鋰離子電池智能傳感技術(shù)綜述

王文偉，劉帥邦，楊曉光，姜久春

(1.北京理工大學(xué)電動(dòng)車輛國家工程研究中心，北京 100081；2.北京理工大學(xué)深圳汽車研究院，廣東深圳 518118)

電動(dòng)化交通和可再生能源規(guī)模化應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)我國“2030年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)路徑。電池是電動(dòng)載運(yùn)工具和儲能系統(tǒng)的核心器件，是掣肘行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。經(jīng)過20 余年的技術(shù)發(fā)展，鋰離子電池已成為當(dāng)前最主流的電源技術(shù)，廣泛應(yīng)用于3C數(shù)碼、電動(dòng)汽車和儲能系統(tǒng)中。然而，當(dāng)今鋰離子電池的性能、壽命和安全性仍然存在不足。例如，僅2022 年上半年全國平均每天有高達(dá)7 輛電動(dòng)汽車著火，而全球已發(fā)生70 余起儲能電站電池安全事故，造成嚴(yán)重的人員和經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高動(dòng)力和儲能電池的壽命和安全性是促進(jìn)新能源汽車、儲能等行業(yè)快速發(fā)展的關(guān)鍵。

準(zhǔn)確評估電池健康和安全狀態(tài)，開發(fā)高可靠高安全電池運(yùn)維方法和系統(tǒng)，是提升電池壽命和安全性的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的動(dòng)力和儲能電池系統(tǒng)普遍采用外置傳感器的方式監(jiān)控電池狀態(tài)，無法監(jiān)測到每只電芯，更無法獲取電芯內(nèi)部的電化學(xué)、熱、機(jī)械等特性的參數(shù)變化，導(dǎo)致所采集的信息及相應(yīng)的模型/算法存在偏差，無法準(zhǔn)確評估電芯全生命周期的健康狀態(tài)、安全狀態(tài)及演變趨勢。為提升電池能量密度和降低成本，動(dòng)力和儲能電池都在向大尺寸、大容量電芯發(fā)展(如特斯拉4680 電池、比亞迪刀片電池等)。尺寸的增加將帶來電池內(nèi)部空間不均勻性的增加，造成不均勻的衰減和可靠性的下降，但目前的技術(shù)手段可以獲得的電池信息非常有限。因此，發(fā)展集成多元、內(nèi)置傳感器件的“智能電池”技術(shù)成為近年來的研究熱點(diǎn)，歐盟《電池2030+技術(shù)路線圖》中將智能電池感測技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展方向(6 個(gè)立項(xiàng)項(xiàng)目中占3 席)，我國亦布局多項(xiàng)國家和省部級項(xiàng)目支持智能電池及傳感技術(shù)的研發(fā)。

圖1 給出了智能電池系統(tǒng)的示意圖，其核心思想是通過多元傳感器件實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)/外部狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過有線/無線的方式傳輸至電池管理系統(tǒng)，進(jìn)而基于多元信號開發(fā)高精度電池狀態(tài)估計(jì)和安全預(yù)警算法，實(shí)現(xiàn)電池高可靠高安全運(yùn)維?？梢姡悄軅鞲?、智能通信和智能運(yùn)維技術(shù)是智能電池系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其中智能傳感技術(shù)是這一新型體系架構(gòu)的基石，但目前相關(guān)的研究才剛剛起步。鑒于此背景，本文將圍繞電、熱、力、氣、聲等多種傳感技術(shù)，分析其在鋰離子電池領(lǐng)域的應(yīng)用前景、發(fā)展現(xiàn)狀和面臨的挑戰(zhàn)。

圖1 智能電池系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分：智能傳感、智能通信和智能運(yùn)維

1 鋰離子電池多物理場傳感技術(shù)

智能電池的核心是通過多種傳感器實(shí)現(xiàn)電池多物理場狀態(tài)的測量，可測量參數(shù)包括電[1-2]、熱[3-5]、力[6-8]、氣[9-10]、聲[11]等，如圖2 所示。本節(jié)將從傳感信號的角度分析不同信號的獲取對提高電池運(yùn)維可靠性和安全性的作用，總結(jié)當(dāng)前研究現(xiàn)狀，并對其所面臨的困難和挑戰(zhàn)進(jìn)行展望。

圖2 鋰離子電池多物理場傳感技術(shù)示意圖

1.1 電學(xué)傳感

電信號如電壓、電流等是電池管理系統(tǒng)(battrery management system,BMS)所采集的最基本信號，通常在模組層級監(jiān)測不同并聯(lián)單體電芯的電壓，在電池包層級監(jiān)測不同串聯(lián)模組的電流。當(dāng)前BMS 的電池狀態(tài)估計(jì)算法大多基于電流電壓信號，但其難以準(zhǔn)確評估電池內(nèi)部狀態(tài)。因此，發(fā)展新型電池電信號測量技術(shù)以獲得更多電池信息是當(dāng)前研究重點(diǎn)，其中代表性工作包括內(nèi)部電勢測量和阻抗測量。

1.1.1 內(nèi)部電勢測量

快速充電是消除電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航焦慮的核心技術(shù)之一，當(dāng)前的動(dòng)力鋰離子電池在高倍率充電情況下容易誘發(fā)負(fù)極析鋰，嚴(yán)重影響電池壽命并可能造成起火爆炸等安全事故。本質(zhì)上講，析鋰觸發(fā)源于大充電電流引起的負(fù)極極化損失，導(dǎo)致負(fù)極電勢降至低于0 V(vs.Li/Li+)。因此，監(jiān)測負(fù)極電勢對于避免析鋰的同時(shí)提升充電電流具有重要意義。

Liu 等[1]開發(fā)了一種基于監(jiān)測負(fù)極電位調(diào)控電流倍率的無析鋰快充策略，將包覆隔膜的參比電極放置在電池的負(fù)極和隔膜之間以測量負(fù)極電勢[圖3(a)]，在充電過程中實(shí)時(shí)調(diào)整充電電流使負(fù)極電勢接近且略高于0 V，從而實(shí)現(xiàn)無析鋰情況下的最大充電電流。作者通過實(shí)驗(yàn)表明，該快充策略對比生產(chǎn)廠商的標(biāo)準(zhǔn)快充策略充電速度可提升40%，并且100 次快充循環(huán)后通過掃描電鏡表明負(fù)極無析鋰。

圖3 電學(xué)傳感

類似的研究工作還包括文獻(xiàn)[12-13]等。然而，目前還沒有參比電極能應(yīng)用于商業(yè)電池中，其主要面臨的挑戰(zhàn)包括：1)動(dòng)力電池通常要求＞1 000 次循環(huán)壽命，當(dāng)前參比電極難以在惡劣的電解液環(huán)境中長期穩(wěn)定工作；2)參比電極的布置位置對其結(jié)果影響很大，最理想的位置是正負(fù)極之間，但這樣會(huì)阻礙鋰離子傳輸通道，影響電池壽命。因此，提高參比電極的穩(wěn)定性和精度對于其工程化應(yīng)用具有重要意義。

1.1.2 電化學(xué)阻抗譜

電化學(xué)阻抗譜(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)是一種應(yīng)用廣泛的電池?zé)o損檢測方法[14]，通過給電池施加一個(gè)頻率不同的小振幅交流電勢波，測量交流電勢與電流信號的比值(即電池內(nèi)阻)隨正弦波頻率的變化。不同頻率的阻抗分別對應(yīng)歐姆阻抗、固相電解質(zhì)界面(solid electrolyte interface，SEI)阻抗、電荷轉(zhuǎn)移阻抗、液相擴(kuò)散阻抗等，反映了電池內(nèi)部的傳熱、傳質(zhì)和電化學(xué)反應(yīng)過程。因此，EIS 可以用于電池全生命周期的狀態(tài)估計(jì)和故障診斷[15]。例如，Cannarella等[16]利用EIS 研究了電池受壓條件下的微觀形變對鋰離子傳輸?shù)挠绊?，發(fā)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移阻抗(Rct)隨外部壓力的增大而增加，且電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)越低，Rct增大越明顯。

然而，傳統(tǒng)EIS 測試需要龐大且精密的設(shè)備，在儲能電池和動(dòng)力電池場景難以直接應(yīng)用。近年來，開發(fā)快速EIS 檢測方法成為一個(gè)重要研究方向。Lu 等[17]提出了一種基于數(shù)據(jù)采集卡代替商用電化學(xué)工作站和基于快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)的快速EIS 測量方法，與商業(yè)電化學(xué)工作站對比，可以縮小設(shè)備體積并減少2/3 的測量時(shí)間，但其仍基于靜態(tài)EIS 檢測，單次測量需580 s，不適用于循環(huán)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測。Crescentini 等[2]基于矢量阻抗分析(vector impedance analyzer,VIA)架構(gòu)開發(fā)了一套可集成在電池單體中的小型EIS 檢測系統(tǒng)[圖3(b)]，在循環(huán)過程中對紐扣電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)EIS 檢測。結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)EIS 隨荷電狀態(tài)和老化狀態(tài)發(fā)生規(guī)律變化，但由于檢測時(shí)間限制，其阻抗譜與靜態(tài)EIS 存在明顯差別，解釋性較差。因此，為了實(shí)現(xiàn)EIS 在實(shí)際電池中的應(yīng)用，需要進(jìn)一步研究EIS 的快速檢測和動(dòng)態(tài)解析方法。

1.2 溫度傳感

溫度對電池內(nèi)部的傳質(zhì)速率和電化學(xué)反應(yīng)速率具有重要影響，進(jìn)而影響電池性能、壽命和安全性。因此，熱管理系統(tǒng)是電池系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分，其核心功能是將電池運(yùn)行溫度控制在合適的區(qū)間，同時(shí)保證電池溫度的均勻性。目前熱管理系統(tǒng)通常利用熱電偶測量電池表面或極耳處的溫度，將外部溫度和充放電過程中的電池產(chǎn)熱量作為熱模型輸入，計(jì)算電池系統(tǒng)內(nèi)溫度分布進(jìn)而優(yōu)化熱管理設(shè)計(jì)。隨著電池向大尺寸、大容量方向發(fā)展，電池溫度不均勻性問題加劇。不均勻的溫度會(huì)影響電池組內(nèi)的電流分布進(jìn)而引發(fā)不均勻老化[18]，但溫度不均勻性的測量以及其與電化學(xué)、力學(xué)等耦合影響的研究和認(rèn)知仍然非常有限，因此感知內(nèi)部溫度對于認(rèn)知電池機(jī)理和優(yōu)化電池?zé)峁芾硪饬x重大。

微型熱電偶、光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating,FBG)、薄膜式熱敏電阻和電阻溫度檢測器(resistance temperature detector,RTD)憑借其較小的體積被用于電池內(nèi)部溫度傳感[3-5,19-21]。其中，熱電偶的工作原理基于金屬的熱電效應(yīng)，其端電壓可反映溫度；FBG 的工作原理基于光柵間距的熱脹冷縮效應(yīng)，其FBG 峰位可反映溫度，但光柵間距同時(shí)受應(yīng)力影響，因此FBG 測溫需要設(shè)法解耦溫度-應(yīng)力效應(yīng)；熱敏電阻和RTD 的測溫原理基于材料的電阻-溫度效應(yīng)，其電阻可反映溫度。Zhang 等[20]在18650 電芯軸向中心平面沿電池徑向布置了多枚微型熱電偶[圖4(a)]，進(jìn)而得到了電池充放電過程中的徑向溫度分布。結(jié)果表明，較高的放電倍率導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高。提高對流換熱系數(shù)可以降低電池溫升，但內(nèi)部溫度梯度變大，因此在強(qiáng)迫對流條件下將電池視為等溫體將帶來較大誤差。Huang 等[21]將FBG 置入18650 電池內(nèi)部空腔，通過多根FBG 同時(shí)測量電池內(nèi)部、表面和環(huán)境溫度[圖4(b)]，并與零維熱電路模型結(jié)合評估電池產(chǎn)熱量，通過與傳統(tǒng)的絕熱量熱法測量結(jié)果對比表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電池產(chǎn)熱的有效評估。Joe 等[3]將薄膜式熱敏電阻分別植入18650 電池內(nèi)部空腔和軟包電池厚度方向的中間位置(負(fù)極與隔膜之間)，通過對電池進(jìn)行循環(huán)測試和拆解表征發(fā)現(xiàn)，熱敏電阻的植入會(huì)對軟包電池帶來潛在的容量損失和析鋰風(fēng)險(xiǎn)，此外還可能造成電池成組后壓力不均勻和機(jī)械損傷。去除部分電極材料后植入熱敏電阻可以減輕傳感器植入造成的壓力不均[4]，但會(huì)降低電池的能量密度，并且增加生產(chǎn)工藝的復(fù)雜度。

圖4 溫度傳感

可見，通過內(nèi)置傳感器監(jiān)測電池內(nèi)部溫度變化及分布對于優(yōu)化電池?zé)峁芾砭哂兄匾饬x，但受電池制式影響，傳感器內(nèi)置仍存在與電池制造工藝的兼容性問題。對于圓柱電池，將傳感器植入內(nèi)部空腔可有效避免傳感器與電極材料和電解液的接觸，對電池?fù)p傷較?。欢鴮τ诜叫碗姵睾蛙洶姵?，如何保護(hù)傳感器不受電解液腐蝕，同時(shí)最大程度減輕傳感器植入對電極材料和電池性能造成損傷，是植入傳感面臨的最大挑戰(zhàn)。專利[22-23]給出了可能的解決方案：將感知結(jié)構(gòu)或柔性薄膜傳感器植入集流體中，可保持集流體表面平整光滑，并有效避免了傳感器件與電極材料的直接接觸。此外，Yang 等[24]對熱電偶、熱敏電阻、RTD 和FBG 在電池系統(tǒng)中的應(yīng)用成本進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)前三者成本較低，而FBG 系統(tǒng)由于受解調(diào)儀價(jià)格影響綜合成本最高，需要發(fā)展多路復(fù)用技術(shù)并且在大規(guī)模儲能系統(tǒng)中應(yīng)用以攤薄成本。

1.3 力學(xué)傳感

在電池充放電過程中，鋰離子在正負(fù)極材料的脫嵌伴隨著材料顆粒體積的變化和應(yīng)力/應(yīng)變的產(chǎn)生，即插層應(yīng)變。電池長循環(huán)過程中周期性的插層應(yīng)變會(huì)造成電極顆粒的破裂和裂縫的增長，一方面可能造成活性材料的損失，另一方面裂縫增長形成的新鮮界面會(huì)與電解液反應(yīng)引起活性鋰損失，導(dǎo)致電池容量的衰減。因此，研究電池力學(xué)特性的演化規(guī)律對于理解電池的性能衰退機(jī)制具有重要意義。力學(xué)傳感如圖5 所示。

圖5 力學(xué)傳感

值得注意的是，電池的宏觀特性(如彈性模量和體積等)會(huì)隨微觀力學(xué)特征改變而發(fā)生變化。因此，監(jiān)測電池力學(xué)信號有助于判斷電池內(nèi)部狀態(tài)，常見的測量方法與電池形狀有關(guān)。對方形或軟包電池，可利用線性可變差動(dòng)變壓器[6,25-26]在模組內(nèi)測量電池壓力，利用薄膜應(yīng)變電阻傳感器[圖5(a)][7]測量壓力分布，或利用感應(yīng)線圈渦流傳感器[圖5(b)][27]測量電池厚度變化等。圓柱電池不具備方形或者軟包電池的平面約束條件，其層間壓力可以通過測量電芯在外殼徑向約束條件下的周向應(yīng)變來間接計(jì)算。Zhu 等[8]制備了一種微型薄膜應(yīng)變傳感器，通過去除部分電極材料將其成功植入18650 電池層間，實(shí)現(xiàn)了電極周向應(yīng)變的測量[圖5(c)]，但此法仍會(huì)出現(xiàn)1.2 節(jié)中提到的工藝和損傷問題，可通過集流體內(nèi)置傳感器方案解決。

為了研究壓力對電池性能的影響，Cannarella 等[6]采用線性可變差動(dòng)變壓器測量了受預(yù)緊力約束的軟包電池在充放電循環(huán)中的壓力演化規(guī)律[圖5(d)]，發(fā)現(xiàn)電池循環(huán)過程中的最大壓力與預(yù)緊力正相關(guān)，其可以通過非線性彈性力學(xué)特性來解釋；同時(shí)，電池壓力隨循環(huán)次數(shù)發(fā)生不可逆增長，預(yù)緊力越大壓力增長越快，且循環(huán)壽命更短。與無約束的電池對比，施加少量預(yù)緊力可延長電池壽命。拆解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，更大的機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致更大的電化學(xué)阻抗，呈現(xiàn)出電化學(xué)-力耦合特性，層間接觸不良是無約束電池容量下降的原因之一。

Oh 等[28]建立了受模組約束的方型電池的唯象力學(xué)模型。該模型將模組視為固定約束，將方形電池外殼和模組內(nèi)墊片視為線性彈簧，利用非線性彈簧模型描述電池壓力與厚度的關(guān)系，通過獲取電池厚度變化，進(jìn)而估計(jì)受約束電池的壓力，但該工作缺乏對電池厚度變化的機(jī)理解釋，模型依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，遷移性有限。

綜上，當(dāng)前研究仍然缺乏對力學(xué)信號演變規(guī)律所對應(yīng)的電池內(nèi)部物理化學(xué)過程(如老化、失效等)的機(jī)理揭示，這是制約力學(xué)信號在實(shí)際中有效應(yīng)用的關(guān)鍵。因此，針對電池開展材料-電極-電池多層級力學(xué)研究，分析電池模量、應(yīng)力應(yīng)變、荷電狀態(tài)和老化狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系，建立電池電化學(xué)-力學(xué)機(jī)理-傳感信號融合模型，是未來的重要研究方向。

1.4 氣體傳感

鋰離子電池在化成過程中電解液消耗生成SEI 會(huì)產(chǎn)生氣體，在循環(huán)服役過程中SEI 增長、正極材料晶相轉(zhuǎn)變或者電解液分解也會(huì)產(chǎn)生氣體，在內(nèi)短路、熱失控等過程中亦產(chǎn)生氣體。因此，氣體監(jiān)測對理解電池老化機(jī)理、改良電池材料體系、評估和預(yù)警電池安全風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

Schmiege 等[9]設(shè)計(jì)了一種基于氣體取樣口的鋰離子電池原位氣體采集裝置[圖6(a)]，研究了不同電解液配方下NMC811 軟包電池在充放電循環(huán)過程中的氣體成分和濃度演化規(guī)律。結(jié)果顯示，在首次充放電循環(huán)中，dQ/dV曲線對應(yīng)的電解質(zhì)還原峰與氣體生成有明顯的相關(guān)性，且電解液體系的微量變化會(huì)改變產(chǎn)氣情況。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)氣體的原位采集，但不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

圖6 氣體傳感

鋰離子電池?zé)崾Э剡^程產(chǎn)生的氣體包括CO2、CO、H2、CH4和揮發(fā)性有機(jī)物等。Cai 等[10]調(diào)研了不同測試條件下熱失控產(chǎn)氣的組成和時(shí)序，評估了不同氣體傳感技術(shù)的效果和成本，最終采用非色散紅外(non-dispersive infrared，NDIR)CO2傳感器監(jiān)測作為熱失控氣體信號傳感器。與壓力、溫度、濕度傳感器聯(lián)合使用，研究了三元鋰電池過充熱失控過程的電、熱、力、氣傳感信號[圖6(b)]。結(jié)果表明，過充時(shí)電池壓力信號最早發(fā)生突變，是電池失效的最敏感標(biāo)志。壓力信號變化后的第11 s，CO2信號突變，僅就信號突變時(shí)間而言，外部泄露氣體傳感在電池失效檢測的時(shí)效性上仍落后于力學(xué)傳感。上述現(xiàn)象與電池?zé)崾Э厥录亩辔锢韴鲅莼^程有關(guān)，熱失控氣體首先造成電池鼓包，繼而引發(fā)電池破裂，隨后泄漏。因此監(jiān)測到外部泄露氣體的時(shí)間，往往落后于氣體實(shí)際產(chǎn)生時(shí)間。

可見，氣體傳感的難點(diǎn)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)原位監(jiān)測和實(shí)時(shí)監(jiān)測。Lyu 等[29]將切有開口的軟包電池與NDIR 氣體傳感器同時(shí)置于密封罐中，解決了上述問題，但此法需要對電池造成破壞且無法避免傳感器過大無法植入的事實(shí)，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。現(xiàn)階段外部氣體傳感器仍是較為可行的方案。因此，研究電池老化、濫用過程的產(chǎn)氣機(jī)理，厘清電池產(chǎn)氣、排氣與電、熱、力多種信號演化過程的關(guān)系，是氣體傳感有效應(yīng)用的關(guān)鍵。

1.5 聲學(xué)傳感

聲學(xué)傳感是一類無損檢測技術(shù)，主要包括應(yīng)力波(又名聲發(fā)射)檢測和超聲波檢測。其中超聲波檢測應(yīng)用更為廣泛：由發(fā)射器發(fā)出的超聲波在試件中遇到聲阻不同的介質(zhì)構(gòu)成的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射/透射現(xiàn)象，通過檢測超聲波的飛行時(shí)間(time of flight,TOF)和第一次回波峰值，可以揭示試件的內(nèi)部狀態(tài)。在電池領(lǐng)域，超聲可以用于檢測電池內(nèi)部損傷[30]、層間氣體積累[31]和電解液浸潤情況[32]等。

Deng 等[32]開發(fā)的超聲透射成像技術(shù)可利用超聲透射率來檢測方型電池和軟包電池的電解液浸潤情況[圖7(a)]，除了檢測電池缺陷和失效情況外，還能夠快速確定最小電解液注入量和潤濕時(shí)間，有助于優(yōu)化電池的制造工藝。Meng 等[11]提出了一種基于頻域超聲阻尼分析的量化電池SOC的新方法，利用頻率范圍較寬的時(shí)諧連續(xù)波作為入射波，對不同SOC的軟包電池進(jìn)行了超聲波檢測，并基于多層模型描述了超聲波在軟包電池內(nèi)的傳播行為，模型仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。該研究結(jié)果增強(qiáng)了基于超聲波的SOC/SOH估計(jì)方法的普適性。Wu 等[33]研究了軟包鋰離子電池過充狀態(tài)下的電壓、電流、溫度和超聲波信號，發(fā)現(xiàn)過充時(shí)電池產(chǎn)氣導(dǎo)致內(nèi)部電極界面變化和電池宏觀厚度增加[圖7(b)]，此時(shí)飛行時(shí)間和第一次回波峰值都快速增加，證明了超聲波在電濫用風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測方面的有效性。然而，超聲檢測技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化仍然面臨電池厚度不能過厚、檢測速度較慢等挑戰(zhàn)。

圖7 聲學(xué)傳感

2 總結(jié)與展望

綜上所述，電、熱、氣、力、聲多元信號的監(jiān)測可以有效感知電池內(nèi)部狀態(tài)及其演化過程，對于理解電池衰退、失效、熱失控等過程的發(fā)生機(jī)理，開發(fā)高可靠高安全電池運(yùn)維技術(shù)具有重要意義。因此，發(fā)展集成多元傳感器的智能電池技術(shù)，有望解決當(dāng)前電池管理系統(tǒng)由于傳感信號匱乏導(dǎo)致的電池狀態(tài)估計(jì)精度低、全生命周期安全管控難度大的問題。然而，作為一新興技術(shù)，智能電池距離真正產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用仍然在傳感器、電芯設(shè)計(jì)制造、信號采集傳輸、運(yùn)維管理系統(tǒng)開發(fā)等方面面臨眾多挑戰(zhàn)，具體包括：

傳感器：內(nèi)置傳感器是智能電池的核心器件，必須滿足多重要求：1)微型化，即傳感器的引入需最大程度上降低對電池能量密度的影響；2)耐腐蝕，即傳感器需在苛刻的電解液環(huán)境中長期穩(wěn)定工作；3)無損植入，即傳感器的植入需對電池自身的性能、壽命和安全性無影響；4)低功耗，傳感器工作的功耗需遠(yuǎn)小于電池的自放電電流；5)低成本。

電池設(shè)計(jì)制造：傳感器的植入將對電池的加工工藝和可靠性帶來挑戰(zhàn)。如何設(shè)計(jì)和優(yōu)化內(nèi)置傳感器在電芯內(nèi)部的空間布局，最小化降低傳感器植入對現(xiàn)有電池產(chǎn)線的影響，開發(fā)低成本智能電池制造工藝，是未來面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

信號采集與傳輸：多元傳感信號需要通過有線或無線的方式傳輸至外部BMS。有線通信的方式需要有線束穿過電芯殼體，對電芯的加工制造和密封帶來極大挑戰(zhàn)；無線通信的方式具有更好的密封性，并且可以大幅降低電池系統(tǒng)中的線束連接，提高系統(tǒng)集成度。然而，無線通信需要將信號采集芯片至于電池內(nèi)部，其與內(nèi)置傳感器一樣面臨微型化、無損、耐腐蝕、低功耗、低成本等挑戰(zhàn)。同時(shí)，如何將無線信號高可靠地穿透電芯的金屬殼體將是一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。

智能運(yùn)維系統(tǒng)：發(fā)展智能電池的最終目的是實(shí)現(xiàn)電池全生命周期高可靠、高安全的運(yùn)維，其核心在于高精度電池狀態(tài)估計(jì)和管理算法的開發(fā)。因此，研究和揭示電、熱、力、氣、聲等傳感信號與電池衰退、失效、失控等機(jī)制的本征關(guān)系，建立多元傳感信號與電池健康和安全狀態(tài)的映射，進(jìn)而構(gòu)建高精度電池狀態(tài)估計(jì)算法和精細(xì)化智能運(yùn)維系統(tǒng)，是未來的重要發(fā)展方向。