基于模型和传感器的汽车锂离子电池模块热失控检测比较

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研究背景

锂离子电池行业作为新能源领域的重要一环，其安全性和故障检测技术的相关研究吸引了研究者们的关注，由此也产生了多种基于电压和温度测量的电池状态评估技术。目前，对于相关测量设备和方法的比较研究仍较少，因此，来自德国克劳斯塔尔工业大学的Jacob Klink、André Hebenbrock、Jens Grabow、Nury Orazov、Ralf Benger、Hans-Peter Beck联合斯堪尼亚商用汽车有限公司的Ulf Nylén，在Batteries 期刊上发表了文章，基于模型方法对比了用于检测汽车尺寸的锂离子电池模块热失控故障多传感器设置的可行性，并讨论了不同研究方法对应的检测时间等评估标准结果，该研究为根据应用程序定义的需求 (如可接受的复杂性) 选择合适方法提供了一个良好的起点。

研究过程

本项研究采用了斯堪尼亚公司全电动 (BEV) 重型卡车的原始电池模块、电池外壳和操作边界，通过在汽车电池盒上运行传感器设置 (图1)，对比研究了多种基于模型的检测方法，并通过选择两种速率的外部加热作为触发器，模拟表示超时发展的故障条件。为了更好地对结果进行比较，每次试验进行两次。此外，研究还对测试之间的重复性、探测可行性进行了比较与评估。其中，虐待试验的温度和电压测量结果如图2所示。

图1. 主图：模块位置及电池盒内传感器的放置示意图，置于电池盒内的传感器用箭头 (↑) 标记。插图：准备好的电池盒 (上) 和改进的铝块模块 (下)。

图2. (a) 温度测量和模块平均温度；(b) 电池电压C01和C12分别为最热和最冷的电池。

针对研究中热失控发展的四个特征事件：①开始加热、②超载安全装置 (OSD) 激活、③爆破片破裂和④热失控，测试对应的传感器读数，结果如图3所示。

图3. (a) 模块应变；(b) VOC存在指数；(c) 红外烟雾传感器；(d) 电池外壳超压；原始信号经过移动平均滤波器滤波。

图4所示为测量的电压和所采用模型产生的参考信号。

图4. (上) 基于模型的外加热检测C01的实测和模拟电压；(下) 模型偏离C01和C12作为故障信号。

此外，研究还对比了在热失控发展的四个特征事件中，每个测试的方法依赖结果 (图5)。

图5. 基于传感器的故障检测相对于加热启动的时间图，(A,B) 对外部加热5 K min?1和 (C,D) 8 K min?1触发的热失控 (④) 进行预警。灰色虚线表示特征事件①加热启动、②OSD激活、③爆破片破裂，红色虚线为GTR-5 min标准。

总结讨论

文章基于对锂离子电池热失控过程的研究基础，报道了一种基于汽车电池外壳的多传感器监测装置设计，并介绍了各个故障信号的主要原理以及传感器的设置方法。本项研究还对锂离子电池热失控过程进行了应变测量，采用基于阈值的热故障检测方法对其进行了评估。研究结果表明，采用基于模型和传感器的检测方法具有高效性、准确性和可靠性，但该方法仍需解决长期功能中由老化引起的参数变化问题。此外，还对未来研究进行了展望，研究结果为锂离子电池的安全性和故障检测技术研究提供了参考。

来源：MDPI开放科学