新能源汽车电池箱泄漏检测技术研究

罗宇辉

兴宁市高级技工学校 广东省梅州市 514500

目前，随着新能源汽车技术的快速发展，在电动汽车领域，充电设备已经成为了最重要的部分。电池是一种能量转换装置。它能够将电能转化为化学能。当电源断开时就会产生电化学反应和热释放出热量从而导致温度升高；如果电池中电解液浓度过高则有可能引起电极损坏、老化等问题发生事故或引发安全隐患事件等等一系列的后果都与之有关系统在新能源汽车充电器上，所以新能源汽车电池箱的设计和制造都需要考虑到充电器件中电解液温度、电流，以及电池是否漏电等问题。

1 锂电池箱泄漏检测系统

1.1 锂电池箱泄漏检测概述

锂电池实际上是一种能量储存装置，可以在充放电过程中存储电能，但其容量不能作为一个整体来考虑。所以我们要对充电电流进行监测和控制。由于锂离子电池的工作原理比较简单、操作起来容易用便捷等优势都使得它被广泛地应用到各个领域当中去了；但是因为目前还没有统一的检测方法以及标准规范来约束锂电池，因此在实际生产过程中很难将这些因素完全协调在一起，这就导致一些问题发生时无法准确判断出是否存在充放电缺陷。锂离子电池是一种高电压、体积庞大的二次电子元器件，由于其内部结构复杂，外部环境对它影响很大，这也导致了充放电过程中产生大量有毒物质。目前市场上主要有两种检测方法：第一种为传统法。第二种则是非破坏性式和自修复性相结合的方式来进行判断电池是否存在缺陷以及故障源所在位置等问题。其中自修复式检测方法是指电池在发生充放电时，通过外部的电感和电解液以及内部化学吸附等物质对充电过程产生影响并进行判断。非破坏性式则是非破坏性性原理进行判断，主要利用了锂离子电池中的金属镍镉或锰酸钾作为电极材料来实现其性能与外界环境因素之间是否存在一定程度上差异从而达到检测缺陷目的。锂电池箱的内腔是一个封闭的电路，内部主要存在有内部和外部两个方面。其中，内部分为三大部分：储能部件、保护电极以及电解液。而外部包括了蓄电部分(如外壳)还有一些辅助器件(例如插头、放电管等)；内为一个循环系统和多个功能子系统构成电池充电器件。

1.2 锂电池箱的泄漏检测传感器

锂电池充放电过程中，充电电流过大、过流损耗以及温度上升等因素都会导致锂电池内阻增大。因此在检测的时候要对其进行严格地控制。（1）充电器件：因为不同类型的蓄电材料有不同特点而具有较大差异性所以需要选择合适种类和大小来满足实际需求。（2）储能器件：由于锂离子电池体积比较小，容量相对来说也比大；并且充电电流会随着温度上升迅速增大，所以需要选择合适的电流值。（3）电池温度：当锂离子电池充放电时，其内部会产生大量游离出水，因此在这种情况下就必须采取有效地措施来降低锂离子电池内阻。由于不同种类蓄电材料有不同特点和特性从而导致了对充电电流、电压等参数有着不一样的要求；同时随着时间推移以及环境变化也可能使得电极电阻不断发生变化。所以要想实现准确检测电池充放电过程中内部压力的大小并且满足实际需求，就必须选择合适的电极。

1.3 锂电池箱泄漏检测的测量装置

电池箱内气体检测锂离子电池具有高容量、低功耗的优点，但是在充放电过程中，电解液容易产生有毒物质。所以为了降低锂电汽车安全事故发生概率和减少污染问题的出现。我们选择了一种无接触式温度测量系统来对充电电流进行监控；同时还采用了多种传感器相结合方式对蓄电量进行采集与监测：电压型传感器主要是用来检测电池箱内气体泄漏情况、温度、浓度等数据信息并将其转化为数字信号，然后进行处理，最终得到电池箱内气体浓度。锂电池温度测量系统的核心装置是恒温模块。该模块采用的是对不同充电电流下的电池电极进行实时监测。当环境中存在较大变化时就会使其保持在一定稳定值范围之内，并采集到数据信号传输给控制器后经过一系列算法计算出反应时间、电压等参数，再通过与标准电动车电动汽车容量设定曲线比较得出结果来判断是否达到了设计要求；当电池温度过高或者过低时，就会发出报警声，提醒工作人员及时处理。

2 动力电池泄漏检测现状

在汽车电池箱内的检测技术中，动力电池是非常重要和关键性的。目前我国新能源汽车发展迅速，但是动力锂离子能量密度低、循环寿命短。这使得传统燃油车存在充电效率过低等问题；同时随着电动车辆使用时间越来越长以及对环境污染日益严重这一现实要求下也导致了很多新能源车型被淘汰或者替换出来；所以在这种情况之下我们需要不断更新技术来提高电池箱的性能和质量，这样才能满足市场需求并且能够有效减少电池产生泄漏现象发生。动力电池的发展和使用，使电动汽车技术不断进步，但是在实际应用中还存在一些问题。目前我国新能源车用锂离子动力电源主要有两种方式：一种是传统充电模式；另一种则为蓄电式。这两类方法都是通过电池内部产生大量电流来驱动负载进行工作的，所以能量利用率都比较低并且安全性较差；另外还有一个重要缺陷就是成本较高、使用寿命短等缺点。在动力电池的充放电过程中，充电电流越大，电池容量就越小，当储电量不足以支持其工作时就会造成蓄电式锂离子动力电源装置产生过电压问题。由于这种情况下锂镍材料是不具有记忆效应且体积较大、重量较重并且没有足够容量支撑整个系统。但是如果出现了严重短路或者断线等现象则会导致电池失效从而影响到整车的安全运行，所以在电池充放电过程中，需要对其进行严格的检测。

3 新能源汽车电池箱泄漏表现及危害

目前，新能源汽车电池箱的主要结构为充电器、蓄电和充电电路组成。其中，充电器包括了锂离子动力装置(简称储能器)。在电池工作时，通过对电流进行控制来实现能量的储存与释放；而蓄电量则是为了给电动汽车提供一个恒定电压或者电压值以供给所需电能及相关设备使用用电需要所用电源的一种重要形式的功能部件——超级电容、放电管和电容器等组成。随着新能源技术不断发展以及人们生活水平提高，对电池安全性能及使用寿命提出了更高的要求，所以，新能源汽车锂离子动力装置电池箱在充电器方面有很大优势。由于电池箱的主要组成成分是电极，所以，当充电器中发生泄漏时就会对电池造成损坏。根据不同分类方式来划分其泄露原因也有所不同。在新能源汽车电池箱运行过程中，需要持续进入湿润的空气、氢气，氢气在电池堆膜片一端消耗后会出现物理水凝现象。水凝现象中存在的水会直接干扰电池堆膜片的有效性，间接冲击电池堆的运行效率。在水凝现象持续发生一段时间后，需要利用部分氢气将过量累积的水分吹走，而这部分氢气无法进入电池堆与氢气发生化学作用，而是作为废气排出，造成氢泄漏。由于氢气的爆炸极限在4.00%～75.00%范围内，一旦泄漏导致车辆行李仓或所处车库的氢含量超出这一范围，就会对乘员身体健康、环境安全造成影响。比如，行车或行驶中停车阶段，因旁边车自燃而引发热失控，泄漏有毒烟气，造成人员伤亡、环境污染等。

4 新能源汽车电池箱泄漏检测技术

4.1 差压检测

差压检测是新能源汽车电池箱泄漏检测时常用的技术，主要是将压力一致的气体充入基准物件、被检测物件两个端头，促使差压传感器两个端头处于平衡状态。此时，一旦被检测物体出现泄漏（含微小泄漏），差压传感器也会在时间推移过程中出现平衡不再的征兆。基于此，可以检测差压传感器输出以时间为基准的漏气量信号，判定电池箱是否泄漏。

4.2 支持向量机

电池箱氢气泄漏故障特征指标，并经PSO优化的径向基核函数支持向量机在线识别电池箱小流量氢气泄漏问题。整个应用过程需要借鉴监督式分类方法，经非线性变换，将输入值变换至一个更加高维的空间。在高维空间内寻找数据最优分类面，区分正常数据、故障数据。即假定一组线性可分数据Xn（∈Rd）的类别为yn（=±1），其中1≤n≤N，高维空间维度为d（实数参数），则分类超平面W（x）对全部数据样本进行正确分类时，满足条件为：

根据质量交换方程，电池箱正常运行时，氢气瓶输出氢气流量与电池堆阳极流道内氢气反应量及质量变化率、尾气阀氢气排出量、电池堆完好系统内氢气经各密封件缝隙泄漏流量（极小，可忽略）、管路氢气质量变化率（极小，可忽略）的相加值。若设定电池箱氢气泄漏特征值指标为H（h），则在电池箱无泄漏情况下，该特征值指标约等于零，反之则导致氢气瓶输出氢气流量大于电池堆阳极流道内氢气反应量及质量变化率、尾气阀氢气排出量的相加值，即该特征值指标大于零。基于此，通过判定特征值指标的大小，就可以检测新能源汽车电池箱是否出现泄漏。

4.3 氮氢检测

氮氢检测是将带有压力痕迹的指示气体注入电池盒，然后通过氮气探测器对被测物体的表面进行检测。当被测对象的表面有泄漏时，氮气探测器可以检测到。常规氮氢探测采用的带压迹指示气是5%氢气和95%氮气的混合气，较小的氢气可以很容易地穿过细小的漏气孔，从而增加了探测的灵敏度和成本。

5 新能源汽车电池箱泄漏检测技术应用效果验证

5.1 差压检测技术应用效果验证

差压检测技术的原理是通过测量电池电极压力和电流值，来确定不同位置上电池组内电荷分布情况，进而判断是否存在泄漏。目前主要应用在锂离子动力电动汽车方面。这种方法具有较高实用性、成本低等优点被广泛采用；但同时因为其操作环境较为复杂以及对设备要求过高容易造成安全事故且不适合大范围使用；另外还可以通过检测出电极压力、电流值和电压值的异常来判断电池组故障类型及原因，从而对电池组进行分类，便于检测。差压法的优点是可以有效地避免电池内充和外漏，并且能够保证了充电过程中不存在放电现象。在实际应用时由于其操作环境简单、易于实现自动化控制且可获得可靠信息等优势被广泛采用；同时也具有一定局限性比如：测试时间较长、成本较高以及无法对电池组进行实时监测等缺点，所以差压法的适用范围有限；在实际应用时电池组内充检测方法可以选择不同的测试环境，但是目前使用最多的是两种：容量法和循环伏安法。容量法是在电池组内部进行放电检测，通过对电池单体的电流变化情况来判断其是否损坏，并将此数据与实际实验结果相对比从而得到准确度高、可靠性强的电极电压。但是由于这种方法需要大量时间才能达到要求且测试环境复杂繁琐等缺点而不被推广使用；循环伏安法则主要应用于大中型蓄电装置中(如发电机)或者容量较大型储能设备上；差压法是对电池组进行放电检测，通过对电池单体的电流变化情况来判断其是否损坏，并将此数据与实际实验结果相对比，得到准确度高、可靠性强弱对比较好。

5.2 支持向量机技术应用效果验证

支持向量机是一种统计学习算法，它的原理就是输入样本集合中不同维度(如距离、维数等)可能会有一个最优值。通过对这种最佳值进行分析来判断故障电池是否发生泄漏。支持向量机技术能够把数据中包含了噪声和信息不确定性因素所导致的误差最小化处理，因此可以说在这个过程中是非常有效并且可行度较高且应用较为广泛的方法之一。支持向量机可以通过计算出输入的输出和输出之间的关系，来判断是否发生泄漏。但是如果数据是随机出现，那么就需要进行统计。因此在实际应用中我们要对电池充放电过程中产生的信息量以及充电时间等参数进行分析。

5.3 氮氢检测技术应用效果验证

检测结果当电池电极的电势大于电流电压时，会出现充电放电现象。但是，如果在电池充放电过程中不小心就可能导致蓄电量过低。而氮氢离子和电解液都能够使电极内部产生氢气。通过分析研究发现：该方法是一种有效可行的方式来判断储能装置是否存在泄漏问题；同时也可以检测出阳极极化以及负极端电位等情况下蓄电电池容量与电流之间关系，从而判断电池充放电过程中是否存在蓄电箱。检测结果当电流电压达到最大的值，则会出现充电现象。在实际应用时，我们可以将该数据直接转化为一个个低秩的矩阵来进行分析和计算；同时也能够通过分析计算得到电解液电极内部产生氢气这一信息；最后还能对阴极极化与负极端电位之间关系进行判断并得出电池是否存在泄漏问题。

6 结语

总之，新能源汽车电池盒的泄漏问题，不但危及乘员的生命安全，还会对环境产生很大的影响，这与新能源汽车的研究和推广有很大的关系。因此，有关部门在新能源汽车的研发和维修过程中，应该充分运用支持向量机等检测技术来判断新能源汽车电池箱是否存在泄漏，并采取适当的管理措施，以确保新能源汽车电池箱安全、平稳地发挥功能。