磷酸鐵鋰電池包微短路診斷方法的研究

秦 歡，黃碧雄，嚴(yán) 曉，王 影，徐華源，劉雙宇

（1上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201600；2上海玫克生儲能科技有限公司，上海201600；3浙江華云信息科技有限公司，浙江 杭州310051）

鋰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增加，進(jìn)而發(fā)生熱失控，引發(fā)安全事故[1-2]。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)致鋰電池內(nèi)部發(fā)生微短路[3]。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方式主要是通過特定裝置和等效電路模型檢測。李克鋒等[4]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，需要特定的裝置，不易實施。鄭岳久等[5-6]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)，不需要特定的檢測設(shè)備或設(shè)定相關(guān)參數(shù)的閾值，計算量小易實施，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，單體的正、負(fù)極直接接觸，導(dǎo)致單體發(fā)生微短路[7]。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[8]，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個電池包在某次充電的電壓曲線，該電池包由6個單體串聯(lián)而成，分別用1～6為其編號。

圖1 LiFePO4電池充電曲線Fig.1 Charging curve of LiFePO4 battery

由這6個單體串聯(lián)組成的電池包，在tn,0時6號單體最先達(dá)到充電截止電壓3.65 V時停止充電，而其它5個單體并未能充滿。如果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間Δtn,i，計算公式為

其中，n 為充電次數(shù)；tn,0為電池包第n 次充電結(jié)束時的時間；tn,i為電池包充電結(jié)束時未達(dá)到截止電壓的i號單體，單獨(dú)充電至截止電壓的時間。

在電池包實際充電過程中，是無法對某一單體單獨(dú)充電的，因而充電結(jié)束時未達(dá)到充電截止電壓單體的準(zhǔn)確剩余充電時間是無法得到的，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[9-10]。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)束時的電壓和基準(zhǔn)充電電壓曲線，可計算得到相對充電時間Δtn，j，表征該單體的剩余充電時間，計算公式為

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，基準(zhǔn)充電曲線上與j 號單體充電結(jié)束時電壓相同的電壓點(diǎn)所對應(yīng)的充電時間。

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，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間基本不變；電池包中有單體發(fā)生微短路時，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間隨著充電次數(shù)的增加而不斷延長。

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

由于微短路單體的相對充電時間隨著充電次數(shù)的增加而延長，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，內(nèi)阻較大的單體由于每次充電時間存在波動，導(dǎo)致充電結(jié)束時的電壓波動較大，從而使得每次的相對充電時間變化較大，Kn-n-1,j值也會變大?？筛鶕?jù)各整個電池包中的各單體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Kn-n-1,j值異常的單體序號；

（3）計算各單體的直流內(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，可能是因為該單體的直流內(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的鋰電池模塊，該梯次利用磷酸鐵鋰電池包由13個模組串聯(lián)，每個模組由6個軟包單體并聯(lián)，單體的額定容量為50 A·h，額定電壓為3.3 V。

測試時選用arbin evts 600 V/300 A 大功率動力電池測試設(shè)備及哈丁科技(重慶)試驗設(shè)備有限公司的TU410-5 溫控箱。整個測試過程在溫控箱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)，在計算電池包的各模組相對充電時間Δtj時，考慮到相鄰兩次充電容量、充電結(jié)束時各模組電壓的差值一致性，需要對所有充電數(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 并相互對比，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模組的相對充電時間Δtj波動較大；

（2）計算電池包每次充電結(jié)束時各模組電壓與后一次充電結(jié)束時各模組電壓差值ΔU并相互對比，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各模組在充電結(jié)束時的電壓基本不變，由此選擇可以防止每次充電時模組的相對充電時間Δtj波動較大；

（3）統(tǒng)計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，因為最先達(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間隨之改變，充電結(jié)束時各模組的電壓會隨之大幅改變，從而導(dǎo)致相對充電時間Δtj波動較大；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Fig.2 The voltage curve of each module in the third test

圖3 電池包充電容量曲線Fig.3 Charging capacity curve of the battery pack

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±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4 電池包ΔC曲線Fig.4 ΔC curve of the battery pack

在分析電池包ΔC 的同時，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)束時各模組的電壓曲線，可計算得到ΔU，各模組ΔU 曲線如圖6 所示。電池包的13 個模組中，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[5]，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)。

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。

2.3 電池包中模組的微短路分析

圖5 充電結(jié)束時各模組的電壓曲線Fig.5 Voltage curve of each module at the end of charge

圖6 電池包中各模組ΔU曲線Fig.6 ΔU curve of each module in the battery pack

表1 選取的充電數(shù)據(jù)統(tǒng)計Table 1 Statistics of selected charging data

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)，計算每次充電時各模組的相對充電時間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)，計算其他模組的相對充電時間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。

各模組Kn-n-1,j值箱型圖如圖8 所示，圖中出現(xiàn)了多個異常值，統(tǒng)計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，分別是微短路和內(nèi)阻較大，計算各模組內(nèi)阻，做進(jìn)一步的分析。

通過每次測試前靜置的電壓與充電電壓計算各模組的直流內(nèi)阻[11]，直流內(nèi)阻計算公式為

圖7 充電時各模組電壓曲線Fig.7 Voltage curve of each module during charging

圖8 相鄰兩次充電各模組Kn-n-1,j值箱型圖Fig.8 Box diagram of Kn-n-1,jvalue of each module charged twice adjacently

表2 Kn-n-1,j值異常的模組序號統(tǒng)計Table 2 Statistics of module serial numbers with abnormal Kn-n-1,j values

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

根據(jù)公式(4)計算出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[12]，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Fig.9 DC internal resistance of each module

圖10 各模組直流內(nèi)阻箱型圖Fig.10 Box diagram of each module's DC internal resistance

對于剩余的模組進(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，對比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Fig.11 BoxdiagramofKn-n-1,jvalueoftheremaining moduleschargedtwiceadjacently

表3 剩余模組中Kn-n-1,j值異常的模組序號統(tǒng)計Table 3 Statistics of module serial numbers with abnormal Kn-n-1,jvalues in the remaining modules

圖12為2號模組在第3次測試中的充放電電壓曲線，對比圖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)果與實際結(jié)果一致。

圖12 第3次測試中2號模組的電壓曲線Fig.12 Voltage curve of No.2 module in the third test

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。

此方法對于電池包中發(fā)生微短路的單體進(jìn)行定位時，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)用提供一定技術(shù)指導(dǎo)。