公式，V2除以電流的輔值，就被標準定義為直流阻抗，把這個電流撤下來電壓有緩慢的恢復過程，能提取很多有用的信息，恢復過程的快慢或者是長短實際和電池的擴散能力密切相關的。
還有一種就是對單體做的，用交流阻抗法做的，我用一個一千赫茲的電流信號得到了上面的電壓信號，這兩個信號它的相差是兩零，所以在兩個頻率下對應的電阻是歐姆電阻，如果再做一個頻率的，5赫茲的情況下做出兩個信號，一個是電流激勵信號，一個是電壓的信號，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際是挺困難的，因為我要求激勵信號一定得是跟容量有匹配的關系，容量大激勵信號就得大，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，這個是什么呢？隨機二進制序列，這種激勵信號就兩種，就兩個值，或者是在這個里面充電或者是放電狀態(tài)，為什么叫隨機呢？每個從充電到放電切換是隨機的，包括寬度都是隨機的，這個信號需要認真設計，我這個信號滿足一個什么統(tǒng)計規(guī)律呢？這個激勵信號自相關函數(shù)在等于0的時候一定是很大的值，如果把這個電流信號加入到電池組的話，在這個電池組得到了一個響應曲線，在底下的開關信號上，電池電壓有一個上面的過程。
我的這個電池組，是一個電阻一個負載，給一個電流元，上面用一個開關，如果電流大的話是一個電子開關，充電放電按照某一個設計好的電路進行切換，測量電路就得到剛剛我給出的曲線，這個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，而且我做的時候也是很容易就實現(xiàn)的，所以很容易把它推廣到更大的一個容量的電池包上，根據(jù)這個方法就設計激勵信號，讓它滿足我需要的統(tǒng)計規(guī)律，第二個記錄電流電壓采樣數(shù)據(jù)，第三個對V、I數(shù)據(jù)針對特征頻率做快速傅里葉變換（FFT），最后計算比值。
剛剛講的統(tǒng)計特性設計好的電流輸入，有甚么特點呢？電流隨機信號，如果滿足統(tǒng)計規(guī)律設計好的話，這個傅里葉變換是不做的，這邊是一個乘數(shù)，所以說對電壓采下來在頻率點上做傅里葉變換，就能夠得到在特征頻率點上的阻抗。那現(xiàn)在我就想這個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頻率，高頻中頻和低頻，在這三個頻率下對正常狀態(tài)下的電池進行參數(shù)的參考測量，正常下就是我認為電池剛剛出廠，是幾個標準狀態(tài)，把后面的定時起動測試程序，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準值進行對比，測值超過100%了就做出一個判斷，如果超過200%了就做出一個判斷，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信號，主控就是控制一個信號發(fā)射器測量電流信號和控制電流發(fā)射器可以完成，也可以單獨做模塊放到高壓盒里面，通過看到的正極負極進行測量。
這個就是剛剛那組數(shù)據(jù)算出來的結(jié)果。通過這個判斷電池的誤差標準超過值的，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正確的信號，對接觸器的變阻進行測量，整車的電源的負載，這邊是接觸器，這樣我實際通過這個電路不斷判斷接觸器有沒有狀態(tài)，比如說粘連，該合的時候不合，可以判斷這種狀態(tài)，同時根據(jù)阻抗的分布，測量的阻抗和阻抗分布圖預報這個接觸器是不是及時更換了？這個我可以給出一個很重要的預報信息，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，或者是隔一段時間更換？為什么這一塊采用交流測量方法呢？這里面這個電流是正常工作的電流，這個電流是測試電流，這兩個電流實際上是互相之間沒有干擾的。
這個是我們設計了一款智能的高壓盒上面，另外就是看一個和電池熱失控緊密相關的，就是鋰離子電池使用環(huán)境參數(shù)策略，實際上我要是以測量熱失控為目的，這個參數(shù)測量應該測量哪些參數(shù)控制熱失控？比如說現(xiàn)在溫度是測的，大家都認可這個溫度，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)進行測量。很難通過溫度，盡管是溫度的值非常有價值，判斷熱失控，至少應該是電池的表面的溫度，你要是環(huán)境的溫度隔兩米遠，肯定相關性就幾乎沒有什么了。
實際應用也是，監(jiān)測鋰離子熱失控的作用不大，由于只是一個離散的極點，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？因為這個溫度參數(shù)實在對熱失控的判斷太有關系了，所以考慮的就是用一種光纖傳感器測量這個溫度，大概是這么一個物理結(jié)構(gòu)，纖心和包層，外面是防護層，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光的通訊，如果包層的折射率小于這個芯的折射率這個光就跑出去了，這個就不通光了，能不能用這種方法做一個簡易的成本很低廉的，作為保護的溫度開關呢？
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？因為這個的折射率是芯的折射率，這個是外皮的折射率，在這個階段之前都滿足光纖通訊的基本條件，因為我這個橫軸是溫度，如果隨著溫度的變化到250度了，這個時候光就不在這個地方折射了，射出來之后順著這個表面，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，這個時候光跑出來了，我這個光纖已經(jīng)不起到通光作用了，如果我這么設想也在做這個實驗的話，我用這個光纖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電芯的溫度一下達到這個度了，那肯定在這個溫度下這個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候一個光源，如果多個光纖的話可以是一般的MED光源，如果這個光纖在繞完以后發(fā)現(xiàn)這個光纖不通光了，起碼至少知道光纖在路徑里面有一點溫度已經(jīng)達到了，起動報警機制，所以說這一塊對光纖溫度有傳感，就是開關性能，特點就不知道這個溫度點在哪，但是我知道至少有一點已經(jīng)達到了溫度的臨界點了。
實際在做熱監(jiān)控的時候使用還是比合適的，因為這個的話，這個臨界點就是感應溫度，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)在正在做這個實驗，不同溫度下的高溫的也可以做，但是這個弄到電池包上很有意義，這樣你在布置的時候不要擔心短路的問題，同時光的測量又和電測量完全不相關的，互相之間沒有干擾的問題，這是一個要解決的問題。
另外一個漏液傳感，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)進行的話，整個的安全閥打開，可能就自然想到如何用電液傳感器，因為電液材料的話有幾種典型的電液的配方，都是高分子材料，做這種傳感器無論是電化學和半導體學的都不是很大的困難，但是傳感器有一個壽命的問題，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，是一個難題，所以這一塊就做了一款半導體傳感器，基本上底下一個氧化鋁的加熱基地，大概2個微米后，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，半導體一般用氧化，攙雜一些微量的系統(tǒng)元素，在這個里面有壽命的問題，我們采取一個新的工藝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就是犧牲了一些靈敏度。
因為剛剛通過上邊我們看到，這種里面的電液成分變化非常大，像EC的話長度都是90度，如何通過這個常數(shù)測量揮發(fā)的氣體，但我們會發(fā)現(xiàn)這個靈敏度會有變化，但是滿足電池包的需要是很重要的，謝謝大家！
