羅宇輝

興寧市高級(jí)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(dòng)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(kāi)時(shí)就會(huì)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(guò)高則有可能引起電極損壞、老化等問(wèn)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(jì)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(wèn)題。

1 鋰電池箱泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 鋰電池箱泄漏檢測(cè)概述

鋰電池實(shí)際上是一種能量?jī)?chǔ)存裝置，可以在充放電過(guò)程中存儲(chǔ)電能，但其容量不能作為一個(gè)整體來(lái)考慮。所以我們要對(duì)充電電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。由于鋰離子電池的工作原理比較簡(jiǎn)單、操作起來(lái)容易用便捷等優(yōu)勢(shì)都使得它被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中去了；但是因?yàn)槟壳斑€沒(méi)有統(tǒng)一的檢測(cè)方法以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)約束鋰電池，因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)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(wèn)題發(fā)生時(shí)無(wú)法準(zhǔn)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(duì)它影響很大，這也導(dǎo)致了充放電過(guò)程中產(chǎn)生大量有毒物質(zhì)。目前市場(chǎng)上主要有兩種檢測(cè)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(lái)進(jìn)行判斷電池是否存在缺陷以及故障源所在位置等問(wèn)題。其中自修復(fù)式檢測(cè)方法是指電池在發(fā)生充放電時(shí)，通過(guò)外部的電感和電解液以及內(nèi)部化學(xué)吸附等物質(zhì)對(duì)充電過(guò)程產(chǎn)生影響并進(jìn)行判斷。非破壞性式則是非破壞性性原理進(jìn)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(lái)實(shí)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(dá)到檢測(cè)缺陷目的。鋰電池箱的內(nèi)腔是一個(gè)封閉的電路，內(nèi)部主要存在有內(nèi)部和外部?jī)蓚€(gè)方面。其中，內(nèi)部分為三大部分：儲(chǔ)能部件、保護(hù)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(gè)循環(huán)系統(tǒng)和多個(gè)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(cè)傳感器

鋰電池充放電過(guò)程中，充電電流過(guò)大、過(guò)流損耗以及溫度上升等因素都會(huì)導(dǎo)致鋰電池內(nèi)阻增大。因此在檢測(cè)的時(shí)候要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格地控制。（1）充電器件：因?yàn)椴煌愋偷男铍姴牧嫌胁煌攸c(diǎn)而具有較大差異性所以需要選擇合適種類和大小來(lái)滿足實(shí)際需求。（2）儲(chǔ)能器件：由于鋰離子電池體積比較小，容量相對(duì)來(lái)說(shuō)也比大；并且充電電流會(huì)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(shí)，其內(nèi)部會(huì)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(lái)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(diǎn)和特性從而導(dǎo)致了對(duì)充電電流、電壓等參數(shù)有著不一樣的要求；同時(shí)隨著時(shí)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢測(cè)電池充放電過(guò)程中內(nèi)部壓力的大小并且滿足實(shí)際需求，就必須選擇合適的電極。

1.3 鋰電池箱泄漏檢測(cè)的測(cè)量裝置

電池箱內(nèi)氣體檢測(cè)鋰離子電池具有高容量、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，但是在充放電過(guò)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(wèn)題的出現(xiàn)。我們選擇了一種無(wú)接觸式溫度測(cè)量系統(tǒng)來(lái)對(duì)充電電流進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)還采用了多種傳感器相結(jié)合方式對(duì)蓄電量進(jìn)行采集與監(jiān)測(cè)：電壓型傳感器主要是用來(lái)檢測(cè)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(hào)，然后進(jìn)行處理，最終得到電池箱內(nèi)氣體濃度。鋰電池溫度測(cè)量系統(tǒng)的核心裝置是恒溫模塊。該模塊采用的是對(duì)不同充電電流下的電池電極進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)環(huán)境中存在較大變化時(shí)就會(huì)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(hào)傳輸給控制器后經(jīng)過(guò)一系列算法計(jì)算出反應(yīng)時(shí)間、電壓等參數(shù)，再通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)車電動(dòng)汽車容量設(shè)定曲線比較得出結(jié)果來(lái)判斷是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；當(dāng)電池溫度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，提醒工作人員及時(shí)處理。

2 動(dòng)力電池泄漏檢測(cè)現(xiàn)狀

在汽車電池箱內(nèi)的檢測(cè)技術(shù)中，動(dòng)力電池是非常重要和關(guān)鍵性的。目前我國(guó)新能源汽車發(fā)展迅速，但是動(dòng)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(guò)低等問(wèn)題；同時(shí)隨著電動(dòng)車輛使用時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)以及對(duì)環(huán)境污染日益嚴(yán)重這一現(xiàn)實(shí)要求下也導(dǎo)致了很多新能源車型被淘汰或者替換出來(lái)；所以在這種情況之下我們需要不斷更新技術(shù)來(lái)提高電池箱的性能和質(zhì)量，這樣才能滿足市場(chǎng)需求并且能夠有效減少電池產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象發(fā)生。動(dòng)力電池的發(fā)展和使用，使電動(dòng)汽車技術(shù)不斷進(jìn)步，但是在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題。目前我國(guó)新能源車用鋰離子動(dòng)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(guò)電池內(nèi)部產(chǎn)生大量電流來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載進(jìn)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(gè)重要缺陷就是成本較高、使用壽命短等缺點(diǎn)。在動(dòng)力電池的充放電過(guò)程中，充電電流越大，電池容量就越小，當(dāng)儲(chǔ)電量不足以支持其工作時(shí)就會(huì)造成蓄電式鋰離子動(dòng)力電源裝置產(chǎn)生過(guò)電壓?jiǎn)栴}。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(méi)有足夠容量支撐整個(gè)系統(tǒng)。但是如果出現(xiàn)了嚴(yán)重短路或者斷線等現(xiàn)象則會(huì)導(dǎo)致電池失效從而影響到整車的安全運(yùn)行，所以在電池充放電過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)。

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(dòng)力裝置(簡(jiǎn)稱儲(chǔ)能器)。在電池工作時(shí)，通過(guò)對(duì)電流進(jìn)行控制來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存與釋放；而蓄電量則是為了給電動(dòng)汽車提供一個(gè)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(jí)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(duì)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(dòng)力裝置電池箱在充電器方面有很大優(yōu)勢(shì)。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(shí)就會(huì)對(duì)電池造成損壞。根據(jù)不同分類方式來(lái)劃分其泄露原因也有所不同。在新能源汽車電池箱運(yùn)行過(guò)程中，需要持續(xù)進(jìn)入濕潤(rùn)的空氣、氫氣，氫氣在電池堆膜片一端消耗后會(huì)出現(xiàn)物理水凝現(xiàn)象。水凝現(xiàn)象中存在的水會(huì)直接干擾電池堆膜片的有效性，間接沖擊電池堆的運(yùn)行效率。在水凝現(xiàn)象持續(xù)發(fā)生一段時(shí)間后，需要利用部分氫氣將過(guò)量累積的水分吹走，而這部分氫氣無(wú)法進(jìn)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(cāng)或所處車庫(kù)的氫含量超出這一范圍，就會(huì)對(duì)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(cè)技術(shù)

4.1 差壓檢測(cè)

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

4.2 支持向量機(jī)

電池箱氫氣泄漏故障特征指標(biāo)，并經(jīng)PSO優(yōu)化的徑向基核函數(shù)支持向量機(jī)在線識(shí)別電池箱小流量氫氣泄漏問(wèn)題。整個(gè)應(yīng)用過(guò)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(gè)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?jǐn)?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(shí)數(shù)參數(shù)），則分類超平面W（x）對(duì)全部數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行正確分類時(shí)，滿足條件為：

根據(jù)質(zhì)量交換方程，電池箱正常運(yùn)行時(shí)，氫氣瓶輸出氫氣流量與電池堆陽(yáng)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(biāo)為H（h），則在電池箱無(wú)泄漏情況下，該特征值指標(biāo)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(yáng)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(biāo)大于零?；诖?，通過(guò)判定特征值指標(biāo)的大小，就可以檢測(cè)新能源汽車電池箱是否出現(xiàn)泄漏。

4.3 氮?dú)錂z測(cè)

氮?dú)錂z測(cè)是將帶有壓力痕跡的指示氣體注入電池盒，然后通過(guò)氮?dú)馓綔y(cè)器對(duì)被測(cè)物體的表面進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)被測(cè)對(duì)象的表面有泄漏時(shí)，氮?dú)馓綔y(cè)器可以檢測(cè)到。常規(guī)氮?dú)涮綔y(cè)采用的帶壓跡指示氣是5%氫氣和95%氮?dú)獾幕旌蠚猓^小的氫氣可以很容易地穿過(guò)細(xì)小的漏氣孔，從而增加了探測(cè)的靈敏度和成本。

5 新能源汽車電池箱泄漏檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果驗(yàn)證

5.1 差壓檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果驗(yàn)證

差壓檢測(cè)技術(shù)的原理是通過(guò)測(cè)量電池電極壓力和電流值，來(lái)確定不同位置上電池組內(nèi)電荷分布情況，進(jìn)而判斷是否存在泄漏。目前主要應(yīng)用在鋰離子動(dòng)力電動(dòng)汽車方面。這種方法具有較高實(shí)用性、成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛采用；但同時(shí)因?yàn)槠洳僮鳝h(huán)境較為復(fù)雜以及對(duì)設(shè)備要求過(guò)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(guò)檢測(cè)出電極壓力、電流值和電壓值的異常來(lái)判斷電池組故障類型及原因，從而對(duì)電池組進(jìn)行分類，便于檢測(cè)。差壓法的優(yōu)點(diǎn)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(guò)程中不存在放電現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于其操作環(huán)境簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制且可獲得可靠信息等優(yōu)勢(shì)被廣泛采用；同時(shí)也具有一定局限性比如：測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)、成本較高以及無(wú)法對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等缺點(diǎn)，所以差壓法的適用范圍有限；在實(shí)際應(yīng)用時(shí)電池組內(nèi)充檢測(cè)方法可以選擇不同的測(cè)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(jìn)行放電檢測(cè)，通過(guò)對(duì)電池單體的電流變化情況來(lái)判斷其是否損壞，并將此數(shù)據(jù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比從而得到準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)的電極電壓。但是由于這種方法需要大量時(shí)間才能達(dá)到要求且測(cè)試環(huán)境復(fù)雜繁瑣等缺點(diǎn)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(jī))或者容量較大型儲(chǔ)能設(shè)備上；差壓法是對(duì)電池組進(jìn)行放電檢測(cè)，通過(guò)對(duì)電池單體的電流變化情況來(lái)判斷其是否損壞，并將此數(shù)據(jù)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，得到準(zhǔn)確度高、可靠性強(qiáng)弱對(duì)比較好。

5.2 支持向量機(jī)技術(shù)應(yīng)用效果驗(yàn)證

支持向量機(jī)是一種統(tǒng)計(jì)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(huì)有一個(gè)最優(yōu)值。通過(guò)對(duì)這種最佳值進(jìn)行分析來(lái)判斷故障電池是否發(fā)生泄漏。支持向量機(jī)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(shuō)在這個(gè)過(guò)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(jī)可以通過(guò)計(jì)算出輸入的輸出和輸出之間的關(guān)系，來(lái)判斷是否發(fā)生泄漏。但是如果數(shù)據(jù)是隨機(jī)出現(xiàn)，那么就需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。因此在實(shí)際應(yīng)用中我們要對(duì)電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的信息量以及充電時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行分析。

5.3 氮?dú)錂z測(cè)技術(shù)應(yīng)用效果驗(yàn)證

檢測(cè)結(jié)果當(dāng)電池電極的電勢(shì)大于電流電壓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)充電放電現(xiàn)象。但是，如果在電池充放電過(guò)程中不小心就可能導(dǎo)致蓄電量過(guò)低。而氮?dú)潆x子和電解液都能夠使電極內(nèi)部產(chǎn)生氫氣。通過(guò)分析研究發(fā)現(xiàn)：該方法是一種有效可行的方式來(lái)判斷儲(chǔ)能裝置是否存在泄漏問(wèn)題；同時(shí)也可以檢測(cè)出陽(yáng)極極化以及負(fù)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(guò)程中是否存在蓄電箱。檢測(cè)結(jié)果當(dāng)電流電壓達(dá)到最大的值，則會(huì)出現(xiàn)充電現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們可以將該數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為一個(gè)個(gè)低秩的矩陣來(lái)進(jìn)行分析和計(jì)算；同時(shí)也能夠通過(guò)分析計(jì)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(duì)陰極極化與負(fù)極端電位之間關(guān)系進(jìn)行判斷并得出電池是否存在泄漏問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

總之，新能源汽車電池盒的泄漏問(wèn)題，不但危及乘員的生命安全，還會(huì)對(duì)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(guò)程中，應(yīng)該充分運(yùn)用支持向量機(jī)等檢測(cè)技術(shù)來(lái)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。