隨著電動(dòng)汽車的大規(guī)模普及，我們看到和接觸到電動(dòng)汽車的機(jī)會也越來越多，但是很多人仍然對于鋰離子電池的安全性抱有懷疑的態(tài)度，其實(shí)經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，鋰離子電池本身的安全性已經(jīng)得到了很大的提升，其次電池包安全管理系統(tǒng)，例如熱失控預(yù)警系統(tǒng)，快速滅火裝置等近年來都取得了長足的發(fā)展，即便是鋰離子電池發(fā)生安全事故，也能夠提前預(yù)警，滅火劑壓制熱失控蔓延，為車內(nèi)乘客逃生爭取到足夠的時(shí)間，確保乘客的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

鋰離子電池的熱失控原因可以分為兩大類：1）外部原因，例如過充、外部短路、加熱和機(jī)械濫用等；2）內(nèi)部原因，例如內(nèi)部的缺陷（如金屬雜質(zhì)等），正負(fù)極材料在循環(huán)中的衰降等。引起鋰離子電池?zé)崾Э氐耐獠吭虻谋O(jiān)控比較簡單，例如監(jiān)測電壓、監(jiān)測電池表面溫度等，但是監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)部原因則比較困難。近日美國約翰普金斯應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的Rengaswamy Srinivasan（第一作者，通訊作者）等人研究發(fā)現(xiàn)通過監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)阻能夠高分辨率的分析鋰離子電池內(nèi)部溫度的變化，在早期對鋰離子電池?zé)崾Э剡M(jìn)行預(yù)警，Rengaswamy Srinivasan將電池的內(nèi)阻分為兩個(gè)部分：1）阻抗振幅Z；2）夾角j，Rengaswamy Srinivasan的研究發(fā)現(xiàn)夾角j與鋰離子電池的容量關(guān)系較小，但是與電池溫度具有很強(qiáng)的相關(guān)性，因此可以通過監(jiān)測夾角j的變化實(shí)現(xiàn)對鋰離子電池內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而在熱失控發(fā)生前進(jìn)行預(yù)警。

上圖為一個(gè)典型的鋰離子電池的交流阻抗圖譜，鋰離子電池的交流阻抗主要包含兩部分：實(shí)數(shù)部分Z’和虛數(shù)部分Z’’。為了便于分析，作者將阻抗的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分整合成為了兩個(gè)部分：即振幅Z=（Z’2+Z’’2）1/2，以及Z’和Z’’之間的夾角j，因此Z’=Z cos(j)，Z’’=Z sin(j)。其中振幅Z與鋰離子電池的尺寸和容量有關(guān)，一般電池越大Z越小，而夾角j則與電池的尺寸關(guān)系不大。這也就是說即便是兩個(gè)大小尺寸不同的電池，雖然Z值差距較大，但是夾角j仍然具有可比性。

實(shí)驗(yàn)中采用的電池為兩個(gè)型號，分別是來自日本湯淺的50Ah電池和來自波士頓電池的5300型5.3Ah電池，下圖為兩種電池的交流阻抗圖（50%SoC），從圖中能夠看到阻抗的實(shí)數(shù)部分Z’和虛數(shù)部分Z’’都與鋰離子電池的容量有明顯的相關(guān)性，而夾角j則與電池的容量相關(guān)性很小，但是與溫度相關(guān)性很大，電池溫度變化50℃，夾角j變化可達(dá)到20度，因此很好的提高了通過觀測夾角j測量電池內(nèi)部溫度的分辨率，同時(shí)經(jīng)過多年的技術(shù)進(jìn)步，我們現(xiàn)在能夠用很低廉的成本對鋰離子電池阻抗夾角j進(jìn)行高分辨率（10-3）測量，因此監(jiān)測夾角j的變化是監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)部溫度變化的有效方法。

下圖為LG的3Ah18650電池通過外部加熱帶加熱誘發(fā)熱失控過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖中能夠看到開始加熱前，電池溫度14.3℃（電池表面溫度），夾角j為-9.5度，將電池加熱到50℃（電池表面溫度），夾角j升高到了-0.96度，在經(jīng)過240s加熱后電池溫度達(dá)到117℃，夾角j也升高到了-0.79度，此時(shí)電池并沒有發(fā)生熱失控。又經(jīng)過55s后，電池溫度進(jìn)一步升高到了128℃（電池表面溫度），夾角j也迅速降低到-2.9度，表明此時(shí)電池內(nèi)部的溫度開始有所降低（這可能是內(nèi)部隔膜開始融化吸收了部分熱量）。隨后60s左右電池發(fā)生泄漏和噴發(fā)，電池外表溫度持續(xù)升高，而此時(shí)夾角j卻在不斷降低，表明由于電池氣體泄漏帶走了部分熱量，引起電池內(nèi)部溫度下降，但是盡管電池內(nèi)部溫度在持續(xù)變化，在電池表面溫度上完全沒有體現(xiàn)出來，而鋰離子電池的電壓在電池泄漏噴發(fā)之前則幾乎沒有波動(dòng)，這表明相對于監(jiān)測鋰離子電池的表面溫度和電壓，監(jiān)測夾角j是一個(gè)更為有效的預(yù)警鋰離子電池?zé)崾Э胤椒ā?/p>

長久以來監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)部溫度的變化就是一件非常具有挑戰(zhàn)性的事情，為了監(jiān)測鋰離子電池內(nèi)部的溫度人們也相出了非常多的方法，例如我們之前曾經(jīng)報(bào)道過的電池內(nèi)部置入光纖的方式對電池的SoC和溫度等狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控（為鋰離子電池裝上智慧眼睛），也有通過模型方法對鋰離子電池內(nèi)部的溫度進(jìn)行預(yù)測（熱失控中鋰離子電池核心溫度變化），但是這些方法要么采用的設(shè)備過于龐大和復(fù)雜，要么計(jì)算過于復(fù)雜因此很難在車載BMS上實(shí)現(xiàn)，而RengaswamySrinivasan采用的方法則通過簡單的對鋰離子電池在某個(gè)頻率范圍內(nèi)的阻抗進(jìn)行測量，得到夾角j的值就能夠?qū)︿囯x子電池的內(nèi)部溫度進(jìn)行高分辨率的監(jiān)測，大大提高了其實(shí)用價(jià)值，對于在線監(jiān)測動(dòng)力電池內(nèi)部溫度的變化和熱失控的預(yù)警具有重要的實(shí)用價(jià)值。