新能源汽車電池箱泄漏檢測技術(shù)研究

羅宇輝

興寧市高級技工學(xué)校 廣東省梅州市 514500

目前，隨著新能源汽車技術(shù)的快速發(fā)展，在電動汽車領(lǐng)域，充電設(shè)備已經(jīng)成為了最重要的部分。電池是一種能量轉(zhuǎn)換裝置。它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能。當(dāng)電源斷開時就會產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)和熱釋放出熱量從而導(dǎo)致溫度升高；如果電池中電解液濃度過高則有可能引起電極損壞、老化等問題發(fā)生事故或引發(fā)安全隱患事件等等一系列的后果都與之有關(guān)系統(tǒng)在新能源汽車充電器上，所以新能源汽車電池箱的設(shè)計和制造都需要考慮到充電器件中電解液溫度、電流，以及電池是否漏電等問題。

1 鋰電池箱泄漏檢測系統(tǒng)

1.1 鋰電池箱泄漏檢測概述

鋰電池實際上是一種能量儲存裝置，可以在充放電過程中存儲電能，但其容量不能作為一個整體來考慮。所以我們要對充電電流進行監(jiān)測和控制。由于鋰離子電池的工作原理比較簡單、操作起來容易用便捷等優(yōu)勢都使得它被廣泛地應(yīng)用到各個領(lǐng)域當(dāng)中去了；但是因為目前還沒有統(tǒng)一的檢測方法以及標準規(guī)范來約束鋰電池，因此在實際生產(chǎn)過程中很難將這些因素完全協(xié)調(diào)在一起，這就導(dǎo)致一些問題發(fā)生時無法準確判斷出是否存在充放電缺陷。鋰離子電池是一種高電壓、體積龐大的二次電子元器件，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外部環(huán)境對它影響很大，這也導(dǎo)致了充放電過程中產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)。目前市場上主要有兩種檢測方法：第一種為傳統(tǒng)法。第二種則是非破壞性式和自修復(fù)性相結(jié)合的方式來進行判斷電池是否存在缺陷以及故障源所在位置等問題。其中自修復(fù)式檢測方法是指電池在發(fā)生充放電時，通過外部的電感和電解液以及內(nèi)部化學(xué)吸附等物質(zhì)對充電過程產(chǎn)生影響并進行判斷。非破壞性式則是非破壞性性原理進行判斷，主要利用了鋰離子電池中的金屬鎳鎘或錳酸鉀作為電極材料來實現(xiàn)其性能與外界環(huán)境因素之間是否存在一定程度上差異從而達到檢測缺陷目的。鋰電池箱的內(nèi)腔是一個封閉的電路，內(nèi)部主要存在有內(nèi)部和外部兩個方面。其中，內(nèi)部分為三大部分：儲能部件、保護電極以及電解液。而外部包括了蓄電部分(如外殼)還有一些輔助器件(例如插頭、放電管等)；內(nèi)為一個循環(huán)系統(tǒng)和多個功能子系統(tǒng)構(gòu)成電池充電器件。

1.2 鋰電池箱的泄漏檢測傳感器

鋰電池充放電過程中，充電電流過大、過流損耗以及溫度上升等因素都會導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻增大。因此在檢測的時候要對其進行嚴格地控制。（1）充電器件：因為不同類型的蓄電材料有不同特點而具有較大差異性所以需要選擇合適種類和大小來滿足實際需求。（2）儲能器件：由于鋰離子電池體積比較小，容量相對來說也比大；并且充電電流會隨著溫度上升迅速增大，所以需要選擇合適的電流值。（3）電池溫度：當(dāng)鋰離子電池充放電時，其內(nèi)部會產(chǎn)生大量游離出水，因此在這種情況下就必須采取有效地措施來降低鋰離子電池內(nèi)阻。由于不同種類蓄電材料有不同特點和特性從而導(dǎo)致了對充電電流、電壓等參數(shù)有著不一樣的要求；同時隨著時間推移以及環(huán)境變化也可能使得電極電阻不斷發(fā)生變化。所以要想實現(xiàn)準確檢測電池充放電過程中內(nèi)部壓力的大小并且滿足實際需求，就必須選擇合適的電極。

1.3 鋰電池箱泄漏檢測的測量裝置

電池箱內(nèi)氣體檢測鋰離子電池具有高容量、低功耗的優(yōu)點，但是在充放電過程中，電解液容易產(chǎn)生有毒物質(zhì)。所以為了降低鋰電汽車安全事故發(fā)生概率和減少污染問題的出現(xiàn)。我們選擇了一種無接觸式溫度測量系統(tǒng)來對充電電流進行監(jiān)控；同時還采用了多種傳感器相結(jié)合方式對蓄電量進行采集與監(jiān)測：電壓型傳感器主要是用來檢測電池箱內(nèi)氣體泄漏情況、溫度、濃度等數(shù)據(jù)信息并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后進行處理，最終得到電池箱內(nèi)氣體濃度。鋰電池溫度測量系統(tǒng)的核心裝置是恒溫模塊。該模塊采用的是對不同充電電流下的電池電極進行實時監(jiān)測。當(dāng)環(huán)境中存在較大變化時就會使其保持在一定穩(wěn)定值范圍之內(nèi)，并采集到數(shù)據(jù)信號傳輸給控制器后經(jīng)過一系列算法計算出反應(yīng)時間、電壓等參數(shù)，再通過與標準電動車電動汽車容量設(shè)定曲線比較得出結(jié)果來判斷是否達到了設(shè)計要求；當(dāng)電池溫度過高或者過低時，就會發(fā)出報警聲，提醒工作人員及時處理。

2 動力電池泄漏檢測現(xiàn)狀

在汽車電池箱內(nèi)的檢測技術(shù)中，動力電池是非常重要和關(guān)鍵性的。目前我國新能源汽車發(fā)展迅速，但是動力鋰離子能量密度低、循環(huán)壽命短。這使得傳統(tǒng)燃油車存在充電效率過低等問題；同時隨著電動車輛使用時間越來越長以及對環(huán)境污染日益嚴重這一現(xiàn)實要求下也導(dǎo)致了很多新能源車型被淘汰或者替換出來；所以在這種情況之下我們需要不斷更新技術(shù)來提高電池箱的性能和質(zhì)量，這樣才能滿足市場需求并且能夠有效減少電池產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象發(fā)生。動力電池的發(fā)展和使用，使電動汽車技術(shù)不斷進步，但是在實際應(yīng)用中還存在一些問題。目前我國新能源車用鋰離子動力電源主要有兩種方式：一種是傳統(tǒng)充電模式；另一種則為蓄電式。這兩類方法都是通過電池內(nèi)部產(chǎn)生大量電流來驅(qū)動負載進行工作的，所以能量利用率都比較低并且安全性較差；另外還有一個重要缺陷就是成本較高、使用壽命短等缺點。在動力電池的充放電過程中，充電電流越大，電池容量就越小，當(dāng)儲電量不足以支持其工作時就會造成蓄電式鋰離子動力電源裝置產(chǎn)生過電壓問題。由于這種情況下鋰鎳材料是不具有記憶效應(yīng)且體積較大、重量較重并且沒有足夠容量支撐整個系統(tǒng)。但是如果出現(xiàn)了嚴重短路或者斷線等現(xiàn)象則會導(dǎo)致電池失效從而影響到整車的安全運行，所以在電池充放電過程中，需要對其進行嚴格的檢測。

3 新能源汽車電池箱泄漏表現(xiàn)及危害

目前，新能源汽車電池箱的主要結(jié)構(gòu)為充電器、蓄電和充電電路組成。其中，充電器包括了鋰離子動力裝置(簡稱儲能器)。在電池工作時，通過對電流進行控制來實現(xiàn)能量的儲存與釋放；而蓄電量則是為了給電動汽車提供一個恒定電壓或者電壓值以供給所需電能及相關(guān)設(shè)備使用用電需要所用電源的一種重要形式的功能部件——超級電容、放電管和電容器等組成。隨著新能源技術(shù)不斷發(fā)展以及人們生活水平提高，對電池安全性能及使用壽命提出了更高的要求，所以，新能源汽車鋰離子動力裝置電池箱在充電器方面有很大優(yōu)勢。由于電池箱的主要組成成分是電極，所以，當(dāng)充電器中發(fā)生泄漏時就會對電池造成損壞。根據(jù)不同分類方式來劃分其泄露原因也有所不同。在新能源汽車電池箱運行過程中，需要持續(xù)進入濕潤的空氣、氫氣，氫氣在電池堆膜片一端消耗后會出現(xiàn)物理水凝現(xiàn)象。水凝現(xiàn)象中存在的水會直接干擾電池堆膜片的有效性，間接沖擊電池堆的運行效率。在水凝現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生一段時間后，需要利用部分氫氣將過量累積的水分吹走，而這部分氫氣無法進入電池堆與氫氣發(fā)生化學(xué)作用，而是作為廢氣排出，造成氫泄漏。由于氫氣的爆炸極限在4.00%～75.00%范圍內(nèi)，一旦泄漏導(dǎo)致車輛行李倉或所處車庫的氫含量超出這一范圍，就會對乘員身體健康、環(huán)境安全造成影響。比如，行車或行駛中停車階段，因旁邊車自燃而引發(fā)熱失控，泄漏有毒煙氣，造成人員傷亡、環(huán)境污染等。

4 新能源汽車電池箱泄漏檢測技術(shù)

4.1 差壓檢測

差壓檢測是新能源汽車電池箱泄漏檢測時常用的技術(shù)，主要是將壓力一致的氣體充入基準物件、被檢測物件兩個端頭，促使差壓傳感器兩個端頭處于平衡狀態(tài)。此時，一旦被檢測物體出現(xiàn)泄漏（含微小泄漏），差壓傳感器也會在時間推移過程中出現(xiàn)平衡不再的征兆?；诖耍梢詸z測差壓傳感器輸出以時間為基準的漏氣量信號，判定電池箱是否泄漏。

4.2 支持向量機

電池箱氫氣泄漏故障特征指標，并經(jīng)PSO優(yōu)化的徑向基核函數(shù)支持向量機在線識別電池箱小流量氫氣泄漏問題。整個應(yīng)用過程需要借鑒監(jiān)督式分類方法，經(jīng)非線性變換，將輸入值變換至一個更加高維的空間。在高維空間內(nèi)尋找數(shù)據(jù)最優(yōu)分類面，區(qū)分正常數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)。即假定一組線性可分數(shù)據(jù)Xn（∈Rd）的類別為yn（=±1），其中1≤n≤N，高維空間維度為d（實數(shù)參數(shù)），則分類超平面W（x）對全部數(shù)據(jù)樣本進行正確分類時，滿足條件為：

根據(jù)質(zhì)量交換方程，電池箱正常運行時，氫氣瓶輸出氫氣流量與電池堆陽極流道內(nèi)氫氣反應(yīng)量及質(zhì)量變化率、尾氣閥氫氣排出量、電池堆完好系統(tǒng)內(nèi)氫氣經(jīng)各密封件縫隙泄漏流量（極小，可忽略）、管路氫氣質(zhì)量變化率（極小，可忽略）的相加值。若設(shè)定電池箱氫氣泄漏特征值指標為H（h），則在電池箱無泄漏情況下，該特征值指標約等于零，反之則導(dǎo)致氫氣瓶輸出氫氣流量大于電池堆陽極流道內(nèi)氫氣反應(yīng)量及質(zhì)量變化率、尾氣閥氫氣排出量的相加值，即該特征值指標大于零?；诖耍ㄟ^判定特征值指標的大小，就可以檢測新能源汽車電池箱是否出現(xiàn)泄漏。

4.3 氮氫檢測

氮氫檢測是將帶有壓力痕跡的指示氣體注入電池盒，然后通過氮氣探測器對被測物體的表面進行檢測。當(dāng)被測對象的表面有泄漏時，氮氣探測器可以檢測到。常規(guī)氮氫探測采用的帶壓跡指示氣是5%氫氣和95%氮氣的混合氣，較小的氫氣可以很容易地穿過細小的漏氣孔，從而增加了探測的靈敏度和成本。

5 新能源汽車電池箱泄漏檢測技術(shù)應(yīng)用效果驗證

5.1 差壓檢測技術(shù)應(yīng)用效果驗證

差壓檢測技術(shù)的原理是通過測量電池電極壓力和電流值，來確定不同位置上電池組內(nèi)電荷分布情況，進而判斷是否存在泄漏。目前主要應(yīng)用在鋰離子動力電動汽車方面。這種方法具有較高實用性、成本低等優(yōu)點被廣泛采用；但同時因為其操作環(huán)境較為復(fù)雜以及對設(shè)備要求過高容易造成安全事故且不適合大范圍使用；另外還可以通過檢測出電極壓力、電流值和電壓值的異常來判斷電池組故障類型及原因，從而對電池組進行分類，便于檢測。差壓法的優(yōu)點是可以有效地避免電池內(nèi)充和外漏，并且能夠保證了充電過程中不存在放電現(xiàn)象。在實際應(yīng)用時由于其操作環(huán)境簡單、易于實現(xiàn)自動化控制且可獲得可靠信息等優(yōu)勢被廣泛采用；同時也具有一定局限性比如：測試時間較長、成本較高以及無法對電池組進行實時監(jiān)測等缺點，所以差壓法的適用范圍有限；在實際應(yīng)用時電池組內(nèi)充檢測方法可以選擇不同的測試環(huán)境，但是目前使用最多的是兩種：容量法和循環(huán)伏安法。容量法是在電池組內(nèi)部進行放電檢測，通過對電池單體的電流變化情況來判斷其是否損壞，并將此數(shù)據(jù)與實際實驗結(jié)果相對比從而得到準確度高、可靠性強的電極電壓。但是由于這種方法需要大量時間才能達到要求且測試環(huán)境復(fù)雜繁瑣等缺點而不被推廣使用；循環(huán)伏安法則主要應(yīng)用于大中型蓄電裝置中(如發(fā)電機)或者容量較大型儲能設(shè)備上；差壓法是對電池組進行放電檢測，通過對電池單體的電流變化情況來判斷其是否損壞，并將此數(shù)據(jù)與實際實驗結(jié)果相對比，得到準確度高、可靠性強弱對比較好。

5.2 支持向量機技術(shù)應(yīng)用效果驗證

支持向量機是一種統(tǒng)計學(xué)習(xí)算法，它的原理就是輸入樣本集合中不同維度(如距離、維數(shù)等)可能會有一個最優(yōu)值。通過對這種最佳值進行分析來判斷故障電池是否發(fā)生泄漏。支持向量機技術(shù)能夠把數(shù)據(jù)中包含了噪聲和信息不確定性因素所導(dǎo)致的誤差最小化處理，因此可以說在這個過程中是非常有效并且可行度較高且應(yīng)用較為廣泛的方法之一。支持向量機可以通過計算出輸入的輸出和輸出之間的關(guān)系，來判斷是否發(fā)生泄漏。但是如果數(shù)據(jù)是隨機出現(xiàn)，那么就需要進行統(tǒng)計。因此在實際應(yīng)用中我們要對電池充放電過程中產(chǎn)生的信息量以及充電時間等參數(shù)進行分析。

5.3 氮氫檢測技術(shù)應(yīng)用效果驗證

檢測結(jié)果當(dāng)電池電極的電勢大于電流電壓時，會出現(xiàn)充電放電現(xiàn)象。但是，如果在電池充放電過程中不小心就可能導(dǎo)致蓄電量過低。而氮氫離子和電解液都能夠使電極內(nèi)部產(chǎn)生氫氣。通過分析研究發(fā)現(xiàn)：該方法是一種有效可行的方式來判斷儲能裝置是否存在泄漏問題；同時也可以檢測出陽極極化以及負極端電位等情況下蓄電電池容量與電流之間關(guān)系，從而判斷電池充放電過程中是否存在蓄電箱。檢測結(jié)果當(dāng)電流電壓達到最大的值，則會出現(xiàn)充電現(xiàn)象。在實際應(yīng)用時，我們可以將該數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為一個個低秩的矩陣來進行分析和計算；同時也能夠通過分析計算得到電解液電極內(nèi)部產(chǎn)生氫氣這一信息；最后還能對陰極極化與負極端電位之間關(guān)系進行判斷并得出電池是否存在泄漏問題。

6 結(jié)語

總之，新能源汽車電池盒的泄漏問題，不但危及乘員的生命安全，還會對環(huán)境產(chǎn)生很大的影響，這與新能源汽車的研究和推廣有很大的關(guān)系。因此，有關(guān)部門在新能源汽車的研發(fā)和維修過程中，應(yīng)該充分運用支持向量機等檢測技術(shù)來判斷新能源汽車電池箱是否存在泄漏，并采取適當(dāng)?shù)墓芾泶胧?，以確保新能源汽車電池箱安全、平穩(wěn)地發(fā)揮功能。