影响商用动力锂离子电池组可靠性和安全性的主要因素之一是在复杂运行工况下难以保证电池组容量一致性。解决这一问题的关键是在不将电池组拆开进行破坏性测试的情况下，准确检测电池组内电池容量一致性并进行维护。然而，目前仍缺乏动力电池组容量一致性电芯级别精确检测方法。
中国科学技术大学工程科学学院先进感知、数据融合及智能运维课题组毛磊特任研究员提出一种基于磁场扫描成像的动力电池组容量一致性原位检测技术。该技术能实现电池组内电芯级容量一致性非接触无损检测。相关研究成果以“In Situ Detection of Lithium-Ion Battery Pack Capacity Inconsistency Using Magnetic Field Scanning Imaging”为题，于2022年1月13日发表在Small Methods上，并被Advanced Functional Materials选为 “Hot Topic”介绍。
锂离子电池正负极材料中含有镍钴锰、石墨等磁性材料，放电过程中由于氧化还原反应和嵌锂脱嵌变化，电极材料磁化率发生改变从而会导致电池周围感应磁场变化。在电池组中，电芯非均衡电流变化也会导致感应磁场变化。为了区分这两个影响因素，该工作通过仿真模型和实验研究，确立了以By为测量对象的策略。该策略可以突出非平衡电流引起的感应磁场变化，且最小化材料磁化率对测量结果的干扰。
图1 电池电流和电极磁化率变化对磁场分布的影响
使用磁场扫描成像原位检测电池组容量一致性的原理如图2所示。在复杂运行工况下，动力电池组中电芯容量一致性逐渐变差（图2a）。在充放电过程中，容量不一致的电芯会产生非平衡电流（图2b）。这种非平衡电流会加速电芯性能老化、加剧电池组容量不一致，以及产生过多热量带来潜在的热失控等安全风险。这种非平衡电流会导致电池组外部感应磁场变化（图2c）。通过检测电池组外部感应磁场，就可以得知电池组内部非平衡电流变化，进而评估其容量一致性，以及可以根据磁场变化特征准确定位故障电池位置（图2d）。
图2 基于磁场成像原位检测电池组容量不一致性的原理。（a）电池组中电芯容量不一致问题。（b）容量不一致的并联电芯放电电流。（c）磁场测量平面及磁场仿真结果。（d）检测方法原理图。
如图3所示，选取典型的两串两并电池组验证该方法的有效性，被测电池组包含不同位置的低容量电池。根据主成分分析结果可以看出，该方法不仅可以评估电池组容量一致性，还可以定位低容量电池位置。根据研究结果可以看出，该技术在实际中很大的应用潜力，可用于在线非侵入式检测电池组内电芯容量一致性，如在换电站检测电池组以识别和定位故障电池进行更安全高效的更换维护，以及适用于新组装电池组出厂前一致性测试、储能电站的检查维护、退役电池的性能诊断等场景。
图3 使用磁场图检测电池组容量一致性。（a）电池组磁场图。（b）主成分分析结果。
工程科学学院博士生汪航为本论文的第一作者，毛磊特任研究员为该论文的通讯作者。这项工作得到了基金委、安徽省及合肥市资助。
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smtd.202101358