超聲技術(shù)在鋰離子電池中的測試和分析

超聲技術(shù)在鋰離子電池的測試和分析中展現(xiàn)出較高的成本效益和廣闊的發(fā)展前景。

全球電動汽車和固定式儲能系統(tǒng)（ESS）市場的鋰離子電池的生產(chǎn)和供應(yīng)正在以指數(shù)級增長。同時，制定更安全高效的電池測試、管理與再利用解決方案也已經(jīng)成為未來實現(xiàn)完全“零”排放目標(biāo)的重要一步。

電動汽車的設(shè)計制造代表了汽車行業(yè)中的一個重大“范式轉(zhuǎn)換”，如新的駕駛系統(tǒng)、技術(shù)和測試項目。這一變革帶來了新的挑戰(zhàn)，同時也促進(jìn)了汽車電子架構(gòu)與軟件的發(fā)展。

如何有效測試電池組以及電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車需要解決的一個重要的驗證與安全問題。BMS是一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)，用于監(jiān)控電池組的性能、安全以及管理其內(nèi)部儲存的大量電能。電池或系統(tǒng)失效可能會對電動汽車造成重大影響，如引發(fā)火災(zāi)或爆炸。

許多軟硬件故障都會影響鋰離子電池的安全性，而熱失控故障是導(dǎo)致鋰離子電池失效的罪魁禍?zhǔn)?。除此之外，電池失效的主要原因還包括析鋰、滯留能量、傳感器與控制的精度與復(fù)原問題，以及老化問題等。

超聲技術(shù)可以幫助實現(xiàn)精度、安全與性能更為出色的鋰電池測試、管理與再利用，展現(xiàn)了出色的成本效益和廣闊的應(yīng)用前景。超聲波是一種頻率高于20kHz（超出人類的聽覺范圍）的聲波，作為一種安全性得到證實的無損檢測技術(shù)已有多年的應(yīng)用歷史。最常見的應(yīng)用，比如孕婦的超聲檢查，為“看到”腹中胎兒的父母帶來歡樂。除了醫(yī)療方面的應(yīng)用外，超聲技術(shù)也用于探測距離、工藝材料、化學(xué)品，以及建筑和軍事領(lǐng)域?，F(xiàn)在，超聲波也被應(yīng)用于電池的生產(chǎn)和檢測。

將超聲波應(yīng)用于電池

電池和電動汽車的制造商以及消費電子行業(yè)的OEM都會詢問同一個問題：通過“透視”電池內(nèi)部，能否提高傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的質(zhì)量、性能與安全性？

電池理想的生命周期是一個閉環(huán)系統(tǒng)，即電池在回收之前就已經(jīng)得到了最充分的利用。雖然趨勢表明電池架構(gòu)的設(shè)計越來越重視二次利用，但目前大部分電池依然是為了更好地滿足一次利用的需求，因為一次利用的時間通常是最長的。

電池管理系統(tǒng)（BMS）是監(jiān)測和管理電池、確保其一次利用的安全及性能的主要控制裝置。傳統(tǒng)的BMS結(jié)合輸入電壓（V）、電流（I）與溫度（T）來確定如何安全監(jiān)測鋰離子電池的輸出、荷電狀態(tài)（SoC）以及健康狀態(tài)（SoH）。但是，現(xiàn)有的BMS技術(shù)無法準(zhǔn)確地測量SoC和SoH，只能進(jìn)行估算，也無法在電動汽車或儲能系統(tǒng)（ESS）運行時測量其內(nèi)部某塊電池的SoC和SoH，而且僅用軟件無法解決這一問題。

要測量電池的SoC和SoH，就要采用能夠感知電池內(nèi)部變化的技術(shù)，而不是根據(jù)電池的外部變化來得出估計值。醫(yī)療中的超聲診斷應(yīng)用的就是這種方法，現(xiàn)在也可以用于電池診斷了。

利用電容式微加工超聲換能器（CMUT）通過電池反射或發(fā)射超聲信號。然后利用機器學(xué)習(xí)（ML）算法在不同溫度和降解率下進(jìn)行數(shù)千小時的電池充放電循環(huán)，對該信號進(jìn)行分析和表征，并據(jù)此為每個電池建立一個計算模型。

超聲波信號通過鋰離子電池傳輸。（Ultrasound BMS）

確定電池表征后再使用超聲波測量實時SoC和SoH，便可產(chǎn)生高精度的結(jié)果。與此同時，動態(tài)測量會產(chǎn)生電池的容量和壽命數(shù)據(jù)，因此無需像傳統(tǒng)BMS一樣采用人工測量來彌補實時數(shù)據(jù)的不足。

表1：各種過充電條件下的超聲波性能。（Ultrasound BMS）

與傳統(tǒng)的BMS不同，超聲技術(shù)也可以檢測和防止熱失控，而且在發(fā)生災(zāi)難性事故之前向終端用戶預(yù)警并調(diào)整電池行為。表1摘自《電源期刊》（Journal of Power Sources）總結(jié)了多種過度充電情況下的超聲波性能，而且描述了兩種類型的電池失效預(yù)警。

預(yù)警時間：當(dāng)超聲波開始偏離基線時

斷電：當(dāng)超聲波波動較大，預(yù)示即將發(fā)生災(zāi)難性事故時

Titan Advanced Energy Solutions公司通過反復(fù)觸發(fā)四種不同的失效模式，已經(jīng)確定了一種可靠的預(yù)警條件，可以預(yù)留時間來更改電池控制設(shè)置，并采用“E-stop”（斷電）模式將電池與汽車完全斷聯(lián)，以避免發(fā)生災(zāi)難性事故。全球統(tǒng)一汽車技術(shù)法規(guī)（GTR）第20號要求在電池失效前5分鐘進(jìn)行預(yù)警，以避免造成人身傷害（GTR是聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會（UNECE）旗下的全球規(guī)范組織）。

圖2：評估快速充電對鋰離子電池影響的實驗數(shù)據(jù)。（Ultrasound BMS）

使用超聲波評估快速充電的相關(guān)影響（例如析鋰）的早期實驗也顯示出良好結(jié)果。圖2顯示了進(jìn)行快速充電時超聲波信號特征的顯著差異（1.67C與C/4的對比）。
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簡化GIGAFACTORY的質(zhì)量控制

電池失效的原因有很多：機械濫用、電氣濫用、熱濫用與管理不善，但是其根本原因通常是電池制造過程中的缺陷。工廠制造的電池并非全都一樣，電池制造業(yè)的“理想”是生產(chǎn)出完全同質(zhì)的電池。2020年，羅蘭貝格公司發(fā)布的一份報告表示：“生產(chǎn)成本在整個電池成本中占據(jù)很大份額（22%），是最有希望降低電池成本的杠桿，而且這也是設(shè)備制造商們可以發(fā)揮作用的地方。”

大多數(shù)的電池質(zhì)量與保修問題可以追溯至電極制造階段，因此，精簡高效的質(zhì)量控制是降低電池成本的關(guān)鍵。但是因為缺乏經(jīng)濟(jì)的傳感技術(shù)，從電解液填充階段到電池出廠的各個階段，我們對電池內(nèi)部的了解都存在顯著不足。

用于檢測新電池異常的CT和超聲波掃描；電池單元的CT掃描（左）和超聲掃描（右）。超聲波檢測到其中一個細(xì)胞層內(nèi)有撕裂，這一點通過CT掃描得到證實。超聲波還能夠清楚地檢測到其他使用CT技術(shù)未檢測到的物理異常（紫色陰影）。（Ultrasound BMS）

到目前為止，昂貴的測試技術(shù)使可檢測每塊電池的質(zhì)控系統(tǒng)難以得到應(yīng)用。而使用超聲技術(shù)，只需花費相當(dāng)于現(xiàn)有計算機斷層掃描（CT）系統(tǒng)成本的一小部分，就可以對每塊異常電池進(jìn)行很有價值的透視檢測。

超聲技術(shù)還可以用于在生產(chǎn)線上快速準(zhǔn)確地檢測電池問題，避免在實際運行中發(fā)生問題，并減少生產(chǎn)報廢成本。歐洲和美國的超級電池工廠正在投資和研發(fā)超聲檢測技術(shù)，以滿足快速增長的電動汽車電池供應(yīng)需求。

展望未來

超聲波在電池測試和管理中的應(yīng)用仍處于早期階段。然而，它能夠“透視”電池內(nèi)部并基于實時分子觀測創(chuàng)建模型，這使得該技術(shù)極具前景。超聲波在電池全生命周期中的多種潛在應(yīng)用吸引了行業(yè)參與者與資助早期技術(shù)開發(fā)的投資商。

基于這一點，Titan Advanced Energy Solutions于2022年7月榮獲美國能源部（DOE）鋰離子電池回收獎的第三階段獎項。美國能源部設(shè)立多階段鋰離子電池回收競賽獎金，以激勵美國企業(yè)“研發(fā)并展示相關(guān)技術(shù)，在技術(shù)推廣時有潛力將美國廢棄或廢舊鋰電池的回收率提升至90%，并將回收的關(guān)鍵材料重新投入美國供應(yīng)鏈?！?/p>

雖然美國能源部發(fā)起的競賽旨在最大限度提高鋰離子電池的回收率，但是Titan另辟蹊徑，極大地延長了電池在回收前的使用壽命，延遲了電池的回收時間，降低了電動汽車市場對新電池的需求。






審核編輯：劉清