新能源汽車電池箱泄漏檢測技術研究

羅宇輝

興寧市高級技工學校 廣東省梅州市 514500

目前，隨著新能源汽車技術的快速發展，在電動汽車領域，充電設備已經成為了最重要的部分。電池是一種能量轉換裝置。它能夠將電能轉化為化學能。當電源斷開時就會產生電化學反應和熱釋放出熱量從而導致溫度升高；如果電池中電解液濃度過高則有可能引起電極損壞、老化等問題發生事故或引發安全隱患事件等等一系列的后果都與之有關系統在新能源汽車充電器上，所以新能源汽車電池箱的設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

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勢都使得它被廣泛地應用到各個領域當中去了；但是因為目前還沒有統一的檢測方法以及標準規范來約束鋰電池，因此在實際生產過程中很難將這些因素完全協調在一起，這就導致一些問題發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，由于其內部結構復雜，外部環境對它影響很大，這也導致了充放電過程中產生大量有毒物質。目前市場上主要有兩種檢測方法：第一種為傳統法。第二種則是非破壞性式和自修復性相結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。其中自修復式檢測方法是指電池在發生充放電時，通過外部的電感和電解液以及內部化學吸附等物質對充電過程產生影響并進行判斷。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其性能與外界環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。鋰電池箱的內腔是一個封閉的電路，內部主要存在有內部和外部兩個方面。其中，內部分為三大部分：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)；內為一個循環系統和多個功能子系統構成電池充電器件。

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致鋰電池內阻增大。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：當鋰離子電池充放電時，其內部會產生大量游離出水，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阻。由于不同種類蓄電材料有不同特點和特性從而導致了對充電電流、電壓等參數有著不一樣的要求；同時隨著時間推移以及環境變化也可能使得電極電阻不斷發生變化。所以要想實現準確檢測電池充放電過程中內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

電池箱內氣體檢測鋰離子電池具有高容量、低功耗的優點，但是在充放電過程中，電解液容易產生有毒物質。所以為了降低鋰電汽車安全事故發生概率和減少污染問題的出現。我們選擇了一種無接觸式溫度測量系統來對充電電流進行監控；同時還采用了多種傳感器相結合方式對蓄電量進行采集與監測：電壓型傳感器主要是用來檢測電池箱內氣體泄漏情況、溫度、濃度等數據信息并將其轉化為數字信號，然后進行處理，最終得到電池箱內氣體濃度。鋰電池溫度測量系統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測。當環境中存在較大變化時就會使其保持在一定穩定值范圍之內，并采集到數據信號傳輸給控制器后經過一系列算法計算出反應時間、電壓等參數，再通過與標準電動車電動汽車容量設定曲線比較得出結果來判斷是否達到了設計要求；當電池溫度過高或者過低時，就會發出報警聲，提醒工作人員及時處理。

2 動力電池泄漏檢測現狀

在汽車電池箱內的檢測技術中，動力電池是非常重要和關鍵性的。目前我國新能源汽車發展迅速，但是動力鋰離子能量密度低、循環壽命短。這使得傳統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境污染日益嚴重這一現實要求下也導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來提高電池箱的性能和質量，這樣才能滿足市場需求并且能夠有效減少電池產生泄漏現象發生。動力電池的發展和使用，使電動汽車技術不斷進步，但是在實際應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：一種是傳統充電模式；另一種則為蓄電式。這兩類方法都是通過電池內部產生大量電流來驅動負載進行工作的，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且體積較大、重量較重并且沒有足夠容量支撐整個系統。但是如果出現了嚴重短路或者斷線等現象則會導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及危害

目前，新能源汽車電池箱的主要結構為充電器、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設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。隨著新能源技術不斷發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勢。由于電池箱的主要組成成分是電極，所以，當充電器中發生泄漏時就會對電池造成損壞。根據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物理水凝現象。水凝現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。在水凝現象持續發生一段時間后，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生化學作用，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，一旦泄漏導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熱失控，泄漏有毒煙氣，造成人員傷亡、環境污染等。

4 新能源汽車電池箱泄漏檢測技術

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，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。此時，一旦被檢測物體出現泄漏（含微小泄漏），差壓傳感器也會在時間推移過程中出現平衡不再的征兆。基于此，可以檢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PSO優化的徑向基核函數支持向量機在線識別電池箱小流量氫氣泄漏問題。整個應用過程需要借鑒監督式分類方法，經非線性變換，將輸入值變換至一個更加高維的空間。在高維空間內尋找數據最優分類面，區分正常數據、故障數據。即假定一組線性可分數據Xn（∈Rd）的類別為yn（=±1），其中1≤n≤N，高維空間維度為d（實數參數），則分類超平面W（x）對全部數據樣本進行正確分類時，滿足條件為：

根據質量交換方程，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氫氣反應量及質量變化率、尾氣閥氫氣排出量、電池堆完好系統內氫氣經各密封件縫隙泄漏流量（極小，可忽略）、管路氫氣質量變化率（極小，可忽略）的相加值。若設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，反之則導致氫氣瓶輸出氫氣流量大于電池堆陽極流道內氫氣反應量及質量變化率、尾氣閥氫氣排出量的相加值，即該特征值指標大于零?；诖?，通過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。當被測對象的表面有泄漏時，氮氣探測器可以檢測到。常規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應用效果驗證

5.1 差壓檢測技術應用效果驗證

差壓檢測技術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電荷分布情況，進而判斷是否存在泄漏。目前主要應用在鋰離子動力電動汽車方面。這種方法具有較高實用性、成本低等優點被廣泛采用；但同時因為其操作環境較為復雜以及對設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。差壓法的優點是可以有效地避免電池內充和外漏，并且能夠保證了充電過程中不存在放電現象。在實際應用時由于其操作環境簡單、易于實現自動化控制且可獲得可靠信息等優勢被廣泛采用；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測等缺點，所以差壓法的適用范圍有限；在實際應用時電池組內充檢測方法可以選擇不同的測試環境，但是目前使用最多的是兩種：容量法和循環伏安法。容量法是在電池組內部進行放電檢測，通過對電池單體的電流變化情況來判斷其是否損壞，并將此數據與實際實驗結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境復雜繁瑣等缺點而不被推廣使用；循環伏安法則主要應用于大中型蓄電裝置中(如發電機)或者容量較大型儲能設備上；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，并將此數據與實際實驗結果相對比，得到準確度高、可靠性強弱對比較好。

5.2 支持向量機技術應用效果驗證

支持向量機是一種統計學習算法，它的原理就是輸入樣本集合中不同維度(如距離、維數等)可能會有一個最優值。通過對這種最佳值進行分析來判斷故障電池是否發生泄漏。支持向量機技術能夠把數據中包含了噪聲和信息不確定性因素所導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系，來判斷是否發生泄漏。但是如果數據是隨機出現，那么就需要進行統計。因此在實際應用中我們要對電池充放電過程中產生的信息量以及充電時間等參數進行分析。

5.3 氮氫檢測技術應用效果驗證

檢測結果當電池電極的電勢大于電流電壓時，會出現充電放電現象。但是，如果在電池充放電過程中不小心就可能導致蓄電量過低。而氮氫離子和電解液都能夠使電極內部產生氫氣。通過分析研究發現：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系，從而判斷電池充放電過程中是否存在蓄電箱。檢測結果當電流電壓達到最大的值，則會出現充電現象。在實際應用時，我們可以將該數據直接轉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部產生氫氣這一信息；最后還能對陰極極化與負極端電位之間關系進行判斷并得出電池是否存在泄漏問題。

6 結語

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，還會對環境產生很大的影響，這與新能源汽車的研究和推廣有很大的關系。因此，有關部門在新能源汽車的研發和維修過程中，應該充分運用支持向量機等檢測技術來判斷新能源汽車電池箱是否存在泄漏，并采取適當的管理措施，以確保新能源汽車電池箱安全、平穩地發揮功能。