磷酸铁锂电池包微短路诊断方法的研究
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Research on diagnosing micro-short circuit of LiFePO4 battery pack
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收稿日期: 2020-10-23 修回日期: 2020-11-15 网络出版日期: 2021-03-05
Received: 2020-10-23 Revised: 2020-11-15 Online: 2021-03-05
作者简介 About authors
秦欢(1995—),女,硕士研究生,研究方向为动力电池微短路、自放电,E-mail:
黄碧雄,硕士,实验师,研究方向为新能源汽车动力电池,E-mail:
锂电池以其优越的性能广泛应用于新能源电动汽车与储能中,但锂电池微短路问题对于车用和储能的电池包均是使用过程中的安全隐患,为了诊断电池包是否发生微短路并对微短路的单体进行判定,本文提出了一种根据单体相对充电时间变化诊断微短路的方法。本方法在电池包充电结束时,以最先达到充电截止电压单体的电压曲线为基准,分析其他单体在能够继续充电的条件下,达到充电截止电压的充电时间,并以相对充电时间表征。由于微短路电池的电能持续消耗,导致其相对充电时间随着充电次数增加,根据此特性,对电池包中各单体的相对充电时间进行分析,并通过箱型图进行异常检测。检测结果的异常单体中,重复出现次数最多的即为微短路单体。在分析相对充电时间的同时,需分析直流内阻对诊断结果的影响,由此可提高诊断结果的准确性。经过对比分析,诊断结果与实际结果具有高度一致性,此方法的实施无需对电池包进行特殊测试,且操作便捷,可为电池包安全检测提供方法指导。
关键词:
Lithium batteries are widely used in new energy electric vehicles and energy storage because of their superior performance. However, micro-short circuits in lithium batteries are a safety hazard during the use of battery packs. This paper proposes a method to diagnose micro-short circuits on the basis of the change in the relative charging time of the cell to determine whether the battery pack is micro-short and judge the micro-short circuit cell. At the end of the battery pack charging, this method uses the voltage curve of the cell that first reaches the charge cut-off voltage as a reference, analyzes the charging times for other cells to reach the charge cut-off voltage under the condition that they can continue to be charged, and characterizes these with the relative charging time. Because of the micro-short circuit battery's continuous consumption of electrical energy, its relative charging time increases with the number of charging times. Accordingly, each cell's relative charging time in the battery pack is analyzed, and abnormality detection is performed through the box diagram. Among the abnormal monomers detected, the micro-short circuit cell has the most repeated occurrences. While analyzing the relative charging time, analyzing the influence of the DC internal resistance on the diagnosis result is necessary to improve the result's accuracy. After a comparative analysis, the diagnosis results are highly consistent with the actual results. The implementation of this method does not require special tests on the battery pack; the operation is convenient, which can guide battery pack safety testing.
Keywords:
本文引用格式
秦欢, 黄碧雄, 严晓, 王影, 徐华源, 刘双宇.
QIN Huan.
现有的锂电池微短路检测方式主要是通过特定装置和等效电路模型检测。李克锋等[4]通过极片组微短路检测装置,在垂直于电池极片组的方向上均匀施加压力,发生短路的隐患点在压力下正、负极导通后,向两极间施加直流电压测试两极间的绝缘电阻值,微短路极片的绝缘阻值低于阈值则证明其存在微短路。但该方法适用于单体电池,需要特定的装置,不易实施。郑岳久等[5-6]通过电池两次充电结束之间的自放电电流来量化微短路,计算两次充电后的剩余可充电容量可得到漏电量,进而得到自放电电流,并结合微短路单体的等效电路模型,计算出内短路阻值,根据其阈值判定该单体是否发生微短路。但该方法依赖于内短路阻值阈值的设定,仅适用于新电池包微短路的诊断,对老化电池包的诊断误差较大。
针对以上两种方法存在的难点,本文利用电池包充电过程中的时间和电压,提出了一种电池包的微短路诊断方法。其优点在于,仅需要电池包充电数据,不需要特定的检测设备或设定相关参数的阈值,计算量小易实施,且可在电池包的单体层面上进行微短路诊断。
1 锂电池微短路的诊断方法
1.1 锂电池的微短路特性
图1
由这6个单体串联组成的电池包,在tn,0时6号单体最先达到充电截止电压3.65 V时停止充电,而其它5个单体并未能充满。如果可以对电池包中的某一未充满的单体继续单独进行充电,可得到该单体的相对充电时间Δtn,i,计算公式为
其中,n为充电次数;tn,0为电池包第n次充电结束时的时间;tn,i为电池包充电结束时未达到截止电压的i号单体,单独充电至截止电压的时间。
其中,n为充电次数;j为单体的序号;tn,j为第n次充电时,基准充电曲线上与j号单体充电结束时电压相同的电压点所对应的充电时间。
根据锂电池的微短路特性,在电池包中没有单体发生微短路时,每次充电过程中未最先达到截至止电压的各单体相对充电时间基本不变;电池包中有单体发生微短路时,相比于其他未发生微短路的正常单体,该单体的相对充电时间随着充电次数的增加而不断延长。
1.2 电池包微短路的诊断
获得电池包中单体每次充电的相对充电时间后,可计算得到单体相邻两次充电的相对充电时间差值,并通过单体当前的相对充电时间与对应的相对充电时间差值计算得到Kn-n-1, j值,可判定该单体相对充电时间的变化趋势,Kn-n-1, j值计算公式为
由于微短路单体的相对充电时间随着充电次数的增加而延长,因而电池包中发生微短路单体的Kn-n-1, j值会大于其他正常单体的Kn-n-1, j值。同时,内阻较大的单体由于每次充电时间存在波动,导致充电结束时的电压波动较大,从而使得每次的相对充电时间变化较大,Kn-n-1, j值也会变大。可根据各整个电池包中的各单体Kn-n-1, j值的一致性,并结合内阻对Kn-n-1, j值的影响,判别是否有单体出现微短路。具体判断方法如下:
(1)通过箱型图对各单体Kn-n-1, j值一致性进行分析;
(2)统计Kn-n-1, j值异常的单体序号;
(3)计算各单体的直流内阻,并通过箱型图进行一致性分析;
(4)分析Kn-n-1, j值异常单体直流内阻的一致性,判断其中是否存在直流内阻异常或较大的单体;
(5)根据直流内阻对单体进行筛选,重复步骤(1)~(2)进行Kn-n-1, j值一致性分析;
若某单体的Kn-n-1, j值异常且作为异常值重复出现次数最多,则该单体出现微短路。
某个单体的Kn-n-1, j值异常且作为异常值重复出现次数最多,可能是因为该单体的直流内阻较大,根据直流内阻对单体进行筛选,不影响诊断结果,且可提高诊断结果的准确性。
2 锂电池微短路诊断方法的应用
2.1 测试对象及步骤
测试对象为梯次万向A123有限公司所生产的WXL12S537300A的锂电池模块,该梯次利用磷酸铁锂电池包由13个模组串联,每个模组由6个软包单体并联,单体的额定容量为50 A·h,额定电压为3.3 V。
测试时选用arbin evts 600 V/300 A大功率动力电池测试设备及哈丁科技(重庆)试验设备有限公司的TU410-5温控箱。整个测试过程在温控箱45 ℃的环境中进行,静置5 min,以300 A的电流对电池包进行放电至任一模组达到截止电压2.7 V,然后以300 A的电流对电池包进行充电至任一模组达到截止电压3.6 V,由此对电池包进行充放电循环。以相同的充放电循环测试步骤共进行3次测试,电池包在相邻两次测试的静置过程中均处于45 ℃恒温状态。
2.2 测试数据的选取
选取所有测试数据中的充电数据,在计算电池包的各模组相对充电时间Δt j时,考虑到相邻两次充电容量、充电结束时各模组电压的差值一致性,需要对所有充电数据进行筛选,在不影响结果的条件下,以保证微短路诊断的准确性,数据选取原则如下:
(1)计算电池包每次充电容量与后一次充电容量差值ΔC并相互对比,选取△C数值较小的对应充电数据,由于正常充放电循环中相邻两次充电容量基本不变,由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间Δtj波动较大;
(2)计算电池包每次充电结束时各模组电压与后一次充电结束时各模组电压差值ΔU并相互对比,选取ΔU数值较小的对应充电数据,由于相邻两次以相同电流充电时各模组在充电结束时的电压基本不变,由此选择可以防止每次充电时模组的相对充电时间Δtj波动较大;
(3)统计电池包每次充电过程中最先达到截止电压的模组序号,在所有充电数据中选取模组序号不变的对应充电数据。电池包的充电容量取决于最先达到充电截止电压的模组,因为最先达到截止充电电压的模组改变,则电池包的充电容量和充电时间随之改变,充电结束时各模组的电压会随之大幅改变,从而导致相对充电时间Δtj波动较大;若电池包的充电数据在最先达到截止充电电压的模组改变后仍满足(1)~(2)数据选取原则,则保留相对应数据。
电池包在前2次测试中可以正常充、放电,在第3次测试后期不能充、放电。如图2所示,在电池包第3次测试中各模组循环充、放电电压曲线中,第29次充电后电压曲线出现异常,由于电池包中的模组在短时间内达到充电截止电压和放电截止电压,导致电池包不能正常充、放电。因此,选取电池包前28次的充电数据进行分析,在28次充电数据中根据数据选取原则(1)~(3),选取符合的充电数据。
图2
图3
图4
图5
图6
综合考虑电池包ΔC和各模组的ΔV,选取的具体充电数据如表1所示。
表1 选取的充电数据统计
Table 1
测试次数 | 选取的充电数据(充电次数) |
---|---|
1 | 6~9 |
2 | 11~17 |
3 | 20~25 |
2.3 电池包中模组的微短路分析
选取最先达到充电截止电压的模组,以其电压曲线为基准,计算每次充电时各模组的相对充电时间Δtn,j。电池包某次充电的电压曲线如图7所示,充电过程中10号模组最先达到充电截止电压,以10号模组的充电电压曲线为基准,计算其他模组的相对充电时间Δtn,j及Kn-n-1, j值,并通过箱型图分析Kn-n-1, j值的一致性。
图7
图8
图8
相邻两次充电各模组Kn-n-1,j值箱型图
Fig. 8
Box diagram of Kn-n-1,jvalue of each module charged twice adjacently
表2 Kn-n-1,j值异常的模组序号统计
Table 2
充电次数 | 异常模组序号 | 充电次数 | 异常模组序号 |
---|---|---|---|
6~7 | 2、6 | 15~16 | 6 |
7~8 | 2、6 | 16~17 | 6 |
8~9 | 2 | 20~21 | 6 |
11~12 | — | 21~22 | 6 |
12~13 | — | 22~23 | — |
13~14 | 6 | 23~24 | 6 |
14~15 | 6 | 24~25 | — |
通过每次测试前静置的电压与充电电压计算各模组的直流内阻[11],直流内阻计算公式为
其中,k为测试次数;U1-k, j为j号模组k次测试静置时的电压;U2-k, j为j号模组k次测试开始充电后10 s的电压;Ik为k次测试的充电电流。
图9
图10
图11
图11
剩余模组相邻两次充电的Kn-n-1, j值箱型图
Fig. 11
Box diagram of Kn-n-1, j value of the remaining modules charged twice adjacently
表3 剩余模组中Kn-n-1, j值异常的模组序号统计
Table 3
充电次数 | 异常模组序号 | 充电次数 | 异常模组序号 |
---|---|---|---|
6~7 | 2 | 15~16 | — |
7~8 | 2 | 16~17 | 2 |
8~9 | 2 | 20~21 | — |
11~12 | — | 21~22 | — |
12~13 | 2 | 22~23 | — |
13~14 | — | 23~24 | 1 |
14~15 | 1 | 24~25 | — |
图12
3 结论
针对电池包老化过程中的安全使用问题,本文提出了一种电池包的微短路诊断方法。电池发生微短路后会不断消耗电能,导致电池包中微短路单体的相对充电时间随着充电次数增多,从而异于正常的单体,该方法根据此特性通过电池包的充电数据对各单体的相对充电时间进行分析,由此可以判断电池包是否存在微短路,并对微短路的具体单体进行判定。
此方法对于电池包中发生微短路的单体进行定位时,仅需充电数据,无需特定工况下的测试即可对电池包进行微短路诊断,不影响电池包的正常工作,简单易操作,且能够在线应用,可为电池包的预防性检测及安全应用提供一定技术指导。
参考文献
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