在由SMM主办的CLNB 2024（第九届）中国国际新能源产业博览会-主论坛宏观专场上，北京理工大学深圳汽车研究院首席科学家姜久春围绕“基于压力的电池状态估计和安全预警方法研究”的话题作出分享。

锂离子电池压力测量的意义

电池的问题：目前猝死电池仍然找不到有效的办法来进行预警，电池的SOC和SOH尚未得到彻底解决；

压力的问题：锂离子的脱嵌过程导致电极材料的体积变化，电流密度和温度分布不均匀引起的不均匀应力分布。

压力检测的重要性：增加对电池应力变化的监测，有可能提高电池的性能和可靠性。

随着锂离子电池充放电循环进行，微观原子晶格体积膨胀导致电极颗粒和SEI膜机械断裂，引起不可逆的容量损失和内部结构失效，增加了电池发生热失控的安全隐患。

亟需对机械应力下锂离子电池性能进行系统性研究！

研究目标及研究进展

研究目标：循环实验，建立更精准的电池模型，构建更安全的储能电池监管体系

技术创新：探明复杂工况下储能电池全生命周期电-热-力-气演化规律，构建数据-机理融合的储能电池模型库（数字孪生）。

研究目标：亟需添加力学的电池安全监测架构

储能电池“电-热-力-气-阻”传感芯片一体化集成关键技术研发

技术创新：开发集成“电-热-力-气-阻”传感信息采集功能的一体化采集系统。

研究目标：通过力学完善电池损伤机理的研究

技术创新：研究计及老化、性能衰退和安全损伤的电池多物理场机理模型。

研究进展：磷酸铁锂电池在循环条件下的膨胀应力特性

电池膨胀应力增长机制

电池不可逆膨胀与容量衰减呈正相关性，负极SEI膜的形成是电池不可逆膨胀增长的根本原因。

磷酸铁锂电池在循环条件下的膨胀应力特性

通过高温快充循环实验发现，电池膨胀力与环境温度、充放电倍率和初始压力相关。高温下，电池内副反应量增大造成电池膨胀量增大；大倍率充电，负极锂离子浓度增大造成电池膨胀应力增大；较高的初始预紧力抑制电池的膨胀，但可能对电池的性能产生影响。且电池膨胀应力增加与电池容量衰退呈现正相关性。

电池电-热-力多物理场耦合性能机理模型

研究进展：在不同预紧力下进行了不同倍率条件的电池膨胀力测试和参数标定，模型添加了力对电极微观孔隙率和电池宏观厚度的影响，模型对电压、温度、应力预测具有较高精度；

后续计划：耦合力与电池老化机理，完成长循环实验标定。

基于膨胀力信号的锂离子电池析锂检测方法

析锂诱导实验条件磷酸铁锂电池膨胀力变化特性

薄膜应力传感器

柔性压力传感技术

传感器原理：基于核孔膜倒模工艺的柔性压力传感技术

高灵敏度的柔性压力传感器，优点在于接触面积变化，灵敏度高；电容值较大，抗干扰强；柔软，可以与锂电池共形变化。

基于薄膜压力传感器的电池原位膨胀检测系统

测力系统：薄膜式力传感装置设计

基于压力薄膜和多功能芯片低成本、高集成度等特点，设计了可测量模组中任意电芯的薄膜式热、力传感器装置。

系统组成：由采样板和控制板组成，采样板用于采集每个电池的温度和压力，并通过差分菊花链传输到控制板，控制板汇总所有数据，通过CAN总线或工业以太网与外界进行数据传输。

布置方案：每个电芯配1块采样板，布置在电芯极耳处；每个模组配置一块控制板。

力学检测系统组成：薄膜压力传感器、数据采集器以及数据上位器软件。

力学检测系统-传感器优势：

超灵敏、大量程：压力电容灵敏度上限可达100 kPa-1，压力量程可测量范围：整列厚度不超过1mm。

可靠性：行业领先的可靠性确保传感器在数千次的循环中不会失效。灵活的结构确保在具有复杂轮廓的表面上进行精确测量。

宽定制：传感器具有多种规格形式，满足各电池测试场景需求，也可更具客户需求进行单独定制。

强大的数据采集器

数据采集器是用于收集和处理来自薄膜压力传感器的数据的设备。通过快速的电子扫描，可以量测各个感测元件的阻值数据，并通过简单的校准功能即可得到作用于传感器上力和压强的大小、受压时间和位置。

采集器的特点：

多传感器、高分辨采样：支持16+16传感器数量，支持测量点数最多为32个；

支持高分辨率采样：采集器支持采样频率1-100 Hz，可更具需求灵活调整；

多种数据传输：支持蓝牙无线（采样频率不超过50 Hz）实时传输和有线实时传输两种模式；

支持USB、Wifi：采用非侵入性电池检测非常有优势，避免了对物体本身性质的影响。

灵活供电方案：5000mAh电池/8小时工作（无线版本）5V 0.3A USB口供电（有线版本），满足电池压力测试过程中的多场景。

实验方法及数据表征

通过使用固定装置将测试电池和力传感器固定，并将电池和充放电设备相连。由于电池的膨胀并不均匀，在电池和力传感器之间放置一块可以上下自由移动的铁板来将膨胀力均匀分布，并进行实时测量。测试装置连接完毕后，将其置于温度箱内。

系统应用：电池外表面膨胀力实验监测

通过对充放电过程的压力分布测量分析，整体看压强曲线变化和充放电过程相对应。在充放结束后电池内部会发生弛豫现象，相当于从紧绷状态弛豫到疏松的过程，每个充放电过程都会有该现象，快充更明显。

系统应用：电池边缘受力实验监测

监测电池边缘受力情况，电池长度较大，上下两头由于夹具的存在受力较多，中间受力则不明显。充电前，电池中间受力少，整体压强偏大。随着充电的进行，电池膨胀，受力面积明显变大，上下两头压强数据逐渐变小，中间开始有了压强数据，整体压强也会随之变小。静置后，电池弛豫，恢复初始状态，中间受力面积减小，整体压强变大。