監測阻抗相位移預防鋰離子電池起火

鋰離子電池含有高活性化學物質，燃燒的鋰離子電池釋放的能量大約是與其相同體積汽油的三分之一，所有這些都是由化學反應產生的。鋰離子電池相關火災可分為兩大類：外部引發和內部引發。外部包括由電氣“濫用”，機械濫用和熱濫用，外部引起的火災更容易監控并避免。內部是電池正極和負極中內部短路和化學物質反應的結果，這種情況難以監測或預測。此外，它們的電壓變化也不會超過BMS設定的“安全”限值，到人為干預時可能為時已晚。特別是在電池組中，即使在單個鋰離子電池中發生火災，結果也可能對整個電池及其供電設備造成不利影響。溶劑和材料中含有易燃的碳氫化合物，負極含有氧化性化學物質，因此不需要大氣氧氣來支持電池的燃燒，也就意味著電池一旦燃燒，通過隔絕氧氣是無明顯效果的。

電池內部的故障包括內部短路和電極材料衰退，使用電壓表和電池表面安裝的熱傳感器很難預測內部故障。用于識別阻抗微小變化的阻抗計技術正在日益成熟。這種儀器小而敏感，可以直接監測電池組件的阻抗以改善其熱安全性。

在本文中美國約翰霍普金斯大學Rengaswamy Srinivasan教授提出了一種預測和預防鋰離子電池熱失控（TR）的新方法。該方法是基于電池阻抗中φ相移參數對內部溫度變化敏感的原理，值得一提的是這種監測方法不受鋰離子電池的大小（容量）的約束，并且監測速度只需要幾秒鐘，可以實現實時監控。作者指出了鋰離子電池的起火原因和防火方法，還簡要討論了阻抗監測方法及其在鋰離子電池安全性方面的應用。最終提出通過在電池管理系統（BMS）中集成相移監視器來預測和預防TR的建議。

圖1. 在20℃時，53 Ah GS Yuasa 鋰離子電池的阻抗（主圖）; 多個溫度下的相移φ（插圖）。 5.3 Ah波士頓PowerSwing 5300電池在20℃時的阻抗（主圖）; 多個溫度下的相移φ（插圖）。在小容量和大容量電容中，φ隨溫度的變化很大：從0℃的20°到50℃的0.5°。 另一方面，| Z |的變化太小。因此，φ是跟蹤電池內部溫度的優選可測量參數。

單元阻抗Z是一個復數，由實數Z'和虛數Z“組成。Z'和Z“可以用| Z |振幅和φ相移來表示（Z'= | Z | cos（φ），Z''=| Z | sin（φ），| Z | = [（Z'）2+（Z“）2] 1/2）。| Z |對電池大小的依賴性很大，對不同容量大小的電池靈敏度有所不同。而φ則僅僅只受電池溫度影響，并且測量φ非常簡單。如今儀器測量φ的分辨率為10-3，而且價格便宜，因此直接φ測量比| Z |的測量具有優勢。隨著電池加熱的進行直到發生排氣，電池表面溫度和電池電壓沒有明顯變化，而φ隨溫度的增加從大的負值變為較小的負值。該結果證明了監測φ作為預測排氣的技術的可行性。因此，φ是精確監測電池內部溫度的重要參數;或者在基于BMS的控制系統中可以預測排氣和災難性電池故障。

圖2.在將3 Ah LG HG218650電池加熱至熱失控期間的相移φ（兩圖的加熱方式左為環繞式加熱，右為貼片式加熱）與電池加熱幾何形狀無關，在初始電池排氣前幾乎一分鐘觀察到φ的顯著變化。

當電池充電或放電時，基于阻抗測量的技術具有快速且無創的優點。具有相位計和Ecv監視器的BMS的尺寸小功率低，可以在每個單元中跟蹤φ和Tint，而不會增加巨大的成本負擔。φ和Tint監測可以在BMS中幫助調節和優化充電速率以匹配電池中的單個電池，同時還可以定位單個降級的電池，并最終增加有用的電池壽命。最重要的是，它可以防止與電池放空和熱失控相關的災難性事件。

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