SSB蓄电池基于激光信号的锂离子电池故障预警与定位

2026-03-24 17:50:24

与热失控（TR）相关的安全隐患是阻碍锂离子电池（LIBs）大规模应用的主要障碍。若未能快速识别并处置故障电池，将迅速引发灾难性事故。本文提出一种针对电池组内热失控的安全预警与定位方法。故障电池喷发的汽化电解液（VE）会遮蔽并反射激光束，通过分析反射信号的相位偏移，可同时实现安全预警与精确定位。首先，考察了VE在不同波长下的激光阻断能力。随后，在实际电池组配置中，对商用100Ah磷酸铁锂（LFP）电池进行过充和过热测试，并采用激光模块进行热失控（TR）检测与定位。结果表明：当安全阀触发时，该激光系统能可靠地识别故障电池并精确定位其位置。此时电池尚未进入完全热失控状态，可及时采取断电或冷却等干预措施以防止事故升级。本研究为锂电池储能系统及电动汽车的安全监测与定位提供了一种创新方法。

引言

近年来，锂离子电池（LIBs）因其高能量密度、长循环寿命和极小的记忆效应而实现了快速增长与广泛应用[1,2]。其中，磷酸铁锂（LFP）电池在电动汽车动力系统中日益普及，而LIBs正逐渐成为电池储能电站的标准配置[3,4]。尽管取得这些进展，热失控（TR）引发的安全问题仍是LIBs实际应用面临的主要挑战。这类电池的高能量密度往往会在热失控发生时加剧事故严重性[5,6]。
TR（热失控）指电池内部因放热链式反应导致温度急剧升高的过热现象。该现象通常发生于滥用条件下，包括机械滥用[7,8]、电气滥用[9,10]和热滥用[11]。这些条件会加剧不可逆副反应，进而引发内部短路、寿命衰减，甚至火灾爆炸等灾难性安全事件[12,13]。随着电池长期使用老化，单体电池间不一致性加剧，使得高能量密度系统更难预防过充滥用[14]。安全预警与及时保护措施对降低此类风险至关重要[15,16]。在TR发生前，电池内部温度升高会触发副反应，产生大量CO、CO₂、H₂及汽化电解液(VE)等气体[17,18]。内部压力积聚将导致电池膨胀。当压力超过临界阈值时，电池顶部的安全阀开启，释放压力并排出大量VE（电解液蒸气）。此时电池尚未进入完全热失控（TR）状态[19]。然而若安全阀开启后未迅速采取断电等保护措施，持续的副反应与空气中氧气的参与将导致温度急剧升高，推动电池进入不可逆的热失控阶段[20,21]。在热失控完全形成前，电压与温度会出现可观测的变化。此外，安全阀开启时伴随有物理特征指标，如可闻的声响以及白色烟雾状VE的释放。这些因素共同构成电池热失控安全预警的关键指标[22,23]。
众多研究通过监测热失控（TR）早期阶段的各项参数，致力于开发锂离子电池（LIBs）的安全预警系统。传统电池管理系统（BMS）通过追踪电压和温度来评估电池状态。电压监测需实时跟踪每节电池的电压，当电压因过充超出正常范围或因过放/内部短路低于正常范围时，系统将采取相应动作。然而随着电池老化及长期使用，电芯间的性能差异使得仅凭电压参数难以在TR发生前建立可靠的安全阀开启判断标准。此外，模组内部电芯的串并联结构使得单体电池的异常电压变化检测更为复杂[24]。而基于外部温度监测的安全预警则受限于电池本身的热惯性。电池内部温度波动传递至外表面所需的时间延迟，使得难以及时探测内部异常。当观测到外表面温度显著升高时，电池往往已处于热失控（TR）边缘。此外，外部温度监测易受环境因素干扰，这为建立精确的安全预警阈值带来困难[25,26]。尽管通过内部温度与应力监测可有效识别电池异常，但相关传感器的设计与集成仍存在挑战[[27], [28], [29]]。此类监测方法还需实时采集每个单体电池的数据。鉴于电池包中电芯排列紧密，传感器的成本与维护成为显著难题，而复杂的布线可能引发安全隐患[30]。同样地，通过监测电池包整体压力与Gas浓度变化进行安全预警也面临类似问题。由于电芯间存在差异性，传感器的最优数量与布局难以确定。高精度电化学气体传感器使用寿命有限，而监测整体模组仅能提供General预警，无法定位具体故障电芯，增加了事故后处理难度[31,32]。目前，针对电池包内易发生TR电芯的安全预警与定位，仍缺乏有效解决方案。
本研究提出了一种基于激光信号的方法，用于锂离子电池热失控(TR)的安全预警与定位，采用简单的激光发射与探测系统。该方法通过检测安全阀开启时电池喷射出的挥发性电解液(VE)对激光光束的阻挡与反射，从而实现故障识别与定位。实验研究首先考察了VE对不同波长激光信号的阻挡与吸收效应，识别出最易受VE干扰的激光波长。随后，在液冷电池包中，对不同荷电状态（SOC）的锂离子电池进行过充和过热以诱发热失控（TR）。采用激光预警模块提供TR安全警报，同时全程持续监测电压、温度、声信号及扩展包力。最终通过激光定位模块实现故障单体定位，在识别故障单体后执行自动断电或终止加热操作，以验证早期干预的有效性。实验结果表明：当安全阀开启时，激光信号能成功检测故障单体并实现精确定位。此时电池尚未进入TR阶段，及时采取断电等措施可有效阻止TR进程。
本研究首次提出利用平行宇宙对激光信号的遮蔽与反射效应，实现锂离子电池热失控的安全预警与定位。通过采用简易光电转换模块或激光测距模块，可有效检测并定位电池组中的故障单体，从而为储能电站和电动汽车运行提供更高安全保障。