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磷酸鐵鋰離子電池包微短路診斷方法的研究

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:1598次  |  2021年05月14日  

摘要鋰離子電池以其優(yōu)越的性能廣泛應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車與儲能中,但鋰離子電池微短路問題有關(guān)車用和儲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)到充電截止電壓單體的電壓曲線為基準(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)致其相對充電時(shí)間隨著充電次數(shù)新增,根據(jù)此特性,對電池包中各單體的相對充電時(shí)間進(jìn)行分析,并通過箱型圖進(jìn)行異常檢測。檢測結(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。在分析相對充電時(shí)間的同時(shí),需分析直流內(nèi)阻對診斷結(jié)果的影響,由此可提高診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性。經(jīng)過比較分析,診斷結(jié)果與實(shí)際結(jié)果具有高度一致性,此方法的執(zhí)行無需對電池包進(jìn)行特殊測試,且操作便捷,可為電池包安全檢測供應(yīng)方法指導(dǎo)。


關(guān)鍵詞電池包;微短路;相對充電時(shí)間;箱型圖


鋰離子電池在長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)被檢測會導(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新增,進(jìn)而發(fā)生熱失控,引發(fā)安全事故。鋰離子電池內(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)等濫用會使得負(fù)極表面形成鋰枝晶,刺穿隔膜也導(dǎo)致鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生微短路。因此,鋰離子電池的微短路診斷仍是電池管理中亟待解決的問題。


現(xiàn)有的鋰離子電池微短路檢測方式重要是通過特定裝置和等效電路模型檢測。李克鋒等通過極片組微短路檢測裝置,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,要特定的裝置,不易執(zhí)行。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,對老化電池包的診斷誤差較大。


針對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,僅要電池包充電數(shù)據(jù),不要特定的檢測設(shè)備或設(shè)定相關(guān)參數(shù)的閾值,計(jì)算量小易執(zhí)行,且可在電池包的單體層面上進(jìn)行微短路診斷。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

1鋰離子電池微短路的診斷方法


1.1鋰離子電池的微短路特性


當(dāng)鋰離子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、存儲的過程中會持續(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1A·h、額定電壓為3.3V、充電截止電壓為3.65V。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。


圖1LiFePO4電池充電曲線

無人船智能鋰電池
IP67防水,充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

由這6個(gè)單體串聯(lián)組成的電池包,在tn,0時(shí)6號單體最先達(dá)到充電截止電壓3.65V時(shí)停止充電,而其它5個(gè)單體并未能充滿。假如可以對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)到充電截止電壓單體的準(zhǔn)確剩余充電時(shí)間是無法得到的,但是可通過最先達(dá)到充電截止電壓單體的電壓曲線為基準(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;tn,j為第n次充電時(shí),基準(zhǔn)充電曲線上與j號單體充電結(jié)束時(shí)電壓相同的電壓點(diǎn)所對應(yīng)的充電時(shí)間。


根據(jù)鋰離子電池的微短路特性,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,該單體的相對充電時(shí)間隨著充電次數(shù)的新增而不斷延長。


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充電時(shí)間后,可計(jì)算得到單體相鄰兩次充電的相對充電時(shí)間差值,并通過單體當(dāng)前的相對充電時(shí)間與對應(yīng)的相對充電時(shí)間差值計(jì)算得到Kn-n-1,j值,可判定該單體相對充電時(shí)間的變化趨勢,Kn-n-1,j值計(jì)算公式為


(3)


由于微短路單體的相對充電時(shí)間隨著充電次數(shù)的新增而延長,因而電池包中發(fā)生微短路單體的Kn-n-1,j值會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充電時(shí)間變化較大,Kn-n-1,j值也會變大??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;


(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?;蜉^大的單體;


(5)根據(jù)直流內(nèi)阻對單體進(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鋰離子電池微短路診斷方法的應(yīng)用


2.1測試對象及步驟


測試對象為梯次萬向A123有限公司所生產(chǎn)的WXL12S537300A的鋰離子電池模塊,該梯次利用磷酸鐵鋰離子電池包由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50A·h,額定電壓為3.3V。


測試時(shí)選用arbinevts600V/300A大功率動(dòng)力鋰離子電池測試設(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)測試過程在溫控箱45℃的環(huán)境中進(jìn)行,靜置5min,以300A的電流對電池包進(jìn)行放電至任一模組達(dá)到截止電壓2.7V,然后以300A的電流對電池包進(jìn)行充電至任一模組達(dá)到截止電壓3.6V,由此對電池包進(jìn)行充放電循環(huán)。以相同的充放電循環(huán)測試步驟共進(jìn)行3次測試,電池包在相鄰兩次測試的靜置過程中均處于45℃恒溫狀態(tài)。


2.2測試數(shù)據(jù)的選取


選取所有測試數(shù)據(jù)中的充電數(shù)據(jù),在計(jì)算電池包的各模組相對充電時(shí)間Δtj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,要對所有充電數(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并相互比較,選取△C數(shù)值較小的對應(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并相互比較,選取ΔU數(shù)值較小的對應(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,在所有充電數(shù)據(jù)中選取模組序號不變的對應(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)各模組的電壓會隨之大幅改變,從而導(dǎo)致相對充電時(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,則保留相對應(yīng)數(shù)據(jù)。


電池包在前2次測試中可以正常充、放電,在第3次測試后期不能充、放電。如圖2所示,在電池包第3次測試中各模組循環(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次測試中各模組的電壓曲線


圖3為電池包在3次測試中每次充電容量,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)為對應(yīng)的相鄰兩次充電次數(shù)。在3次測試中,后2次測試過程中充電容量數(shù)值變化較小,ΔC基本保持在±2A·h內(nèi)。以-2A·h≤ΔC≤2A·h為充電數(shù)據(jù)選取條件,并結(jié)合圖3和圖4,選取測試1中的第2、3、6~9次充電數(shù)據(jù)、測試2中的所有數(shù)據(jù)以及測試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),對電池包各模組的ΔU進(jìn)行分析。圖5為電池包3次測試中每次充電結(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±10mV,以-10mV≤ΔU≤10mV為充電數(shù)據(jù)選取條件,并結(jié)合圖5和圖6,選取測試1中的6~9次充電數(shù)據(jù)、測試2中的第11~17次充電數(shù)據(jù)、測試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號模組最先達(dá)到充電截止電壓,以10號模組的充電電壓曲線為基準(zhǔn),計(jì)算其他模組的相對充電時(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值異常的模組序號如表2所示,Kn-n-1,j值異常的模組為2號和6號模組。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2Kn-n-1,j值異常的模組序號統(tǒng)計(jì)


通過每次測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為測試次數(shù);U1-k,j為j號模組k次測試靜置時(shí)的電壓;U2-k,j為j號模組k次測試開始充電后10s的電壓;Ik為k次測試的充電電流。


根據(jù)公式(4)計(jì)算出3次測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號模組的直流內(nèi)阻值最大,證明6號模組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)阻有關(guān)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


有關(guān)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,如表3所示,1、2號模組出現(xiàn)異常,比較1、2號模組的直流內(nèi)阻可知,1號模組的直流內(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號模組重復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)最多,證明2號出現(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值異常的模組序號統(tǒng)計(jì)


圖12為2號模組在第3次測試中的充放電電壓曲線,比較圖2和圖12可知在測試末期,電池包不能正常充、放電是由于2號模組出現(xiàn)異常。2號模組在充、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次測試中2號模組的電壓曲線


3結(jié)論


針對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)生微短路后會不斷消耗電能,導(dǎo)致電池包中微短路單體的相對充電時(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)對各單體的相對充電時(shí)間進(jìn)行分析,由此可以判斷電池包是否存在微短路,并對微短路的具體單體進(jìn)行判定。


此方法有關(guān)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試即可對電池包進(jìn)行微短路診斷,不影響電池包的正常工作,簡單易操作,且能夠在線應(yīng)用,可為電池包的預(yù)防性檢測及安全應(yīng)用供應(yīng)一定技術(shù)指導(dǎo)。


引用本文:秦歡,黃碧雄,嚴(yán)曉等.磷酸鐵鋰離子電池包微短路診斷方法的研究[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2021,10(02):664-670.(QINHuan,HUANGBixiong,YANXiao,etal.Researchondiagnosingmicro-shortcircuitofLiFePO4batterypack[J].EnergyStorageScienceandTechnology,2021,10(02):664-670.)


作者簡介:秦歡(1995—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)閯?dòng)力鋰離子電池微短路、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)力鋰離子電池,E-mail:hbxzc@hotmail.com。


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