鋰離子電池智能傳感技術(shù)綜述

王文偉，劉帥邦，楊曉光，姜久春

(1.北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國(guó)家工程研究中心，北京 100081；2.北京理工大學(xué)深圳汽車研究院，廣東深圳 518118)

電動(dòng)化交通和可再生能源規(guī)模化應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)我國(guó)“2030年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)路徑。電池是電動(dòng)載運(yùn)工具和儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心器件，是掣肘行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)20 余年的技術(shù)發(fā)展，鋰離子電池已成為當(dāng)前最主流的電源技術(shù)，廣泛應(yīng)用于3C數(shù)碼、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)中。然而，當(dāng)今鋰離子電池的性能、壽命和安全性仍然存在不足。例如，僅2022 年上半年全國(guó)平均每天有高達(dá)7 輛電動(dòng)汽車著火，而全球已發(fā)生70 余起儲(chǔ)能電站電池安全事故，造成嚴(yán)重的人員和經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高動(dòng)力和儲(chǔ)能電池的壽命和安全性是促進(jìn)新能源汽車、儲(chǔ)能等行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵。

準(zhǔn)確評(píng)估電池健康和安全狀態(tài)，開(kāi)發(fā)高可靠高安全電池運(yùn)維方法和系統(tǒng)，是提升電池壽命和安全性的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的動(dòng)力和儲(chǔ)能電池系統(tǒng)普遍采用外置傳感器的方式監(jiān)控電池狀態(tài)，無(wú)法監(jiān)測(cè)到每只電芯，更無(wú)法獲取電芯內(nèi)部的電化學(xué)、熱、機(jī)械等特性的參數(shù)變化，導(dǎo)致所采集的信息及相應(yīng)的模型/算法存在偏差，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估電芯全生命周期的健康狀態(tài)、安全狀態(tài)及演變趨勢(shì)。為提升電池能量密度和降低成本，動(dòng)力和儲(chǔ)能電池都在向大尺寸、大容量電芯發(fā)展(如特斯拉4680 電池、比亞迪刀片電池等)。尺寸的增加將帶來(lái)電池內(nèi)部空間不均勻性的增加，造成不均勻的衰減和可靠性的下降，但目前的技術(shù)手段可以獲得的電池信息非常有限。因此，發(fā)展集成多元、內(nèi)置傳感器件的“智能電池”技術(shù)成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，歐盟《電池2030+技術(shù)路線圖》中將智能電池感測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展方向(6 個(gè)立項(xiàng)項(xiàng)目中占3 席)，我國(guó)亦布局多項(xiàng)國(guó)家和省部級(jí)項(xiàng)目支持智能電池及傳感技術(shù)的研發(fā)。

圖1 給出了智能電池系統(tǒng)的示意圖，其核心思想是通過(guò)多元傳感器件實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)/外部狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)有線/無(wú)線的方式傳輸至電池管理系統(tǒng)，進(jìn)而基于多元信號(hào)開(kāi)發(fā)高精度電池狀態(tài)估計(jì)和安全預(yù)警算法，實(shí)現(xiàn)電池高可靠高安全運(yùn)維。可見(jiàn)，智能傳感、智能通信和智能運(yùn)維技術(shù)是智能電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其中智能傳感技術(shù)是這一新型體系架構(gòu)的基石，但目前相關(guān)的研究才剛剛起步。鑒于此背景，本文將圍繞電、熱、力、氣、聲等多種傳感技術(shù)，分析其在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景、發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 智能電池系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分：智能傳感、智能通信和智能運(yùn)維

1 鋰離子電池多物理場(chǎng)傳感技術(shù)

智能電池的核心是通過(guò)多種傳感器實(shí)現(xiàn)電池多物理場(chǎng)狀態(tài)的測(cè)量，可測(cè)量參數(shù)包括電[1-2]、熱[3-5]、力[6-8]、氣[9-10]、聲[11]等，如圖2 所示。本節(jié)將從傳感信號(hào)的角度分析不同信號(hào)的獲取對(duì)提高電池運(yùn)維可靠性和安全性的作用，總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀，并對(duì)其所面臨的困難和挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。

圖2 鋰離子電池多物理場(chǎng)傳感技術(shù)示意圖

1.1 電學(xué)傳感

電信號(hào)如電壓、電流等是電池管理系統(tǒng)(battrery management system,BMS)所采集的最基本信號(hào)，通常在模組層級(jí)監(jiān)測(cè)不同并聯(lián)單體電芯的電壓，在電池包層級(jí)監(jiān)測(cè)不同串聯(lián)模組的電流。當(dāng)前BMS 的電池狀態(tài)估計(jì)算法大多基于電流電壓信號(hào)，但其難以準(zhǔn)確評(píng)估電池內(nèi)部狀態(tài)。因此，發(fā)展新型電池電信號(hào)測(cè)量技術(shù)以獲得更多電池信息是當(dāng)前研究重點(diǎn)，其中代表性工作包括內(nèi)部電勢(shì)測(cè)量和阻抗測(cè)量。

1.1.1 內(nèi)部電勢(shì)測(cè)量

快速充電是消除電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航焦慮的核心技術(shù)之一，當(dāng)前的動(dòng)力鋰離子電池在高倍率充電情況下容易誘發(fā)負(fù)極析鋰，嚴(yán)重影響電池壽命并可能造成起火爆炸等安全事故。本質(zhì)上講，析鋰觸發(fā)源于大充電電流引起的負(fù)極極化損失，導(dǎo)致負(fù)極電勢(shì)降至低于0 V(vs.Li/Li+)。因此，監(jiān)測(cè)負(fù)極電勢(shì)對(duì)于避免析鋰的同時(shí)提升充電電流具有重要意義。

Liu 等[1]開(kāi)發(fā)了一種基于監(jiān)測(cè)負(fù)極電位調(diào)控電流倍率的無(wú)析鋰快充策略，將包覆隔膜的參比電極放置在電池的負(fù)極和隔膜之間以測(cè)量負(fù)極電勢(shì)[圖3(a)]，在充電過(guò)程中實(shí)時(shí)調(diào)整充電電流使負(fù)極電勢(shì)接近且略高于0 V，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)析鋰情況下的最大充電電流。作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該快充策略對(duì)比生產(chǎn)廠商的標(biāo)準(zhǔn)快充策略充電速度可提升40%，并且100 次快充循環(huán)后通過(guò)掃描電鏡表明負(fù)極無(wú)析鋰。

圖3 電學(xué)傳感

類似的研究工作還包括文獻(xiàn)[12-13]等。然而，目前還沒(méi)有參比電極能應(yīng)用于商業(yè)電池中，其主要面臨的挑戰(zhàn)包括：1)動(dòng)力電池通常要求＞1 000 次循環(huán)壽命，當(dāng)前參比電極難以在惡劣的電解液環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；2)參比電極的布置位置對(duì)其結(jié)果影響很大，最理想的位置是正負(fù)極之間，但這樣會(huì)阻礙鋰離子傳輸通道，影響電池壽命。因此，提高參比電極的穩(wěn)定性和精度對(duì)于其工程化應(yīng)用具有重要意義。

1.1.2 電化學(xué)阻抗譜

電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)是一種應(yīng)用廣泛的電池?zé)o損檢測(cè)方法[14]，通過(guò)給電池施加一個(gè)頻率不同的小振幅交流電勢(shì)波，測(cè)量交流電勢(shì)與電流信號(hào)的比值(即電池內(nèi)阻)隨正弦波頻率的變化。不同頻率的阻抗分別對(duì)應(yīng)歐姆阻抗、固相電解質(zhì)界面(solid electrolyte interface，SEI)阻抗、電荷轉(zhuǎn)移阻抗、液相擴(kuò)散阻抗等，反映了電池內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。因此，EIS 可以用于電池全生命周期的狀態(tài)估計(jì)和故障診斷[15]。例如，Cannarella等[16]利用EIS 研究了電池受壓條件下的微觀形變對(duì)鋰離子傳輸?shù)挠绊懀l(fā)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Rct)隨外部壓力的增大而增加，且電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)越低，Rct增大越明顯。

然而，傳統(tǒng)EIS 測(cè)試需要龐大且精密的設(shè)備，在儲(chǔ)能電池和動(dòng)力電池場(chǎng)景難以直接應(yīng)用。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)快速EIS 檢測(cè)方法成為一個(gè)重要研究方向。Lu 等[17]提出了一種基于數(shù)據(jù)采集卡代替商用電化學(xué)工作站和基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)的快速EIS 測(cè)量方法，與商業(yè)電化學(xué)工作站對(duì)比，可以縮小設(shè)備體積并減少2/3 的測(cè)量時(shí)間，但其仍基于靜態(tài)EIS 檢測(cè)，單次測(cè)量需580 s，不適用于循環(huán)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Crescentini 等[2]基于矢量阻抗分析(vector impedance analyzer,VIA)架構(gòu)開(kāi)發(fā)了一套可集成在電池單體中的小型EIS 檢測(cè)系統(tǒng)[圖3(b)]，在循環(huán)過(guò)程中對(duì)紐扣電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)EIS 檢測(cè)。結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)EIS 隨荷電狀態(tài)和老化狀態(tài)發(fā)生規(guī)律變化，但由于檢測(cè)時(shí)間限制，其阻抗譜與靜態(tài)EIS 存在明顯差別，解釋性較差。因此，為了實(shí)現(xiàn)EIS 在實(shí)際電池中的應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究EIS 的快速檢測(cè)和動(dòng)態(tài)解析方法。

1.2 溫度傳感

溫度對(duì)電池內(nèi)部的傳質(zhì)速率和電化學(xué)反應(yīng)速率具有重要影響，進(jìn)而影響電池性能、壽命和安全性。因此，熱管理系統(tǒng)是電池系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，其核心功能是將電池運(yùn)行溫度控制在合適的區(qū)間，同時(shí)保證電池溫度的均勻性。目前熱管理系統(tǒng)通常利用熱電偶測(cè)量電池表面或極耳處的溫度，將外部溫度和充放電過(guò)程中的電池產(chǎn)熱量作為熱模型輸入，計(jì)算電池系統(tǒng)內(nèi)溫度分布進(jìn)而優(yōu)化熱管理設(shè)計(jì)。隨著電池向大尺寸、大容量方向發(fā)展，電池溫度不均勻性問(wèn)題加劇。不均勻的溫度會(huì)影響電池組內(nèi)的電流分布進(jìn)而引發(fā)不均勻老化[18]，但溫度不均勻性的測(cè)量以及其與電化學(xué)、力學(xué)等耦合影響的研究和認(rèn)知仍然非常有限，因此感知內(nèi)部溫度對(duì)于認(rèn)知電池機(jī)理和優(yōu)化電池?zé)峁芾硪饬x重大。

微型熱電偶、光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)、薄膜式熱敏電阻和電阻溫度檢測(cè)器(resistance temperature detector,RTD)憑借其較小的體積被用于電池內(nèi)部溫度傳感[3-5,19-21]。其中，熱電偶的工作原理基于金屬的熱電效應(yīng)，其端電壓可反映溫度；FBG 的工作原理基于光柵間距的熱脹冷縮效應(yīng)，其FBG 峰位可反映溫度，但光柵間距同時(shí)受應(yīng)力影響，因此FBG 測(cè)溫需要設(shè)法解耦溫度-應(yīng)力效應(yīng)；熱敏電阻和RTD 的測(cè)溫原理基于材料的電阻-溫度效應(yīng)，其電阻可反映溫度。Zhang 等[20]在18650 電芯軸向中心平面沿電池徑向布置了多枚微型熱電偶[圖4(a)]，進(jìn)而得到了電池充放電過(guò)程中的徑向溫度分布。結(jié)果表明，較高的放電倍率導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高。提高對(duì)流換熱系數(shù)可以降低電池溫升，但內(nèi)部溫度梯度變大，因此在強(qiáng)迫對(duì)流條件下將電池視為等溫體將帶來(lái)較大誤差。Huang 等[21]將FBG 置入18650 電池內(nèi)部空腔，通過(guò)多根FBG 同時(shí)測(cè)量電池內(nèi)部、表面和環(huán)境溫度[圖4(b)]，并與零維熱電路模型結(jié)合評(píng)估電池產(chǎn)熱量，通過(guò)與傳統(tǒng)的絕熱量熱法測(cè)量結(jié)果對(duì)比表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電池產(chǎn)熱的有效評(píng)估。Joe 等[3]將薄膜式熱敏電阻分別植入18650 電池內(nèi)部空腔和軟包電池厚度方向的中間位置(負(fù)極與隔膜之間)，通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行循環(huán)測(cè)試和拆解表征發(fā)現(xiàn)，熱敏電阻的植入會(huì)對(duì)軟包電池帶來(lái)潛在的容量損失和析鋰風(fēng)險(xiǎn)，此外還可能造成電池成組后壓力不均勻和機(jī)械損傷。去除部分電極材料后植入熱敏電阻可以減輕傳感器植入造成的壓力不均[4]，但會(huì)降低電池的能量密度，并且增加生產(chǎn)工藝的復(fù)雜度。

圖4 溫度傳感

可見(jiàn)，通過(guò)內(nèi)置傳感器監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部溫度變化及分布對(duì)于優(yōu)化電池?zé)峁芾砭哂兄匾饬x，但受電池制式影響，傳感器內(nèi)置仍存在與電池制造工藝的兼容性問(wèn)題。對(duì)于圓柱電池，將傳感器植入內(nèi)部空腔可有效避免傳感器與電極材料和電解液的接觸，對(duì)電池?fù)p傷較小；而對(duì)于方型電池和軟包電池，如何保護(hù)傳感器不受電解液腐蝕，同時(shí)最大程度減輕傳感器植入對(duì)電極材料和電池性能造成損傷，是植入傳感面臨的最大挑戰(zhàn)。專利[22-23]給出了可能的解決方案：將感知結(jié)構(gòu)或柔性薄膜傳感器植入集流體中，可保持集流體表面平整光滑，并有效避免了傳感器件與電極材料的直接接觸。此外，Yang 等[24]對(duì)熱電偶、熱敏電阻、RTD 和FBG 在電池系統(tǒng)中的應(yīng)用成本進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)前三者成本較低，而FBG 系統(tǒng)由于受解調(diào)儀價(jià)格影響綜合成本最高，需要發(fā)展多路復(fù)用技術(shù)并且在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用以攤薄成本。

1.3 力學(xué)傳感

在電池充放電過(guò)程中，鋰離子在正負(fù)極材料的脫嵌伴隨著材料顆粒體積的變化和應(yīng)力/應(yīng)變的產(chǎn)生，即插層應(yīng)變。電池長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中周期性的插層應(yīng)變會(huì)造成電極顆粒的破裂和裂縫的增長(zhǎng)，一方面可能造成活性材料的損失，另一方面裂縫增長(zhǎng)形成的新鮮界面會(huì)與電解液反應(yīng)引起活性鋰損失，導(dǎo)致電池容量的衰減。因此，研究電池力學(xué)特性的演化規(guī)律對(duì)于理解電池的性能衰退機(jī)制具有重要意義。力學(xué)傳感如圖5 所示。

圖5 力學(xué)傳感

值得注意的是，電池的宏觀特性(如彈性模量和體積等)會(huì)隨微觀力學(xué)特征改變而發(fā)生變化。因此，監(jiān)測(cè)電池力學(xué)信號(hào)有助于判斷電池內(nèi)部狀態(tài)，常見(jiàn)的測(cè)量方法與電池形狀有關(guān)。對(duì)方形或軟包電池，可利用線性可變差動(dòng)變壓器[6,25-26]在模組內(nèi)測(cè)量電池壓力，利用薄膜應(yīng)變電阻傳感器[圖5(a)][7]測(cè)量壓力分布，或利用感應(yīng)線圈渦流傳感器[圖5(b)][27]測(cè)量電池厚度變化等。圓柱電池不具備方形或者軟包電池的平面約束條件，其層間壓力可以通過(guò)測(cè)量電芯在外殼徑向約束條件下的周向應(yīng)變來(lái)間接計(jì)算。Zhu 等[8]制備了一種微型薄膜應(yīng)變傳感器，通過(guò)去除部分電極材料將其成功植入18650 電池層間，實(shí)現(xiàn)了電極周向應(yīng)變的測(cè)量[圖5(c)]，但此法仍會(huì)出現(xiàn)1.2 節(jié)中提到的工藝和損傷問(wèn)題，可通過(guò)集流體內(nèi)置傳感器方案解決。

為了研究壓力對(duì)電池性能的影響，Cannarella 等[6]采用線性可變差動(dòng)變壓器測(cè)量了受預(yù)緊力約束的軟包電池在充放電循環(huán)中的壓力演化規(guī)律[圖5(d)]，發(fā)現(xiàn)電池循環(huán)過(guò)程中的最大壓力與預(yù)緊力正相關(guān)，其可以通過(guò)非線性彈性力學(xué)特性來(lái)解釋；同時(shí)，電池壓力隨循環(huán)次數(shù)發(fā)生不可逆增長(zhǎng)，預(yù)緊力越大壓力增長(zhǎng)越快，且循環(huán)壽命更短。與無(wú)約束的電池對(duì)比，施加少量預(yù)緊力可延長(zhǎng)電池壽命。拆解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，更大的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致更大的電化學(xué)阻抗，呈現(xiàn)出電化學(xué)-力耦合特性，層間接觸不良是無(wú)約束電池容量下降的原因之一。

Oh 等[28]建立了受模組約束的方型電池的唯象力學(xué)模型。該模型將模組視為固定約束，將方形電池外殼和模組內(nèi)墊片視為線性彈簧，利用非線性彈簧模型描述電池壓力與厚度的關(guān)系，通過(guò)獲取電池厚度變化，進(jìn)而估計(jì)受約束電池的壓力，但該工作缺乏對(duì)電池厚度變化的機(jī)理解釋，模型依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，遷移性有限。

綜上，當(dāng)前研究仍然缺乏對(duì)力學(xué)信號(hào)演變規(guī)律所對(duì)應(yīng)的電池內(nèi)部物理化學(xué)過(guò)程(如老化、失效等)的機(jī)理揭示，這是制約力學(xué)信號(hào)在實(shí)際中有效應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，針對(duì)電池開(kāi)展材料-電極-電池多層級(jí)力學(xué)研究，分析電池模量、應(yīng)力應(yīng)變、荷電狀態(tài)和老化狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立電池電化學(xué)-力學(xué)機(jī)理-傳感信號(hào)融合模型，是未來(lái)的重要研究方向。

1.4 氣體傳感

鋰離子電池在化成過(guò)程中電解液消耗生成SEI 會(huì)產(chǎn)生氣體，在循環(huán)服役過(guò)程中SEI 增長(zhǎng)、正極材料晶相轉(zhuǎn)變或者電解液分解也會(huì)產(chǎn)生氣體，在內(nèi)短路、熱失控等過(guò)程中亦產(chǎn)生氣體。因此，氣體監(jiān)測(cè)對(duì)理解電池老化機(jī)理、改良電池材料體系、評(píng)估和預(yù)警電池安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

Schmiege 等[9]設(shè)計(jì)了一種基于氣體取樣口的鋰離子電池原位氣體采集裝置[圖6(a)]，研究了不同電解液配方下NMC811 軟包電池在充放電循環(huán)過(guò)程中的氣體成分和濃度演化規(guī)律。結(jié)果顯示，在首次充放電循環(huán)中，dQ/dV曲線對(duì)應(yīng)的電解質(zhì)還原峰與氣體生成有明顯的相關(guān)性，且電解液體系的微量變化會(huì)改變產(chǎn)氣情況。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的原位采集，但不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖6 氣體傳感

鋰離子電池?zé)崾Э剡^(guò)程產(chǎn)生的氣體包括CO2、CO、H2、CH4和揮發(fā)性有機(jī)物等。Cai 等[10]調(diào)研了不同測(cè)試條件下熱失控產(chǎn)氣的組成和時(shí)序，評(píng)估了不同氣體傳感技術(shù)的效果和成本，最終采用非色散紅外(non-dispersive infrared，NDIR)CO2傳感器監(jiān)測(cè)作為熱失控氣體信號(hào)傳感器。與壓力、溫度、濕度傳感器聯(lián)合使用，研究了三元鋰電池過(guò)充熱失控過(guò)程的電、熱、力、氣傳感信號(hào)[圖6(b)]。結(jié)果表明，過(guò)充時(shí)電池壓力信號(hào)最早發(fā)生突變，是電池失效的最敏感標(biāo)志。壓力信號(hào)變化后的第11 s，CO2信號(hào)突變，僅就信號(hào)突變時(shí)間而言，外部泄露氣體傳感在電池失效檢測(cè)的時(shí)效性上仍落后于力學(xué)傳感。上述現(xiàn)象與電池?zé)崾Э厥录亩辔锢韴?chǎng)演化過(guò)程有關(guān)，熱失控氣體首先造成電池鼓包，繼而引發(fā)電池破裂，隨后泄漏。因此監(jiān)測(cè)到外部泄露氣體的時(shí)間，往往落后于氣體實(shí)際產(chǎn)生時(shí)間。

可見(jiàn)，氣體傳感的難點(diǎn)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。Lyu 等[29]將切有開(kāi)口的軟包電池與NDIR 氣體傳感器同時(shí)置于密封罐中，解決了上述問(wèn)題，但此法需要對(duì)電池造成破壞且無(wú)法避免傳感器過(guò)大無(wú)法植入的事實(shí)，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)階段外部氣體傳感器仍是較為可行的方案。因此，研究電池老化、濫用過(guò)程的產(chǎn)氣機(jī)理，厘清電池產(chǎn)氣、排氣與電、熱、力多種信號(hào)演化過(guò)程的關(guān)系，是氣體傳感有效應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.5 聲學(xué)傳感

聲學(xué)傳感是一類無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，主要包括應(yīng)力波(又名聲發(fā)射)檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。其中超聲波檢測(cè)應(yīng)用更為廣泛：由發(fā)射器發(fā)出的超聲波在試件中遇到聲阻不同的介質(zhì)構(gòu)成的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射/透射現(xiàn)象，通過(guò)檢測(cè)超聲波的飛行時(shí)間(time of flight,TOF)和第一次回波峰值，可以揭示試件的內(nèi)部狀態(tài)。在電池領(lǐng)域，超聲可以用于檢測(cè)電池內(nèi)部損傷[30]、層間氣體積累[31]和電解液浸潤(rùn)情況[32]等。

Deng 等[32]開(kāi)發(fā)的超聲透射成像技術(shù)可利用超聲透射率來(lái)檢測(cè)方型電池和軟包電池的電解液浸潤(rùn)情況[圖7(a)]，除了檢測(cè)電池缺陷和失效情況外，還能夠快速確定最小電解液注入量和潤(rùn)濕時(shí)間，有助于優(yōu)化電池的制造工藝。Meng 等[11]提出了一種基于頻域超聲阻尼分析的量化電池SOC的新方法，利用頻率范圍較寬的時(shí)諧連續(xù)波作為入射波，對(duì)不同SOC的軟包電池進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，并基于多層模型描述了超聲波在軟包電池內(nèi)的傳播行為，模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。該研究結(jié)果增強(qiáng)了基于超聲波的SOC/SOH估計(jì)方法的普適性。Wu 等[33]研究了軟包鋰離子電池過(guò)充狀態(tài)下的電壓、電流、溫度和超聲波信號(hào)，發(fā)現(xiàn)過(guò)充時(shí)電池產(chǎn)氣導(dǎo)致內(nèi)部電極界面變化和電池宏觀厚度增加[圖7(b)]，此時(shí)飛行時(shí)間和第一次回波峰值都快速增加，證明了超聲波在電濫用風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)方面的有效性。然而，超聲檢測(cè)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化仍然面臨電池厚度不能過(guò)厚、檢測(cè)速度較慢等挑戰(zhàn)。

圖7 聲學(xué)傳感

2 總結(jié)與展望

綜上所述，電、熱、氣、力、聲多元信號(hào)的監(jiān)測(cè)可以有效感知電池內(nèi)部狀態(tài)及其演化過(guò)程，對(duì)于理解電池衰退、失效、熱失控等過(guò)程的發(fā)生機(jī)理，開(kāi)發(fā)高可靠高安全電池運(yùn)維技術(shù)具有重要意義。因此，發(fā)展集成多元傳感器的智能電池技術(shù)，有望解決當(dāng)前電池管理系統(tǒng)由于傳感信號(hào)匱乏導(dǎo)致的電池狀態(tài)估計(jì)精度低、全生命周期安全管控難度大的問(wèn)題。然而，作為一新興技術(shù)，智能電池距離真正產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍然在傳感器、電芯設(shè)計(jì)制造、信號(hào)采集傳輸、運(yùn)維管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)等方面面臨眾多挑戰(zhàn)，具體包括：

傳感器：內(nèi)置傳感器是智能電池的核心器件，必須滿足多重要求：1)微型化，即傳感器的引入需最大程度上降低對(duì)電池能量密度的影響；2)耐腐蝕，即傳感器需在苛刻的電解液環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作；3)無(wú)損植入，即傳感器的植入需對(duì)電池自身的性能、壽命和安全性無(wú)影響；4)低功耗，傳感器工作的功耗需遠(yuǎn)小于電池的自放電電流；5)低成本。

電池設(shè)計(jì)制造：傳感器的植入將對(duì)電池的加工工藝和可靠性帶來(lái)挑戰(zhàn)。如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化內(nèi)置傳感器在電芯內(nèi)部的空間布局，最小化降低傳感器植入對(duì)現(xiàn)有電池產(chǎn)線的影響，開(kāi)發(fā)低成本智能電池制造工藝，是未來(lái)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

信號(hào)采集與傳輸：多元傳感信號(hào)需要通過(guò)有線或無(wú)線的方式傳輸至外部BMS。有線通信的方式需要有線束穿過(guò)電芯殼體，對(duì)電芯的加工制造和密封帶來(lái)極大挑戰(zhàn)；無(wú)線通信的方式具有更好的密封性，并且可以大幅降低電池系統(tǒng)中的線束連接，提高系統(tǒng)集成度。然而，無(wú)線通信需要將信號(hào)采集芯片至于電池內(nèi)部，其與內(nèi)置傳感器一樣面臨微型化、無(wú)損、耐腐蝕、低功耗、低成本等挑戰(zhàn)。同時(shí)，如何將無(wú)線信號(hào)高可靠地穿透電芯的金屬殼體將是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

智能運(yùn)維系統(tǒng)：發(fā)展智能電池的最終目的是實(shí)現(xiàn)電池全生命周期高可靠、高安全的運(yùn)維，其核心在于高精度電池狀態(tài)估計(jì)和管理算法的開(kāi)發(fā)。因此，研究和揭示電、熱、力、氣、聲等傳感信號(hào)與電池衰退、失效、失控等機(jī)制的本征關(guān)系，建立多元傳感信號(hào)與電池健康和安全狀態(tài)的映射，進(jìn)而構(gòu)建高精度電池狀態(tài)估計(jì)算法和精細(xì)化智能運(yùn)維系統(tǒng)，是未來(lái)的重要發(fā)展方向。