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锂离子电池内部温度及热失控快速检测

方法

——交流内阻法

随着电动汽车的大规模普及，我们看到和接触到电动汽

车的机会也越来越多，但是很多人仍然对于锂离子电池的安

全性抱有怀疑的态度，其实经过多年的技术发展，锂离子电

池本身的安全性已经得到了很大的提升，其次电池包安全管

理系统，例如热失控预警系统，快速灭火装置等近年来都取

得了长足的发展，即便是锂离子电池发生安全事故，也能够

提前预警，灭火剂压制热失控蔓延，为车内乘客逃生争取到

足够的时间，确保乘客的人身和财产安全。

锂离子电池的热失控原因可以分为两大类：1）外部原

因，例如过充、外部短路、加热和机械滥用等；2）内部原

因，例如内部的缺陷（如金属杂质等），正负极材料在循环

中的衰降等。引起锂离子电池热失控的外部原因的监控比较

简单，例如监测电压、监测电池表面温度等，但是监测锂离

子电池内部原因则比较困难。近日美国约翰普金斯应用物理

实验室的RengaswamySrinivasan（第一作者，通讯作者）

等人研究发现通过监测锂离子电池内阻能够高分辨率的分

析锂离子电池内部温度的变化，在早期对锂离子电池热失控

进行预警，RengaswamySrinivasan将电池的内阻分为两个

部分：1）阻抗振幅Z；2）夹角j，RengaswamySrinivasan

的研究发现夹角j与锂离子电池的容量关系较小，但是与电

池温度具有很强的相关性，因此可以通过监测夹角j的变化

实现对锂离子电池内部温度的实时监测，从而在热失控发生

前进行预警。

上图为一个典型的锂离子电池的交流阻抗图谱，锂离子

电池的交流阻抗主要包含两部分：实数部分Z’和虚数部分

Z’’。为了便于分析，作者将阻抗的实数部分和虚数部分

整合成为了两个部分：即振幅Z=（Z’2+Z’’2）1/2，以及

Z’和Z’’之间的夹角j，因此Z’=Zcos(j)，Z’’=Zsin(j)。

其中振幅Z与锂离子电池的尺寸和容量有关，一般电池越大

Z越小，而夹角j则与电池的尺寸关系不大。这也就是说即

便是两个大小尺寸不同的电池，虽然Z值差距较大，但是夹

角j仍然具有可比性。

实验中采用的电池为两个型号，分别是来自日本汤浅的

50Ah电池和来自波士顿电池的5300型5.3Ah电池，下图为

两种电池的交流阻抗图（50%SoC），从图中能够看到阻抗的

实数部分Z’和虚数部分Z’’都与锂离子电池的容量有明

显的相关性，而夹角j则与电池的容量相关性很小，但是与

温度相关性很大，电池温度变化50℃，夹角j变化可达到

20度，因此很好的提高了通过观测夹角j测量电池内部温度

的分辨率，同时经过多年的技术进步，我们现在能够用很低

廉的成本对锂离子电池阻抗夹角j进行高分辨率（10-3）测

量，因此监测夹角j的变化是监测锂离子电池内部温度变化

的有效方法。

下图为LG的3Ah18650电池通过外部加热带加热诱发热

失控过程中的监测数据，从图中能够看到开始加热前，电池

温度14.3℃（电池表面温度），夹角j为-9.5度，将电池

加热到50℃（电池表面温度），夹角j升高到了-0.96度，

在经过240s加热后电池温度达到117℃，夹角j也升高到了

-0.79度，此时电池并没有发生热失控。又经过55s后，电

池温度进一步升高到了128℃（电池表面温度），夹角j也