電壓熵值的鋰離子電池組安裝模式優(yōu)化

肖艷秋 ，姚 雷 ，翟洪飛 ，2，侯俊劍

（1.鄭州輕工業(yè)學院 機電工程學院，河南 鄭州 450002；2.重慶大學 機械傳動國家重點實驗室，重慶 400044）

1 引言

目前，環(huán)境污染和能源枯竭問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，世界各國已經(jīng)分別投入大量的人力和財力發(fā)展新能源行業(yè)。由于電動汽車（EV）和混合動力汽車（HEV）的無排放或低排放優(yōu)點，已成為各國研究開發(fā)和生產(chǎn)的焦點[1]，所以對動力源--電池性能的研究也引起了廣泛的關(guān)注。基于電動汽車事故爆發(fā)的數(shù)據(jù)分析，動力電池由連接問題引起的燃燒和爆炸等事故尤為頻繁[2]。當今電動汽車用動力電池主要面臨成本高、一致性差、安全性能不高和續(xù)駛里程范圍小等問題，而目前對電池性能的研究主要集中在單體和成組的熱管理方面[3-5]，對電池組內(nèi)單體連接故障方面的文章很少。在實際應(yīng)用中，單體之間的連接松動現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，接觸不良會導致車輛在行駛過程中產(chǎn)生高壓電火花和電弧，極易引起火災(zāi)。文獻[2]提出基于電池等效電路模型中電池阻的熵值來判定系統(tǒng)的連接狀態(tài)，由于阻值需通過數(shù)據(jù)的離線處理才能得到，很難實現(xiàn)在線的實時檢測；文獻[6]計算出電池電壓和電流的樣本熵值，然后依次對應(yīng)，用來判斷電池連接狀況和電池SOH值，樣本熵的計算精度比較高，但抗干擾能力比較差，對噪聲尤為敏感，對采集到的數(shù)據(jù)要求比較高。電動汽車在實際運行中，振動和噪聲不能完全消除，所以該算法很難在工程當中應(yīng)用。采用振動測試和充放電實驗相結(jié)合的方法，模擬電池在實際工況中的運行模式，結(jié)合工況電壓，對電池的連接狀態(tài)實現(xiàn)實時的狀態(tài)評估，確定出最佳的系統(tǒng)安裝模式。

2 電池連接模型

動力電池在實際裝車中，通過一定的連接方式，組成一個達到車輛運行要求的電池系統(tǒng)，為整車運行提供動力和檢測能力。在連接過程中，需要借助螺紋或者焊接件，將電池進行串/并聯(lián)。其連接方式，如圖1所示。

圖中：測試點1、2、3和4—模擬電池虛接的測試點；Vn—對應(yīng)電池n的端電壓，在圖中，從下往上依次為1號電池，2號電池，3號電池，4號電池和5號電池；I—工況電流；i—測量電流。

當電池連接故障發(fā)生在測試點1時，只有V1發(fā)生變化，而臨近的V2和V3的測量值不受影響。由于在測量過程中，采集線的阻抗很小，通過的電流值也很小，所以可以忽略在采集線上的壓降，近似認為采集到的電壓Vn就是電池n兩端的開路電壓和鏈接阻抗上的壓降和。

基于此連接模式，可以將單體和連接件組合成一個單元，進行電路簡化。由于5號電池的電壓是直接測量，沒有通過連接件，所以除5號電池以外，其它電池的簡化電路可采用式（1）進行表示。

式中：Uocv—電池電動勢，其數(shù)值上等于電池的開路電壓；Vp—極化電壓；Rp—濃差極化內(nèi)阻和電化學極化內(nèi)阻之和；RΩ—電池歐姆內(nèi)阻；Cp—極化電容；V—端電壓；Rc—電池連接件阻抗。

由式（1）可知，Usoc、RΩ和Vp在電流一定的條件下，是連續(xù)函數(shù)。在實驗過程中，若保持實驗環(huán)境不變，數(shù)值變化應(yīng)當與電流波動變化一致。Rc為電池的鏈接阻抗，當連接狀態(tài)良好時，Rc變化不大；當連接發(fā)生故障時，由于連接件和電池極柱之間的接觸面積發(fā)生跳變，導致Rc隨振動的頻率和幅值發(fā)生變化，使測量電壓V也隨著振動狀態(tài)發(fā)生跳變。

3 故障預(yù)測方法與驗證

3.1 故障預(yù)測方法

信息熵是Claude Elwood Shannon在1948年最早提出來的，用來描述離散隨機事件出現(xiàn)的概率，解決信息量化的度量問題。目前該算法主要應(yīng)用遺傳學[7]、圖像處理[8]和天氣預(yù)報[9]等方面。計算公式如下：

式中：H（X）—信息熵值；

pxi—x出現(xiàn)在i區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率；

n—所劃分的區(qū)域個數(shù)。

為了實現(xiàn)對電動汽車電池狀況的實時監(jiān)測，需要對熵值的算法進行更新。在實際計算中，數(shù)據(jù)比較多，計算量比較大，對硬件設(shè)備要求高，同時電壓的波動也受到電動汽車在運行工況時所需實際功率的影響，所以將計算步驟進行離散簡化處理，具體步驟如下：

（1）選取矩陣 Bk×n，Bk×n?Am×n

（2）選出 xmin、xmax為 Bk×n的兩個極值，即：

的個數(shù)，l為劃分的區(qū)間個數(shù)；其中 a=0，1，2，…，l-1，取 l=10；（4）計算每個區(qū)間數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率；

在計算的過程中，K值為選取計算窗口的大小，其數(shù)值極為關(guān)鍵。選取過大，造成兩個相互事件之間發(fā)生干擾，無法辨別；K值選取過小，會發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動特別厲害，無法查看，由于數(shù)據(jù)量較大，在此選取K=100。

3.2 算法驗證的實驗平臺

電池系統(tǒng)振動測試平臺采用如下設(shè)備：充放電設(shè)備為德國迪卡隆充放電儀，振動臺是中國杭州制造，電壓采集器采用美國的NI采集器。實驗參照電動汽車用動力蓄電池箱通用要求QC/T 989-2014，在25℃下，從（10～55）Hz進行掃頻測試，同時充放電柜對電池組進行充放電測試，實時采集電壓值，并通過紅外測溫儀不定時對連接部件檢測，防止溫度過高。

3.3 實驗算法的驗證

電池在測試過程中，得到電壓的采集數(shù)據(jù)。取n=5時的熵值曲線進行分析。

分別用 1、3、4 標注出 1、3 和 4 號測試點在 t=40S、140S、90S和170S處出現(xiàn)了熵值的波動，如圖2所示。此時通過紅外測溫儀發(fā)現(xiàn)，1號測試點局部溫度高達82℃。4號測試點局部溫度也高達46℃。

測試點3在t=90S處出現(xiàn)一個小的熵值峰值，但溫度與測試點2處均為30℃，因為在熵值計算的區(qū)間內(nèi)，如果測試點處采集到的電池電壓都比較穩(wěn)定，3號測試點略微出現(xiàn)相對較大的噪聲干擾，熵值就會出現(xiàn)一個波峰。但由于噪聲的隨機性，峰值會在很短時間內(nèi)消失。

圖2 n=5時電壓熵值曲線Fig.2 Voltage Curve and Sannon Entropy Curves at n=5

當n=10時，采集到的1號測試點的電壓數(shù)據(jù)變化劇烈，波動十分明顯，同時有火花的迸出。隨著實驗的繼續(xù)，1號測試點處的螺母出現(xiàn)明顯的跳動，連接件與電池之間的接觸松動已很明顯，同時火花頻繁迸出。表明1號測試點已處于完全松動狀態(tài)。

結(jié)合圖2和后續(xù)實驗的結(jié)果，電池的連接狀況在n=5時就已經(jīng)出現(xiàn)問題，但在此時的電壓數(shù)值中，并未出現(xiàn)任何異常，而熵值曲線已經(jīng)給出明顯的故障結(jié)論。

通過實驗分析，表明該修訂后的熵值能夠比電壓值更精確、可靠地檢測到電池當前的故障狀態(tài)。

4 電池組安裝方式的優(yōu)化

4.1 電池組安裝模式

基于上述的實驗設(shè)備，將電池組固定在水平方向振動的測試臺上，預(yù)緊力分別沿y軸和z軸兩個方向。測試并記錄實測電壓值。

由于振動臺是沿y方向進行加載，電池模組的預(yù)緊力方向分別為x，y和z三個方向。由于預(yù)緊力在x軸和z軸方向時，都與振動方向y軸垂直，實驗結(jié)果相差不大，故取預(yù)緊力方向為y軸和z軸數(shù)據(jù)分析。4個測試點的預(yù)緊力分布，如表1所示。以監(jiān)測點1為實驗觀察對象。

表1 測試點力矩Tab.1 Battery Performance Torque

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

通過對電池模組的平放、立方兩組實驗數(shù)據(jù)對比，得到不同安裝模式下的熵值變化情況。

從圖3和圖5對比可得：1號測試點在力矩M為0.25Nm時，由于力矩過小，在t=160S時，圖中測試點1處出現(xiàn)明顯的熵值波峰，其中圖3中表現(xiàn)更為明顯；圖4中，1號測試點處的力矩沿z軸方向，大小為0.5Nm，其熵值變化平穩(wěn)，與2、3、4測試點處的熵值基本一致，變化不明顯，即表明在沿z軸方向0.5Nm和1Nm、2Nm、3Nm對電池的連接狀況作用差別不大，可得：力矩沿z軸方向即連接力矩方向與主振動方向向垂直時，0.5Nm即可滿足良好連接需求的力矩。

圖3 z軸方向放置M=0.25NmFig.3 Position Along the z Axis at M=0.25Nm

圖4 z軸方向放置M=0.5NmFig.4 Position Along the z Axis at M=0.5Nm

圖5 y軸方向放置M=0.25NmFig.5 Position Along the y Axis at M=0.25Nm

在圖6中，1號測試點處的力矩沿y軸方向，大小為0.75Nm，測試點處的電壓熵值在t=140s時，熵值高于其他測試點處，波動明顯，而且隨著實驗的進行，熵值相差越來越大，表明沿此方向力矩雖然為0.75Nm，但仍不能滿足該方向電池連接力矩的需求，4號測試點處的力矩為1Nm，在t=80s和120s時也出現(xiàn)一定的熵值波峰，但2號測試點和3號測試點熵值一致，波動不大，即單體電池在連接力矩為2Nm和3Nm時，電池連接良好。表明在連接力矩方向與主振動方向相一致時，電池連接緊固力矩應(yīng)不小于2Nm，才能保證良好的連接狀態(tài)。

圖6 y軸方向放置M=0.75NmFig.6 Position Along the y Axis at M=0.75Nm

5 結(jié)論

通過分析單體電池在電池組內(nèi)部的連接模式，研究電池間發(fā)生虛接時內(nèi)阻變化對電壓的影響，提出了一種電壓熵值的預(yù)測方法，并對電池組的安裝方式進行對比優(yōu)化，具體表現(xiàn)為：

（1）分析了電池組內(nèi)單體電池的連接方式，建立單體電池等效電路模型，研究電池發(fā)生虛接時，內(nèi)阻變化原因和對電壓的影響。同時利用信息熵對采集到的電壓值進行狀態(tài)預(yù)測，此方法能夠準確地預(yù)測出電池間發(fā)生連接故障時的時間和位置，比基于電壓觀察法精度高，效率快。

（2）基于電壓熵值的波動，優(yōu)化分析動力電池組在整車上的安裝模式，表明當安裝力矩方向與主振動方向垂直時，需要提供的安裝力矩僅為0.5Nm；當安裝力矩方向與主振動方向一致時，則需要提供四倍高的預(yù)緊力矩來確保連接的可靠性。