锂离子电池内部温度监测与电池早期预警技术.docx

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1、锂离子电池内部温度监测与电池早期预警技术锂离子电池在便携式电子产品、储能电站和电动汽车等领域得到了广泛的应用。然而，在电池容量不断上升的同时，锂离子电池的热失控风险也在增加，进而带来安全问题。现有的电池管理系统通过监测电池表面温度以及端电压来判断电池的健康状况。但是研究发现由于电池组件的多层结构和较差的导热性，电池内部温度、气体等很难散发到外部，导致对电池表面温度等外部信号的监测存在时效性差的问题。因此人们尝试直接监测电池内部温度、压力、应变和气体等信号的变化情况，实现及时预警电池热失控，增强锂离子电池在不同应用场景下的安全性。本文以锂离子电池为研究对象，介绍了电池内部温度特性，内部温度的测量

2、方法，最后，对电池内部温度测量及电池管理做出未来展望。1、电池内部温度特性锂离子电池内部的温度特性对其性能、寿命和安全性有着至关重要的影响。在理想的工作状态下，锂离子电池的最佳温度范围是15C到40C,温差不应超过5。Co电池内部温度的不均匀分布会导致电池性能下降，甚至引发热失控或爆炸。当温度过低，比如低于T0C时，电池的容量、功率和循环寿命会显著降低。电池在充放电过程中会产生多种热量，包括可逆反应热、欧姆热、极化热和副反应热，这些热量的产生主要受电池内阻和充电电流的影响，低温环境下，电池内部的锂离子扩散系数降低，电荷转移阻抗增加，导致电池充放电效率下降。高温也会对电池造成损害，导致循环寿命和

3、容量逐渐降低。在高温条件下，电池内部可能发生剧烈的化学反应，产生大量热量，若热量无法及时散发，可能会导致电池漏液、放气、冒烟，甚至发生燃烧和爆炸。因此，理解和监测锂离子电池内部的温度特性对于电池的健康管理和安全运行至关重要。2、电池内部温度测量方法1、电化学阻抗谱电化学阻抗谱(ElS)是一种无损的参数测定和有效的电池动力学行为测定方法，可以监测内阻、电荷转移电阻、双层电容和扩散等参数。同时，ElS能够在一定程度上避免使用表面温度传感器时出现的传热延迟难题，是一种非破坏性、非侵入性技术。基于电池阻抗特性进行温度估计的方法被众多专家研究，通过建立阻抗特征参数与内部温度之间的关系,使用特征参数如阻抗

4、幅值和阻抗相角进行温度估计,不过该方法需要依靠阻抗在线测量装置进行车载应用，仍需进行改进。相较于表面温度监测，ElS能更早检测到热失控的发生。但是目前EIS设备存在体积较大、成本高等问题，难以大规模使用。-4-1000100200300400500Time/s06Qp700annUo/almEdlulot=oOoooooooOooooooo8765432162840628403322211UJ。z-0a)z-OCl图相移和表面温度在热失控过程中的变化情况2、光纤传感器光纤传感器具有灵活性，体积小，重量轻，高温和高压生存能力强，耐化学性，无导电性和抗电磁干扰的特点。同时光纤传感器是将光信号的许多

5、特征参数(如波长、强度、相位、极化状态等)与温度、应力、压力和折射率等因素相关联，这些与电池监测的信号密切相关。因此，光纤传感器在监测电池内部信号预警电池热失控中具有良好的应用前景。光纤布拉格光栅(Fiberbragggrating,FBG)作为一种前景广阔的传感单元，现已广泛用于监测电池内外的温度和应变。光纤布拉格光栅传感器不仅可以嵌入电池中测量热行为，还可以附着在每个电池的表面，实现对电池组温度和应变的分布式测量。随着光纤传感器的发展，基于光频域反射(OFDR)的高分辨率全光纤分布式传感器已被用于电池的应变和温度监测。FBG传感器的波长变化不仅受到锂电池内部温度的影响，其内部压力也会造成传

6、感器的输出波长发生变化。因此，使用FBG测量温度时，必须解决应力耦合的影响，有必要在实际测量中将应变与温度解耦，FBG的植入也会对锂电池内部造成机械侵入，导致锂电池内部发生凸起。因此，需要合理选择内部温度传感器，确保传感器在工作时的机械可靠性、化学稳定性和测量准确性，同时设计传感器保护装置避免极片凸起。3、内置式传感器将传感器植入到电池内部可以及时监测到电池的异常情况，为热失控的快速检测提供了有效的解决方案。但是由于电池内部的恶劣环境，想要将传感器植入传感器内部，还存在一些挑战：内置的传感器必须对化学侵蚀和高温有足够的耐受性。有效绝缘，避免阳极、阴极和传感器之间发生短路。对锂电池短期性能和长期

7、退化的影响较小。商业传感器植入在电极和隔膜之间，导致循环性能大大恶化,存在潜在的安全问题。与电池工艺兼容。可靠和安全的密封是内置式传感器长期使用的主要挑战。(1)热阻式温度传感器热阻器件主要利用电阻对温度的依赖性，不同温度下半导体的温度不同。实时测量内部温度较为困难，但是测量结果要比电池表面温度快速且准确。目前人们已经尝试了许多方法来减少传感器对电池结构及容量的影响，避免电池内部环境对传感器的腐蚀以及减小对电池容量影响，并实现了对电池内部多点温度的测量。（2）热电偶热电偶是简单而坚固的传感器，具有响应快、灵敏度高、尺寸小、成本低、测量范围宽（高达1200。C）等优点。商业化和实验室制造的热电偶

8、已植入电池中，用于测量单点、分布式内部温度。下表总结了当前锂离子电池的内部信号监测技术的优缺点。EIS分析方法能够更精确地监测电池内部温度的变化，但其测试设备较大且操作步骤复杂，在实际应用中存在困难。内置式温度、应变、压力及气体传感器都可以得到电池内部的准确信号，其中内置式温度传感器可以实现对电池内部温度多点测量。但是内置式传感器监测技术作为一种入侵式监测方法，其嵌入方法仍需继续优化。表锂离子电池的内部信号监测技术的优缺点监测技术优点缺点无需乂杂硬件即可懵浦电池内部M度：热失控愤测储度离：在未能快速仃效地监泅火中电池：由于不同的也离子电池系统我值涮电池状态.jBMS无缝合用抗参数不同.校准过程

9、史杂：渊试仪器较大，成本较商内It式3度传感器11（接提供准确的电池内部温度,实现电池热失冷精准懵泅热阻式温度传感器监濯温度葩阚较低：热电偈响应时间较长;光纤传感器时电池包装要求较高Il斯受叼曲和振动的膨响内置式应变传盛器马受I扰：HlW的应变传感器会破坏电池结构为快速准确分析阳极材料、内部应变分布、胫犍尺寸等因索对L旧8安全性的影响媒供/tftfl电池的荷电状奇、工作温度等因素都公影响电池内部气田,内置式限力传感器时监清电池内部气压的变化,对f/M电池的皱康状况具“由现仃的AVk监泅装Jl体枳牧氏.W刖困嬉要意义无法值测电池的状杳；潜在的传怨器故障，如气体交叉干扰和气体传要器中,热失控检测精

10、度高、速度快：冏於可行、易F实现、成本低：内置式气体传聘器易于与BMS接Il连接：可以探元电池内部气体翁i化行为为判断电池副反应提供依梃3、未来研究展望未来的研究可以从以下几方面入手，以实现及时精准监测电池内部信号并预警热失控:可以采用多个传感器创建一个检测系统，其中单个传感器的缺点被抵消，提高监测技术在复杂应用环境中的可靠性。某公司成功推出了自主可控的基于多物理参数数据融合和先进人工智能算法的锂电池热失控监测传感器，其创新地采用压力、VoC、CO、CO2、温度多物理参数做数据融合，采用先进人工智能神经网络算法，设计了一款具有边缘计算能力的锂电池热失控传感器，该传感器具有快速、准确、可靠、应用广泛等优点。将内部信号监测技术与人工智能算法相结合是实现精准预警电池热失控的发展趋势。另外，还应提高监测技术本身的抗干扰性，降低算法的复杂程度。开发能够植入电池内部，并能克服电磁屏蔽效应实现无线传输的传感器，对电池健康状态的监测有着重要意义。气体信号在热失控过程中最早被检测到，开发微型室温工作的气体传感器，如MEMS光激发气体传感器，可以为涉及LIBS的应用提供准确的预警信号。