监测阻抗相位移预防锂离子电池起火

锂离子电池含有高活性化学物质，燃烧的锂离子电池释放的能量大约是与其相同体积汽油的三分之一，所有这些都是由化学反应出现的。锂离子电池相关火灾可分为两大类：外部引发和内部引发。外部包括由电气“滥用”，机械滥用和热滥用，外部引起的火灾更容易监控并防止。内部是电池正极和负极中内部短路和化学物质反应的结果，这种情况难以监测或预测。此外，它们的电压变化也不会超过BMS设定的“安全”限值，到人为干预时可能为时已晚。特别是在电池组中，即使在单个锂离子电池中发生火灾，结果也可能对整个电池及其供电设备造成不利影响。溶剂和材料中含有易燃的碳氢化合物，负极含有氧化性化学物质，因此不要大气氧气来支持电池的燃烧，也就意味着电池一旦燃烧，通过隔绝氧气是无明显效果的。

电池内部的故障包括内部短路和电极材料衰退，使用电压表和电池表面安装的热传感器很难预测内部故障。用于识别阻抗微小变化的阻抗计技术正在日益成熟。这种仪器小而敏感，可以直接监测电池组件的阻抗以改善其热安全性。

在本文中美国约翰霍普金斯大学RengaswamySrinivasan教授提出了一种预测和预防锂离子电池热失控（TR）的新方法。该方法是基于电池阻抗中φ相移参数对内部温度变化敏感的原理，值得一提的是这种监测方法不受锂离子电池的大小（容量）的约束，并且监测速度只要几秒钟，可以实现实时监控。作者指出了锂离子电池的起火原因和防火方法，还简要讨论了阻抗监测方法及其在锂离子电池安全性方面的应用。最终提出通过在电池管理系统（BMS）中集成相移监视器来预测和预防TR的建议。

图1.在20℃时，53AhGSYuasa锂离子电池的阻抗（主图）;多个温度下的相移φ（插图）。5.3Ah波士顿PowerSwing5300电池在20℃时的阻抗（主图）;多个温度下的相移φ（插图）。在小容量和大容量电容中，φ随温度的变化很大：从0℃的20°到50℃的0.5°。另一方面，|Z|的变化太小。因此，φ是跟踪电池内部温度的优选可测量参数。

单元阻抗Z是一个复数，由实数Z'和虚数Z“组成。Z'和Z“可以用|Z|振幅和φ相移来表示（Z'=|Z|cos（φ），Z''=|Z|sin（φ），|Z|=[（Z'）2+（Z“）2]1/2）。|Z|对电池大小的依赖性很大，对不同容量大小的电池灵敏度有所不同。而φ则仅仅只受电池温度影响，并且测量φ非常简单。如今仪器测量φ的分辨率为10-3，而且价格便宜，因此直接φ测量比|Z|的测量具有优势。随着电池加热的进行直到发生排气，电池表面温度和电池电压没有明显变化，而φ随温度的新增从大的负值变为较小的负值。该结果证明了监测φ作为预测排气的技术的可行性。因此，φ是精确监测电池内部温度的重要参数;或者在基于BMS的控制系统中可以预测排气和灾难性电池故障。

图2.在将3AhLGHG218650电池加热至热失控期间的相移φ（两图的加热方式左为环绕式加热，右为贴片式加热）与电池加热几何形状无关，在初始电池排气前几乎一分钟观察到φ的显著变化。

当电池充电或放电时，基于阻抗测量的技术具有快速且无创的优点。具有相位计和Ecv监视器的BMS的尺寸小功率低，可以在每个单元中跟踪φ和Tint，而不会新增巨大的成本负担。φ和Tint监测可以在BMS中帮助调节和优化充电速率以匹配电池中的单个电池，同时还可以定位单个降级的电池，并最终新增有用的电池寿命。最重要的是，它可以防止与电池放空和热失控相关的灾难性事件。