智能传感 | 提升电池感知能力-锂子电池多维传感技术研究进展

文章获取：https://doi.org/10.1016/j.etran.2024.100360

近年来电动汽车和储能系统的电池事故频发，为了解决这一问题，研究人员进行了大量的尝试和努力，主要的技术途径可分为两条路线：1）更安全的电池，例如固态电池；2）更智能、更先进、更高效的电池管理系统。集成多种传感单元的智能电池将是实现更先进的电池管理系统的手段之一，通过对电池多维度参数实时监测，结合物联网、大数据、云计算、人工智能等技术以实现更加精准，高效的电池状态估计、故障诊断、安全预警，从而实现电池“少”事故，甚至是“零”事故目标。

文章全面综述了锂离子电池多种参数监测方法的研究进展，分别对电池的电学参数（电流、电压、内阻）和非电学参数（温度、应变、变形、气压、气体种类）的传感方法进行了全面的总结分析。阐述了各种传感方法的测量原理，传感器的安装位置，探头尺寸，灵敏度、分辨率等传感性能参数，并系统的讨论了各种传感器的优缺点，以及适合的应用场景。最后，从电池内部多参数监测与多元传感数据应用两个方面进行了总结和展望。

锂离子电池多参数传感总览图

在动力电池包中，电流和电压传感器是两个最重要的传感元件。基于电磁效应的电流传感器和分流电阻器是应用最广泛的两种电流传感器。电磁效应传感器包括霍尔传感器、磁阻传感器和磁光传感器。霍尔传感器是一种基于霍尔效应原理的传感器，当电流通过置于磁场中的导体时，会在垂直于电流和磁场的方向上产生霍尔电势差，通过监测电势差变化即可实现电流传感。磁阻和磁光传感器是利用电流通过导体时会产生磁场，磁场强度大小与流过导体的电流成比例，利用磁阻效应和磁光效应即可获得电流大小。另一种监测电流的方法是串联一个分流电阻器，在电池和负载之间放置一个低且精确已知的电阻，测量分流电阻器两端的电压再根据欧姆定律计算流经分流电阻器的电流。用于电池外部电压监测的传感理论与技术发展已经相当成熟，仅仅靠外部电压监测无法满足智能电池的发展需求，为了实现电池内部的电压传感，采用了微型薄膜式传感器植入电池内部，或采用参比电极的方式监测电池内部的电势变化。

图 2 (a)微型三合一传感器植入纽扣电池内部实现多种参数监测；(b)参比电极监测电池内部电势变化。

电池温度监测的传感器可以分为四大类：热电偶、热敏电阻、铂电阻RTD、光纤传感器。用于电池外部温度监测的传感技术已经趋向成熟，近年来的研究热点主要聚焦在电池内部温度监测。为了适应电池内部狭小空间环境，一般会将传感器制作成微型探头或者采用MEMS工艺制作成柔性薄膜式传感单元，再植入电池内部，并采用防腐蚀的套管或薄膜裹覆在传感器上，以增强内置传感器的存活寿命。电子类传感器有一个共同的局限性，每个传感器只能监测一个点，并且传感响应是电信号的形式，容易受到电磁干扰。光纤传感器已广泛应用于其他行业，在动力电池领域的应用只是近几年才开始得到重视。光纤传感器具有许多类似于电子传感器的优点，同时具有耐腐蚀和抗电磁干扰，最大的优点是分布式测量，一根光纤可以实现多点同时监测。

图 3 内部植入式电池温度监测方案，（a）薄膜热电偶植入；（b）薄膜RTD植入；（c）柔性薄膜热敏电阻植入；（d）光纤光栅FBG植入；（e）倾斜光纤光栅TFBG植入；（f）分布式光纤传感器植入式。

锂离子电池变形包括两部分：可逆变化和不可逆变化。可逆体积变化发生在连续的充放电循环中，这是由于锂离子的嵌入和脱嵌引起的。电池在长时间使用过程中，由于内部材料老化，副反应产气、析锂等原因，电池会发生不可逆的体积变化，不可逆变化积累会出现变形、鼓包等现象。这些变形往往是电池内部故障的先兆，如不及时发现并处理，可能会引发短路、漏液、甚至爆炸等严重后果。目前电池变形监测都还处于实验室研究阶段，最早有采用应变片和压力传感器来测量电池充放电过程中的应变和膨胀力变化。还有研究报道采用激光非接触式方法测量了电池电极变形，以及电池包表面的全场应变。近年来，有利用光纤光栅传感器监测电池内部/外部应变的研究报道。光纤传感器最大的优点是准分布式或分布式测量，一根光纤可以实现多点同时监测，通过一些特殊的结构设计，还可以实现多种参数的同时监测，但目前光纤传感器的解调系统成本偏高，随着技术的发展，适用于电池包多点温度/应变分布式监测的低成本光纤传感系统将会逐渐问世。

图 4 电池内外变形监测，（a）压力传感器监测电池膨胀力；（b）应变片监测表面应变柔；（c）激光光束偏转法测量电极变形；（d）数字图像相关监测电池表面全场应变；（e）增敏型光纤光栅监测电池表面应变；（f）分布式光纤传感器植入式监测内部应变。

电池在使用过程中由于不可避免的副反应，以及热滥用导致电解液分解等原因造成电池内部产气，气体积累会造成电池内部压力增加，因此电池内部气体压力和产气成分监测也是十分必要的。内部压力监测采用了常规的压力传感器，通过特殊的工装结构设计，将传感器放置在方形电池盖板或者圆柱电池端盖处监测电池内部压力变化。电池内部产生的气体成分主要有：CO₂，CO，CH₄，C₂H₄，HF， VOC等。常用的气体传感器包括：金属氧化物半导体气体传感器，固体电解质气体传感器，电化学气体传感器，光学气体传感器等。大多数气体监测的研究聚焦在电池电解液泄露，以及电池热失控后气体成分监测，但电池内部气体成分原位监测的研究还少有报道，主要原因是氧化物半导体及部分电化学气体传感器在电池内部的无氧环境下无法工作。因此，基于光吸收原理的气体传感器对内部气体监测具有独有的优势。

图 5 电池气体压力与成分监测，（a）压力传感器安装在电池盖板上监测内部压力；（b）传感器安装在端盖处监测内部压力；（c）氧化物半导体气体传感器监测电解液泄露VOC；（d）氧化物半导体气体传感器监测CO气体；（e）NDIR气体传感原理；（f）TDLAS气体传感原理。

目前，大多数商用电池管理系统只对电池的电流，电压和部分点的外部温度监测，这种方法存在一定的局限性，无法充分反应电池的状态信息，以至于不能进行精准高效管控。因此，电池系统多维参数监测是未来发展的必然趋势，本文综述了当前锂离子电池多种参数传感的研究进展，并分析提出了未来智能电池多维参数监测的发展趋势，如图6所示。尽管电池多参数监测越来越受到重视，传感技术也取得了重大进展，但要实现智能电池应用仍然面临着重大挑战，如内部参数长期稳定监测，多元传感数据应用等，为此总结如下：

1）内部参数监测

监测电池内部参数是了解电池内部化学和物理反应机理的重要工具，可以为性能优化、实时诊断和安全管理提供更丰富的数据。但传感器对电池内部参数的长期、准确测量仍然是一个挑战。主要问题是传感器的植入、耐腐蚀性、兼容性和可靠性。首先，嵌入式传感器的尺寸应小，以确保传感器的植入不会影响电池的性能。其次，传感器应该能够在电池内部恶劣的环境中长期稳定可靠地工作。最后，传感器应具有多功能性和各种被测参数的独立性。集成多参数传感器，如温度、应力、变形、气体等，且确保这些传感器可靠地协同工作而不相互干扰是一项复杂的技术和工程挑战。解决此问题需要采用多学科方法，包括材料科学、传感器技术、数据分析等多方面的协作。集成多种传感功能的微光机电传感器或许是解决这一问题的途径之一。

2）多元数据应用

多参数监测在电池组中的应用需要解决的关键问题是：适用于电池内外多参数监测的传感器件；传感器，BMS，云端等设备之间的通讯连接；能够处理海量多元数据的智能算法及电池系统高效控制与管理的鲁棒模型。对于具有庞大数量电池单体的系统，每个单体电池的多参数监测是一项成本高昂的任务，光纤分布式传感技术有望成为解决大规模电池应用中成本问题的有效途径。物联网技术将是连接传感器与其他设备的有效方式。通过无线网络，传感器收集的数据可以传输到BMS进行即时分析和决策，也可以传输到云端，利用云端强大的计算和分析能力进行进一步处理。对于BMS中多参数的使用，数据融合是关键，直接决定了BMS中多参数监测的有效性，人工智能技术是提高BMS可预测性和效率的有效手段，有助于开发更精确的状态估计、故障诊断和安全预警模型。

图 6 未来智能电池多维参数传感发展趋势

Jun Peng, Xuan, Zhao, Jian Ma, Dean Meng, Jiangong Zhu, et al. Enhancing lithium-ion battery monitoring: A critical review of diverse sensing approaches, eTransportation 2024:100360.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259011682400050X

朱建功，博士、同济大学汽车学院副教授、博士生导师。德国“洪堡学者”、上海市海外高层次人才“特聘专家”、上海电动汽车工程技术研究中心副主任。研究领域：新能源汽车动力电池失效管理技术。目前主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目，“十四五”国家科技部重点研发计划课题、子课题，德国洪堡基金及教育部“春晖计划”合作科研项目。担任Nature旗下期刊Communications Engineering编委，Elseiver 旗下E-Prime和Green Energy and Intelligent Transportation青年编委，电气工程学报，汽车工程青年编委等。在期刊Nature Communications、Energy Storage Materials、Cell Reports Physical Science、Journal of Power Sources、Applied Energy、IEEE TTE等期刊累计发表90余篇论文；出版车用电源技术中文专著1部，车用电池寿命衰减及管理英文专著1部。

彭俊，博士，长安大学汽车学院讲师，博士后，陕西省汽车工程学会青年委员，西安交通大学优秀博士论文获得者。主要研究方向为锂离子电池多参数监测，光纤传感技术在电池管理中的应用等，主持及参与国家级省部级项目10余项，发表论文20余篇，以第一作者或通讯作者在Journal of Power Sources，Journal of Energy storage, eTransportation等顶级期刊上发表论文12篇，授权发明专利7项。