影响商用动力锂电池组可靠性和安全性的主要因素之一是复杂运行工况下电池组容量不一致性。解决这一问题的关键是针对电池组进行原位无损检测，准确检测电池组容量一致性状况并开展相对应的维护措施。然而，目前仍缺乏精确的电芯级别动力电池组容量一致性原位无损检测方法。
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原位无损检测。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。
图1 基于磁场扫描成像的动力锂电池组容量一致性原位检测技术
锂离子电池正负极含有镍钴锰、石墨等磁性材料，充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，从而电池周围的感应磁场会发生变化。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（图2）。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2 电池电流和电极材料磁化率对感应磁场的影响
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原理如图3所示。在复杂运行工况下，电池组中电芯容量一致性逐渐变差（图3a）。电芯容量不一致会在充放电过程中导致电池组内产生非平衡电流（图3b）。这种非平衡电流会产生过多热量，加速电芯性能老化、加剧电池组容量不一致，以及带来潜在的热失控等安全风险。非平衡电流将导致电池组外部感应磁场变化（图3c），通过检测电池组外部感应磁场变化，就可以反演电池组内部非平衡电流变化，进而可以评估电池组容量一致性。此外，可以根据磁场变化特征准确定位故障电池位置（图3d）。
图3 基于磁场成像检测电池组容量一致性。（a）电池组容量不一致问题。（b）电池组内部非平衡电流。（c）磁场测量平面及磁场仿真结果。（d）检测方法原理图。
根据实验验证结果可以看出（图4），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具体位置。因此，该技术具有很大的实际应用潜力，可用于电池组内部电芯容量一致性的在线非侵入式检测中，比如在换电站电池组检测、故障电池的识别和定位，以及新电池组出厂前一致性测试、储能电站检查维护、退役电池性能诊断等场景。
图4 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