9月23日，“2016中国新能源汽车动力电池产业技术发展高峰论坛暨车企与动力电池企业技术交流会”在张家港盛大召开。本届会议由电动汽车资源网携同江苏天鹏电源有限公司联合张家港市发展和改革委员会、张家港市科技局共同举办，来自政府主管部门、行业权威专家学者、新能源整车企业、动力电池产业链企业、检测机构等，共计600余位业界精英齐聚一堂，共同探讨“重构新能源汽车动力电池产业生态”问题。
23日下午的会议专场主题为“动力电池安全和梯次利用”，千人计划专家和浙江省特聘专家、英国华威大学博士王伟力在会上发表了题为“动力电池系统实时故障检修及安全保障”的演讲。
千人计划专家和浙江省特聘专家、英国华威大学博士王伟力
电动汽车资源网整理王伟力博士演讲主要内容如下：
各位嘉宾好，刚刚几位嘉宾的讲演引人入胜，讲了很多关于锂离子电池的热失控问题，解答了很多的疑惑，我主要讲演的是关于如何加强电池系统的安全性问题，但是角度略微有点不同。上面这个大标题有点大，实际上如果落实到第二排小标题，从实时的检测角度讲，我们怎么样来对系统进行实时的监测，如何检测热失控的前期状态，这里主要集中在检测方法与检测原理上。汇报内容大概是分成三个部分。
第一个是锂离子电池组的阻抗分析和故障判断。主要从检测的手段角度讲如何在线提取电池包的一些参数。通过这些参数来判断电池系统是不是在一个正常状态下有很大的偏差。
第二个就是通过新的检测手段来判断高压大功率的接触器，如何检测接触器的状态和寿命。接触器看起来简单，但是实际上发生问题的几率也是很大的。尤其是接触器发生的问题实际往往造成一点严重的后果，比如说粘连，在运行过程当中该断的时候不断，整个汽车的寿命下降，这些都会影响安全这一块。
第三个就是锂离子电池组热失控状态的监测。主要是探讨不同的传感器来如何更接近热失控状态，及早地发现热失控，之后能相应地采取一些动作，对整个电池包进行灭火装置的触发，或者是报警让人员赶快撤离。
我们根据电池组的阻抗定义，实际上是电流和电压之间、电流和电池之间的关系。这里面包括几个分量，一个是电池系统自身的极化，这个部分跟电池组是相关的；另外一部分是电池组特殊对象来说，这里面又有阻抗来自于电池承组的过程，比如说电缆等等。
交流阻抗，是用扫平的方法，给电池加一个交流信号的电流，这个电流的频率是由高到低扫过去的，这个电流的损失很小，对电池里面的平衡没有太大的破坏。我们说如果这个频率是从高频，比如说一千赫兹扫过去到0.01赫兹，每一个频率下面有一个阻抗，如果把每个频率的阻抗通过一个图展示出来的话就形成了这么一个图象，如果我们用交流信号对电池进行阻抗测算的话，是因为这个阻抗是辅阻抗，现在我这个横坐标是实度，纵坐标是虚度，我们知道通过一个辅助的表达，最基本的表达是这个膜和线来表达一个辅助，这在业界都有一个普遍的大家都认同的基本秩序。当频率比较高的时候，一千的交流信号，这个时候测电压，这两个信号计算出来的阻抗图，最高的一千赫兹，这个时候实际得到的阻抗几乎是一个实度，这一点被行业广泛使用。
电池的交流内阻，在行业里面有一个测试标准，在一千赫兹的情况下所看到的一个电阻，差不多就是交流内阻，18650的电池内阻一般是在10几个毫安左右。现在随着频率逐渐由低向高变化，频率变化5赫兹的时候，在这个频率上面的辅助阻抗就不再是一个实数了，是一个虚数，这一块产生了一个角，象角。这两个信号的比值就是这个A，在电化学行业里面，纯实数的阻抗，通常反应的电芯内部存的物理连接，比如说焊接啊，包括阻力，包括电液的阻力，对这个中频端这个阻抗，或者是这个极化来自于电池正负极材料的反应速度，如果说这个阻抗的膜越大，同时这个象角越大，电池反映速度就越差，如果频率再往下走，由高往低走，走到十分之一赫兹，百分之一赫兹的时候，曲线就有一个直线形成的，在电池里面又把这一端低频端浓差极化，这一点的大小实际是反应了电池内部，比如说在充电过程，电池内部锂离子从负极表面向负极的材料里面渗透的过程，如果浓差极化越大，这个渗透的过程就越慢，这是一个典型的对单体电池阻抗的普遍解释。
如果用一个等效电路模型描述这个过程，一个是欧姆极化，我们通常看到的电力，这个电流是短路的，所以我测到的就是这个电阻，这里面有一个法拉第计划和浓差极化，当频率信号逐渐降低的时候，电流就要经过这个，所以后面显示出来阻抗的变化，通过这里面电化学专家已经把这个过程分析的比较透了，这个是大家都认可的一个基本的常识。
那现在我们能不能根据这个概念把单体电池的这些阻抗的能，映射上成阻之后的电池，也是18650做的，大概是30串的规模，就没有标准的半圆形，大致规律是这样的。如果我们不看这些细节，单从基本的概念分析，实际上我们还可以有相同的推论，一个推论就是说我对电池阻做阻抗分析的话，高频阻抗在这个频率下电流和电压是同向的，这个阻抗一定是反应我整个电池组物理连接产生的电流，这里面包括电缆，包括焊接点，包括组织，包括电池的局部的欧姆内阻，总之是一个电流电压之间没有相对差的一个阻抗。
通常我们做电池模块的时候也要用阻抗剂测这个，放到电池包的正负极两端看读数。如果随着扫描频率逐渐的降低，大约是5赫兹左右，我实际也能通过我上述的方法测出阻抗，这个电流和电压不再是同向的了，电压要滞后于电流。这个如果我们按照刚刚的分析，应该是电池所有的电芯它的电化学极化造成阻抗综合的效果，因为你要是存在电流阻抗肯定不会有电力差，如果有这个的话就不会有象差，那就不是纯电流造成的，一定是电化学体系产生的象差，这个是大家认可的，整个电池包所有的电芯串到一块之后，产生的一个综合的浓差极化。
这几个阻抗如果把它推演，使用到几个数据，高频点A点连接电阻，相位角就是等于0，就是欧姆定律了，主要是焊接+电缆电阻构成的，另外一个中频B点，φ小于0，对于大功率的放电过程有影响，因为电流电压有一个相对差，如果电压相对差是90度的话，实际输出的功率是φ等于0的，这个时候电池实际输出的功率，由于电化学极化造成的。低频C点就是浓差极化，相位角φ小于0，通常的充电或者是放电的过程是起到控制作用的。
这个是一个电流元，电池的正负极有一个测量电路，我给出一个电流的激励信号，有一个测量，电路测量出来电池电压信号，这种根据实际做的有几种方法，就是测量刚刚说的，一种是时域瞬态电流脉冲激励检测，这种是大家会用到的，有时候我要区分交流阻抗和直流电阻差别的时候，通常我们国家也有规定，就是说用时域瞬态脉冲电流法进行检测，第二个方法就是正弦激励+频域锁相测量，第三个方法就是伪随机二进制序列号（PRBS），电流激励+时域响应快速傅里叶变换（FFT），第一种和第二种方法是很困难的，尤其是交变电源实现出来都比较难，因为电压高，电流就相应的比较大。
我下面的这个是电流激励，最后这个电流脉冲有多高呢？一格是0.11秒，这个是按照国家的相关标准做的，这个时候得到一个电压的曲线，在我电流瞬间加上的时候，这个时候有一个V1的电压的增量，这个增量你看是和电流同步的，所以这个V1一定是由于电池的欧姆阻抗导致产生的，那随着曲线上升之后产生了一个电压V2，有一个标准的公式，V2除以电流的辅值，就被标准定义为直流阻抗，把这个电流撤下来电压有缓慢的恢复过程，能提取很多有用的信息，恢复过程的快慢或者是长短实际和电池的扩散能力密切相关的。
还有一种就是对单体做的，用交流阻抗法做的，我用一个一千赫兹的电流信号得到了上面的电压信号，这两个信号它的相差是两零，所以在两个频率下对应的电阻是欧姆电阻，如果再做一个频率的，5赫兹的情况下做出两个信号，一个是电流激励信号，一个是电压的信号，就能看到在电压小的明显滞后于电流，如果你想测很多的频率，你就得做下去。像这两种方法实际对单体电池做起来比较容易，对电池组几百伏，电池组容量都上百的话实际是挺困难的，因为我要求激励信号一定得是跟容量有匹配的关系，容量大激励信号就得大，几十安至少上百安能够做出比较漂亮的结果。
还有一组是串联方法，这个是什么呢？随机二进制序列，这种激励信号就两种，就两个值，或者是在这个里面充电或者是放电状态，为什么叫随机呢？每个从充电到放电切换是随机的，包括宽度都是随机的，这个信号需要认真设计，我这个信号满足一个什么统计规律呢？这个激励信号自相关函数在等于0的时候一定是很大的值，如果把这个电流信号加入到电池组的话，在这个电池组得到了一个响应曲线，在底下的开关信号上，电池电压有一个上面的过程。
我的这个电池组，是一个电阻一个负载，给一个电流元，上面用一个开关，如果电流大的话是一个电子开关，充电放电按照某一个设计好的电路进行切换，测量电路就得到刚刚我给出的曲线，这个在电池组测量上面没有什么障碍，无论是成本，还是器件选择上面没有太多的问题，而且我做的时候也是很容易就实现的，所以很容易把它推广到更大的一个容量的电池包上，根据这个方法就设计激励信号，让它满足我需要的统计规律，第二个记录电流电压采样数据，第三个对V、I数据针对特征频率做快速傅里叶变换（FFT），最后计算比值。
刚刚讲的统计特性设计好的电流输入，有甚么特点呢？电流随机信号，如果满足统计规律设计好的话，这个傅里叶变换是不做的，这边是一个乘数，所以说对电压采下来在频率点上做傅里叶变换，就能够得到在特征频率点上的阻抗。那现在我就想这个测量方法用到我对电池的评估上，事先对电池的特性选出三个频率，高频中频和低频，在这三个频率下对正常状态下的电池进行参数的参考测量，正常下就是我认为电池刚刚出厂，是几个标准状态，把后面的定时起动测试程序，比如说一天两天或者是一周，把测的参数通过相对的值的公式和标准值进行对比，测值超过100%了就做出一个判断，如果超过200%了就做出一个判断，总之是拿电池的良好状态作为参比。
像这种是先有几种方法，一种是现有的管理系统，比如说测量一些电池组的响应信号，主控就是控制一个信号发射器测量电流信号和控制电流发射器可以完成，也可以单独做模块放到高压盒里面，通过看到的正极负极进行测量。
这个就是刚刚那组数据算出来的结果。通过这个判断电池的误差标准超过值的，可以对电池发生的问题做大体的判断和使用限制。同样的检测方法还用到了接触器检测，这里面我同样给一个正确的信号，对接触器的变阻进行测量，整车的电源的负载，这边是接触器，这样我实际通过这个电路不断判断接触器有没有状态，比如说粘连，该合的时候不合，可以判断这种状态，同时根据阻抗的分布，测量的阻抗和阻抗分布图预报这个接触器是不是及时更换了？这个我可以给出一个很重要的预报信息，来提示使用者这部分是不是能继续地使用，或者是马上更换，或者是隔一段时间更换？为什么这一块采用交流测量方法呢？这里面这个电流是正常工作的电流，这个电流是测试电流，这两个电流实际上是互相之间没有干扰的。
这个是我们设计了一款智能的高压盒上面，另外就是看一个和电池热失控紧密相关的，就是锂离子电池使用环境参数策略，实际上我要是以测量热失控为目的，这个参数测量应该测量哪些参数控制热失控？比如说现在温度是测的，大家都认可这个温度，温度过高肯定有问题，另外就是电液泄漏，如果我要是从安全角度讲这种湿度，压力可能要做环境参数进行测量。很难通过温度，尽管是温度的值非常有价值，判断热失控，至少应该是电池的表面的温度，你要是环境的温度隔两米远，肯定相关性就几乎没有什么了。
实际应用也是，监测锂离子热失控的作用不大，由于只是一个离散的极点，正好碰到电池什么事儿都没有，我们现在怎么能做到使热失控的角度讲改善温度测量呢？因为这个温度参数实在对热失控的判断太有关系了，所以考虑的就是用一种光纤传感器测量这个温度，大概是这么一个物理结构，纤心和包层，外面是防护层，通常是通讯用的光纤都是这边射出去从另外一端出来，基本的原理就是光在这个里面是折射的传递，绝对不会出去，这里面满足必要的条件，就是说包层的折射率一定要大于芯的折射率才能满足这个光的通讯，如果包层的折射率小于这个芯的折射率这个光就跑出去了，这个就不通光了，能不能用这种方法做一个简易的成本很低廉的，作为保护的温度开关呢？
光纤材料折射率的曲线，比如说第一组，在100度到250度之间都能够满足通光作用，为什么呢？因为这个的折射率是芯的折射率，这个是外皮的折射率，在这个阶段之前都满足光纤通讯的基本条件，因为我这个横轴是温度，如果随着温度的变化到250度了，这个时候光就不在这个地方折射了，射出来之后顺着这个表面，如果再把温度升高的话，外层的折射率已经小于芯的折射率，这个时候光跑出来了，我这个光纤已经不起到通光作用了，如果我这么设想也在做这个实验的话，我用这个光纤5米长的光纤，这种特性之后，我把它绕到所有的电池组里面，尽量地和所有的电池电芯能相连如果一个电芯的温度一下达到这个度了，那肯定在这个温度下这个光就在这里露出来了，就不再通光了，说明光纤这一面使用的时候一个光源，如果多个光纤的话可以是一般的MED光源，如果这个光纤在绕完以后发现这个光纤不通光了，起码至少知道光纤在路径里面有一点温度已经达到了，起动报警机制，所以说这一块对光纤温度有传感，就是开关性能，特点就不知道这个温度点在哪，但是我知道至少有一点已经达到了温度的临界点了。
实际在做热监控的时候使用还是比合适的，因为这个的话，这个临界点就是感应温度，完全取决于芯，和外皮之间的折射率，比如说电池传感温度，200度，我通过选择材料的方法就选择200度，做一条200度的光纤，现在正在做这个实验，不同温度下的高温的也可以做，但是这个弄到电池包上很有意义，这样你在布置的时候不要担心短路的问题，同时光的测量又和电测量完全不相关的，互相之间没有干扰的问题，这是一个要解决的问题。
另外一个漏液传感，尤其是18650的电池，热失控这一块一定是先断开，如果热失控继续进行的话，整个的安全阀打开，可能就自然想到如何用电液传感器，因为电液材料的话有几种典型的电液的配方，都是高分子材料，做这种传感器无论是电化学和半导体学的都不是很大的困难，但是传感器有一个寿命的问题，本身会中毒，如何把传感器寿命做的足够长而且做的稳定，是一个难题，所以这一块就做了一款半导体传感器，基本上底下一个氧化铝的加热基地，大概2个微米后，通常的传感器是没有上面这一层的，在这里做一些调整，对气体的选择性，半导体一般用氧化，搀杂一些微量的系统元素，在这个里面有寿命的问题，我们采取一个新的工艺1微米左右的筛状的陶瓷层覆盖到加热基底上面唯一的差一点就是牺牲了一些灵敏度。
因为刚刚通过上边我们看到，这种里面的电液成分变化非常大，像EC的话长度都是90度，如何通过这个常数测量挥发的气体，但我们会发现这个灵敏度会有变化，但是满足电池包的需要是很重要的，谢谢大家！
