摘 要 鋰電池以其優(yōu)越的性能廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車與儲(chǔ)能中，但鋰電池微短路問題對(duì)于車用和儲(chǔ)能的電池包均是使用過程中的安全隱患，為了診斷電池包是否發(fā)生微短路并對(duì)微短路的單體進(jìn)行判定，本文提出了一種根據(jù)單體相對(duì)充電時(shí)間變化診斷微短路的方法。本方法在電池包充電結(jié)束時(shí)，以最先達(dá)到充電截止電壓?jiǎn)误w的電壓曲線為基準(zhǔn)，分析其他單體在能夠繼續(xù)充電的條件下，達(dá)到充電截止電壓的充電時(shí)間，并以相對(duì)充電時(shí)間表征。由于微短路電池的電能持續(xù)消耗，導(dǎo)致其相對(duì)充電時(shí)間隨著充電次數(shù)增加，根據(jù)此特性，對(duì)電池包中各單體的相對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行分析，并通過箱型圖進(jìn)行異常檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果的異常單體中，重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)最多的即為微短路單體。在分析相對(duì)充電時(shí)間的同時(shí)，需分析直流內(nèi)阻對(duì)診斷結(jié)果的影響，由此可提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)過對(duì)比分析，診斷結(jié)果與實(shí)際結(jié)果具有高度一致性，此方法的實(shí)施無需對(duì)電池包進(jìn)行特殊測(cè)試，且操作便捷，可為電池包安全檢測(cè)提供方法指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞 電池包；微短路；相對(duì)充電時(shí)間；箱型圖
鋰電池在長(zhǎng)期使用過程中逐漸老化，微短路即為老化特性之一，其若不能及時(shí)被檢測(cè)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)短路，而內(nèi)短路情況的惡化通常伴隨著自放電率和熱量的增加，進(jìn)而發(fā)生熱失控，引發(fā)安全事故。鋰電池內(nèi)部微短路較易觸發(fā)，即使不是由于制造的原因，在使用過程中過度充、放電，劇烈震動(dòng)等濫用會(huì)使得負(fù)極表面形成鋰枝晶，刺穿隔膜也導(dǎo)致鋰電池內(nèi)部發(fā)生微短路。因此，鋰電池的微短路診斷仍是電池管理中亟待解決的問題。
現(xiàn)有的鋰電池微短路檢測(cè)方式主要是通過特定裝置和等效電路模型檢測(cè)。李克鋒等通過極片組微短路檢測(cè)裝置，在垂直于電池極片組的方向上均勻施加壓力，發(fā)生短路的隱患點(diǎn)在壓力下正、負(fù)極導(dǎo)通后，向兩極間施加直流電壓測(cè)試兩極間的絕緣電阻值，微短路極片的絕緣阻值低于閾值則證明其存在微短路。但該方法適用于單體電池，需要特定的裝置，不易實(shí)施。鄭岳久等通過電池兩次充電結(jié)束之間的自放電電流來量化微短路，計(jì)算兩次充電后的剩余可充電容量可得到漏電量，進(jìn)而得到自放電電流，并結(jié)合微短路單體的等效電路模型，計(jì)算出內(nèi)短路阻值，根據(jù)其閾值判定該單體是否發(fā)生微短路。但該方法依賴于內(nèi)短路阻值閾值的設(shè)定，僅適用于新電池包微短路的診斷，對(duì)老化電池包的診斷誤差較大。
針對(duì)以上兩種方法存在的難點(diǎn)，本文利用電池包充電過程中的時(shí)間和電壓，提出了一種電池包的微短路診斷方法。其優(yōu)點(diǎn)在于，僅需要電池包充電數(shù)據(jù)，不需要特定的檢測(cè)設(shè)備或設(shè)定相關(guān)參數(shù)的閾值，計(jì)算量小易實(shí)施，且可在電池包的單體層面上進(jìn)行微短路診斷。
1 鋰電池微短路的診斷方法
1.1 鋰電池的微短路特性
當(dāng)鋰電池單體的隔膜被附著的粉塵刺穿、隔膜質(zhì)量差而表面積縮小或破損時(shí)，單體的正、負(fù)極直接接觸，導(dǎo)致單體發(fā)生微短路。在由單體串、并聯(lián)而成的電池包中，相較于正常的單體，發(fā)生微短路的單體在充電、放電、存儲(chǔ)的過程中會(huì)持續(xù)消耗電能，影響電池包正常工作。
如圖1所示，其中6條電壓曲線為同一18650磷酸鐵鋰單體電池在不同SOH下的充電電壓曲線，其額定容量為1 A·h、額定電壓為3.3 V、充電截止電壓為3.65 V。將圖1中的6條充電電壓曲線模擬為1個(gè)電池包在某次充電的電壓曲線，該電池包由6個(gè)單體串聯(lián)而成，分別用1～6為其編號(hào)。
圖1 LiFePO4電池充電曲線
由這6個(gè)單體串聯(lián)組成的電池包，在tn,0時(shí)6號(hào)單體最先達(dá)到充電截止電壓3.65 V時(shí)停止充電，而其它5個(gè)單體并未能充滿。如果可以對(duì)電池包中的某一未充滿的單體繼續(xù)單獨(dú)進(jìn)行充電，可得到該單體的相對(duì)充電時(shí)間Δtn,i，計(jì)算公式為
(1)
其中，n為充電次數(shù)；tn,0為電池包第n次充電結(jié)束時(shí)的時(shí)間；tn,i為電池包充電結(jié)束時(shí)未達(dá)到截止電壓的i號(hào)單體，單獨(dú)充電至截止電壓的時(shí)間。
在電池包實(shí)際充電過程中，是無法對(duì)某一單體單獨(dú)充電的，因而充電結(jié)束時(shí)未達(dá)到充電截止電壓?jiǎn)误w的準(zhǔn)確剩余充電時(shí)間是無法得到的，但是可通過最先達(dá)到充電截止電壓?jiǎn)误w的電壓曲線為基準(zhǔn)獲取。在圖1中，以最先達(dá)到截止電壓的6號(hào)單體的充電電壓曲線為基準(zhǔn)，通過電池包中其他單體充電結(jié)束時(shí)的電壓和基準(zhǔn)充電電壓曲線，可計(jì)算得到相對(duì)充電時(shí)間Δtn，j，表征該單體的剩余充電時(shí)間，計(jì)算公式為
(2)
其中，n為充電次數(shù)；j為單體的序號(hào)；tn，j為第n次充電時(shí)，基準(zhǔn)充電曲線上與j號(hào)單體充電結(jié)束時(shí)電壓相同的電壓點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的充電時(shí)間。
根據(jù)鋰電池的微短路特性，在電池包中沒有單體發(fā)生微短路時(shí)，每次充電過程中未最先達(dá)到截至止電壓的各單體相對(duì)充電時(shí)間基本不變；電池包中有單體發(fā)生微短路時(shí)，相比于其他未發(fā)生微短路的正常單體，該單體的相對(duì)充電時(shí)間隨著充電次數(shù)的增加而不斷延長(zhǎng)。
1.2 電池包微短路的診斷
獲得電池包中單體每次充電的相對(duì)充電時(shí)間后，可計(jì)算得到單體相鄰兩次充電的相對(duì)充電時(shí)間差值，并通過單體當(dāng)前的相對(duì)充電時(shí)間與對(duì)應(yīng)的相對(duì)充電時(shí)間差值計(jì)算得到Kn-n-1, j值，可判定該單體相對(duì)充電時(shí)間的變化趨勢(shì)，Kn-n-1, j值計(jì)算公式為
(3)
由于微短路單體的相對(duì)充電時(shí)間隨著充電次數(shù)的增加而延長(zhǎng)，因而電池包中發(fā)生微短路單體的Kn-n-1, j值會(huì)大于其他正常單體的Kn-n-1, j值。同時(shí)，內(nèi)阻較大的單體由于每次充電時(shí)間存在波動(dòng)，導(dǎo)致充電結(jié)束時(shí)的電壓波動(dòng)較大，從而使得每次的相對(duì)充電時(shí)間變化較大，Kn-n-1, j值也會(huì)變大?？筛鶕?jù)各整個(gè)電池包中的各單體Kn-n-1, j值的一致性，并結(jié)合內(nèi)阻對(duì)Kn-n-1, j值的影響，判別是否有單體出現(xiàn)微短路。具體判斷方法如下：
（1）通過箱型圖對(duì)各單體Kn-n-1, j值一致性進(jìn)行分析；
（2）統(tǒng)計(jì)Kn-n-1, j值異常的單體序號(hào)；
（3）計(jì)算各單體的直流內(nèi)阻，并通過箱型圖進(jìn)行一致性分析；
（4）分析Kn-n-1, j值異常單體直流內(nèi)阻的一致性，判斷其中是否存在直流內(nèi)阻異常或較大的單體；
（5）根據(jù)直流內(nèi)阻對(duì)單體進(jìn)行篩選，重復(fù)步驟(1)～(2)進(jìn)行Kn-n-1, j值一致性分析；
若某單體的Kn-n-1, j值異常且作為異常值重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)最多，則該單體出現(xiàn)微短路。
某個(gè)單體的Kn-n-1, j值異常且作為異常值重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)最多，可能是因?yàn)樵搯误w的直流內(nèi)阻較大，根據(jù)直流內(nèi)阻對(duì)單體進(jìn)行篩選，不影響診斷結(jié)果，且可提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。
2 鋰電池微短路診斷方法的應(yīng)用
2.1 測(cè)試對(duì)象及步驟
測(cè)試對(duì)象為梯次萬(wàn)向A123有限公司所生產(chǎn)的WXL12S537300A的鋰電池模塊，該梯次利用磷酸鐵鋰電池包由13個(gè)模組串聯(lián)，每個(gè)模組由6個(gè)軟包單體并聯(lián)，單體的額定容量為50 A·h，額定電壓為3.3 V。
測(cè)試時(shí)選用arbin evts 600 V/300 A大功率動(dòng)力電池測(cè)試設(shè)備及哈丁科技(重慶)試驗(yàn)設(shè)備有限公司的TU410-5溫控箱。整個(gè)測(cè)試過程在溫控箱45 ℃的環(huán)境中進(jìn)行，靜置5 min，以300 A的電流對(duì)電池包進(jìn)行放電至任一模組達(dá)到截止電壓2.7 V，然后以300 A的電流對(duì)電池包進(jìn)行充電至任一模組達(dá)到截止電壓3.6 V，由此對(duì)電池包進(jìn)行充放電循環(huán)。以相同的充放電循環(huán)測(cè)試步驟共進(jìn)行3次測(cè)試，電池包在相鄰兩次測(cè)試的靜置過程中均處于45 ℃恒溫狀態(tài)。
2.2 測(cè)試數(shù)據(jù)的選取
選取所有測(cè)試數(shù)據(jù)中的充電數(shù)據(jù)，在計(jì)算電池包的各模組相對(duì)充電時(shí)間Δt j時(shí)，考慮到相鄰兩次充電容量、充電結(jié)束時(shí)各模組電壓的差值一致性，需要對(duì)所有充電數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，在不影響結(jié)果的條件下，以保證微短路診斷的準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)選取原則如下：
（1）計(jì)算電池包每次充電容量與后一次充電容量差值ΔC并相互對(duì)比，選取△C數(shù)值較小的對(duì)應(yīng)充電數(shù)據(jù)，由于正常充放電循環(huán)中相鄰兩次充電容量基本不變，由此選擇可以防止每次充電時(shí)模組的相對(duì)充電時(shí)間Δtj波動(dòng)較大；
（2）計(jì)算電池包每次充電結(jié)束時(shí)各模組電壓與后一次充電結(jié)束時(shí)各模組電壓差值ΔU并相互對(duì)比，選取ΔU數(shù)值較小的對(duì)應(yīng)充電數(shù)據(jù)，由于相鄰兩次以相同電流充電時(shí)各模組在充電結(jié)束時(shí)的電壓基本不變，由此選擇可以防止每次充電時(shí)模組的相對(duì)充電時(shí)間Δtj波動(dòng)較大；
（3）統(tǒng)計(jì)電池包每次充電過程中最先達(dá)到截止電壓的模組序號(hào)，在所有充電數(shù)據(jù)中選取模組序號(hào)不變的對(duì)應(yīng)充電數(shù)據(jù)。電池包的充電容量取決于最先達(dá)到充電截止電壓的模組，因?yàn)樽钕冗_(dá)到截止充電電壓的模組改變，則電池包的充電容量和充電時(shí)間隨之改變，充電結(jié)束時(shí)各模組的電壓會(huì)隨之大幅改變，從而導(dǎo)致相對(duì)充電時(shí)間Δtj波動(dòng)較大；若電池包的充電數(shù)據(jù)在最先達(dá)到截止充電電壓的模組改變后仍滿足(1)～(2)數(shù)據(jù)選取原則，則保留相對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。
電池包在前2次測(cè)試中可以正常充、放電，在第3次測(cè)試后期不能充、放電。如圖2所示，在電池包第3次測(cè)試中各模組循環(huán)充、放電電壓曲線中，第29次充電后電壓曲線出現(xiàn)異常，由于電池包中的模組在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到充電截止電壓和放電截止電壓，導(dǎo)致電池包不能正常充、放電。因此，選取電池包前28次的充電數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在28次充電數(shù)據(jù)中根據(jù)數(shù)據(jù)選取原則(1)～(3)，選取符合的充電數(shù)據(jù)。
圖2 第3次測(cè)試中各模組的電壓曲線
圖3為電池包在3次測(cè)試中每次充電容量，根據(jù)每次充電容量計(jì)算每次充電容量與后一次充電容量差值ΔC。3次測(cè)試中的充電容量差值曲線如圖4所示，縱坐標(biāo)為相鄰兩次充電容量差值，橫坐標(biāo)為對(duì)應(yīng)的相鄰兩次充電次數(shù)。在3次測(cè)試中，后2次測(cè)試過程中充電容量數(shù)值變化較小，ΔC基本保持在±2 A·h內(nèi)。以-2 A·h≤ΔC≤2 A·h為充電數(shù)據(jù)選取條件，并結(jié)合圖3和圖4，選取測(cè)試1中的第2、3、6～9次充電數(shù)據(jù)、測(cè)試2中的所有數(shù)據(jù)以及測(cè)試3中的第19～25、27次充電數(shù)據(jù)。
圖3 電池包充電容量曲線
圖4 電池包ΔC曲線
在分析電池包ΔC的同時(shí)，對(duì)電池包各模組的ΔU進(jìn)行分析。圖5為電池包3次測(cè)試中每次充電結(jié)束時(shí)各模組的電壓曲線，可計(jì)算得到ΔU，各模組ΔU曲線如圖6所示。電池包的13個(gè)模組中，多數(shù)模組的ΔU不超過±10 mV，以-10 mV≤ΔU≤10 mV為充電數(shù)據(jù)選取條件，并結(jié)合圖5和圖6，選取測(cè)試1中的6～9次充電數(shù)據(jù)、測(cè)試2中的第11～17次充電數(shù)據(jù)、測(cè)試3中的第20～25次充電數(shù)據(jù)。
圖5 充電結(jié)束時(shí)各模組的電壓曲線
圖6 電池包中各模組ΔU曲線
綜合考慮電池包ΔC和各模組的ΔV，選取的具體充電數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 選取的充電數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)
2.3 電池包中模組的微短路分析
選取最先達(dá)到充電截止電壓的模組，以其電壓曲線為基準(zhǔn)，計(jì)算每次充電時(shí)各模組的相對(duì)充電時(shí)間Δtn，j。電池包某次充電的電壓曲線如圖7所示，充電過程中10號(hào)模組最先達(dá)到充電截止電壓，以10號(hào)模組的充電電壓曲線為基準(zhǔn)，計(jì)算其他模組的相對(duì)充電時(shí)間Δtn，j及Kn-n-1, j值，并通過箱型圖分析Kn-n-1, j值的一致性。
圖7 充電時(shí)各模組電壓曲線
各模組Kn-n-1, j值箱型圖如圖8所示，圖中出現(xiàn)了多個(gè)異常值，統(tǒng)計(jì)Kn-n-1, j值異常的模組序號(hào)如表2所示，Kn-n-1, j值異常的模組為2號(hào)和6號(hào)模組。導(dǎo)致Kn-n-1, j值異常的原因有兩個(gè)，分別是微短路和內(nèi)阻較大，計(jì)算各模組內(nèi)阻，做進(jìn)一步的分析。
圖8 相鄰兩次充電各模組Kn-n-1,j值箱型圖
表2 Kn-n-1,j值異常的模組序號(hào)統(tǒng)計(jì)
通過每次測(cè)試前靜置的電壓與充電電壓計(jì)算各模組的直流內(nèi)阻[11]，直流內(nèi)阻計(jì)算公式為
其中，k為測(cè)試次數(shù)；U1-k, j為j號(hào)模組k次測(cè)試靜置時(shí)的電壓；U2-k, j為j號(hào)模組k次測(cè)試開始充電后10 s的電壓；Ik為k次測(cè)試的充電電流。
根據(jù)公式(4)計(jì)算出3次測(cè)試中各模組的直流內(nèi)阻，各模組的直流內(nèi)阻曲線如圖9所示，圖中6號(hào)模組的直流內(nèi)阻值最大，證明6號(hào)模組Kn-n-1, j異常的原因是直流內(nèi)阻值大。利用箱型圖對(duì)電池包中模組的直流內(nèi)阻一致性進(jìn)行分析，如圖10所示，電池包中不存在直流內(nèi)阻異常的模組。為消除直流內(nèi)阻對(duì)于診斷結(jié)果的影響，選取直流內(nèi)阻值不超過3/4中位數(shù)的模組數(shù)據(jù)，即直流內(nèi)阻值較大的6、7、10號(hào)模組的數(shù)據(jù)，以確保診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。
圖9 各模組直流內(nèi)阻
圖10 各模組直流內(nèi)阻箱型圖
對(duì)于剩余的模組進(jìn)行Kn-n-1, j值一致性分析，各模組Kn-n-1, j值箱型圖如圖11所示。統(tǒng)計(jì)Kn-n-1, j值異常的模組序號(hào)，如表3所示，1、2號(hào)模組出現(xiàn)異常，對(duì)比1、2號(hào)模組的直流內(nèi)阻可知，1號(hào)模組的直流內(nèi)阻較大，其Kn-n-1, j值異常是受到了直流內(nèi)阻的影響，且2號(hào)模組重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)最多，證明2號(hào)出現(xiàn)微短路。
圖11 剩余模組相鄰兩次充電的Kn-n-1, j值箱型圖
表3 剩余模組中Kn-n-1, j值異常的模組序號(hào)統(tǒng)計(jì)
圖12為2號(hào)模組在第3次測(cè)試中的充放電電壓曲線，對(duì)比圖2和圖12可知在測(cè)試末期，電池包不能正常充、放電是由于2號(hào)模組出現(xiàn)異常。2號(hào)模組在充、放電循環(huán)中可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到充、放電的截止電壓，證明2號(hào)模組的容量在快速衰減，出現(xiàn)了微短路，診斷結(jié)果與實(shí)際結(jié)果一致。
圖12 第3次測(cè)試中2號(hào)模組的電壓曲線
3 結(jié)論
針對(duì)電池包老化過程中的安全使用問題，本文提出了一種電池包的微短路診斷方法。電池發(fā)生微短路后會(huì)不斷消耗電能，導(dǎo)致電池包中微短路單體的相對(duì)充電時(shí)間隨著充電次數(shù)增多，從而異于正常的單體，該方法根據(jù)此特性通過電池包的充電數(shù)據(jù)對(duì)各單體的相對(duì)充電時(shí)間進(jìn)行分析，由此可以判斷電池包是否存在微短路，并對(duì)微短路的具體單體進(jìn)行判定。
此方法對(duì)于電池包中發(fā)生微短路的單體進(jìn)行定位時(shí)，僅需充電數(shù)據(jù)，無需特定工況下的測(cè)試即可對(duì)電池包進(jìn)行微短路診斷，不影響電池包的正常工作，簡(jiǎn)單易操作，且能夠在線應(yīng)用，可為電池包的預(yù)防性檢測(cè)及安全應(yīng)用提供一定技術(shù)指導(dǎo)。
引用本文： 秦歡,黃碧雄,嚴(yán)曉等.磷酸鐵鋰電池包微短路診斷方法的研究[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2021,10(02):664-670. (QIN Huan,HUANG Bixiong,YAN Xiao,et al.Research on diagnosing micro-short circuit of LiFePO4 battery pack[J].Energy Storage Science and Technology,2021,10(02):664-670.)
作者簡(jiǎn)介：秦歡（1995—），女，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)力電池微短路、自放電，E-mail:2491270883@qq.com；黃碧雄，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力電池，E-mail:hbxzc@hotmail.com。
