摘要鋰電池以其優(yōu)越的性能廣泛應用于新能源電動汽車和儲能中，但鋰電池微短路問題有關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行判定，本文提出了一種根據單體相對充電時間變化診斷微短路的方法。本方法在電池包充電結束時，以最先達到充電截止電壓單體的電壓曲線為基準，分析其他單體在能夠繼續(xù)充電的條件下，達到充電截止電壓的充電時間，并以相對充電時間表征。由于微短路電池的電能持續(xù)消耗，導致其相對充電時間隨著充電次數新增，根據此特性，對電池包中各單體的相對充電時間進行分析，并通過箱型圖進行異常檢測。檢測結果的異常單體中，重復出現次數最多的即為微短路單體。在分析相對充電時間的同時，需分析直流內阻對診斷結果的影響，由此可提高診斷結果的準確性。經過比較分析，診斷結果和實際結果具有高度一致性，此方法的實行無需對電池包進行特殊測試，且操作便捷，可為電池包安全檢測供應方法指導。

關鍵詞電池包；微短路；相對充電時間；箱型圖

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致內短路，而內短路情況的惡化通常伴隨著自放電率和熱量的新增，進而發(fā)生熱失控，引發(fā)安全事故。鋰電池內部微短路較易觸發(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極表面形成鋰枝晶，刺穿隔膜也導致鋰電池內部發(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。

現有的鋰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)生短路的隱患點在壓力下正、負極導通后，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，不易實行。鄭岳久等通過電池兩次充電結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，進而得到自放電電流，并結合微短路單體的等效電路模型，計算出內短路阻值，根據其閾值判定該單體是否發(fā)生微短路。但該方法依賴于內短路阻值閾值的設定，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，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)點在于，僅要電池包充電數據，不要特定的檢測設備或設定相關參數的閾值，計算量小易實行，且可在電池包的單體層面上進行微短路診斷。

1鋰電池微短路的診斷方法

1.1鋰電池的微短路特性

當鋰電池單體的隔膜被附著的粉塵刺穿、隔膜質量差而表面積縮小或破損時，單體的正、負極直接接觸，導致單體發(fā)生微短路。在由單體串、并聯而成的電池包中，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個電池包在某次充電的電壓曲線，該電池包由6個單體串聯而成，分別用1～6為其編號。

圖1LiFePO4電池充電曲線

由這6個單體串聯組成的電池包，在tn,0時6號單體最先達到充電截止電壓3.65V時停止充電，而其它5個單體并未能充滿。假如可以對電池包中的某一未充滿的單體繼續(xù)單獨進行充電，可得到該單體的相對充電時間Δtn,i，計算公式為

(1)

其中，n為充電次數；tn,0為電池包第n次充電結束時的時間；tn,i為電池包充電結束時未達到截止電壓的i號單體，單獨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充電的，因而充電結束時未達到充電截止電壓單體的準確剩余充電時間是無法得到的，但是可通過最先達到充電截止電壓單體的電壓曲線為基準獲取。在圖1中，以最先達到截止電壓的6號單體的充電電壓曲線為基準，通過電池包中其他單體充電結束時的電壓和基準充電電壓曲線，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

(2)

其中，n為充電次數；j為單體的序號；tn，j為第n次充電時，基準充電曲線上和j號單體充電結束時電壓相同的電壓點所對應的充電時間。

根據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，并通過單體當前的相對充電時間和對應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

(3)

由于微短路單體的相對充電時間隨著充電次數的新增而延長，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，內阻較大的單體由于每次充電時間存在波動，導致充電結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髡麄€電池包中的各單體Kn-n-1,j值的一致性，并結合內阻對Kn-n-1,j值的影響，判別是否有單體出現微短路。具體判斷方法如下：

（1）通過箱型圖對各單體Kn-n-1,j值一致性進行分析；

（2）統計Kn-n-1,j值異常的單體序號；

（3）計算各單體的直流內阻，并通過箱型圖進行一致性分析；

（4）分析Kn-n-1,j值異常單體直流內阻的一致性，判斷其中是否存在直流內阻異常或較大的單體；

（5）根據直流內阻對單體進行篩選，重復步驟(1)～(2)進行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出現次數最多，則該單體出現微短路。

某個單體的Kn-n-1,j值異常且作為異常值重復出現次數最多，可能是因為該單體的直流內阻較大，根據直流內阻對單體進行篩選，不影響診斷結果，且可提高診斷結果的準確性。

2鋰電池微短路診斷方法的應用

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，每個模組由6個軟包單體并聯，單體的額定容量為50A·h，額定電壓為3.3V。

測試時選用arbinevts600V/300A大功率動力鋰電池測試設備及哈丁科技(重慶)試驗設備有限公司的TU410-5溫控箱。整個測試過程在溫控箱45℃的環(huán)境中進行，靜置5min，以300A的電流對電池包進行放電至任一模組達到截止電壓2.7V，然后以300A的電流對電池包進行充電至任一模組達到截止電壓3.6V，由此對電池包進行充放電循環(huán)。以相同的充放電循環(huán)測試步驟共進行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測試數據的選取

選取所有測試數據中的充電數據，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、充電結束時各模組電壓的差值一致性，要對所有充電數據進行篩選，在不影響結果的條件下，以保證微短路診斷的準確性，數據選取原則如下：

（1）計算電池包每次充電容量和后一次充電容量差值ΔC并相互比較，選取△C數值較小的對應充電數據，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束時各模組電壓和后一次充電結束時各模組電壓差值ΔU并相互比較，選取ΔU數值較小的對應充電數據，由于相鄰兩次以相同電流充電時各模組在充電結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）統計電池包每次充電過程中最先達到截止電壓的模組序號，在所有充電數據中選取模組序號不變的對應充電數據。電池包的充電容量取決于最先達到充電截止電壓的模組，因為最先達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，充電結束時各模組的電壓會隨之大幅改變，從而導致相對充電時間Δtj波動較大；若電池包的充電數據在最先達到截止充電電壓的模組改變后仍滿足(1)～(2)數據選取原則，則保留相對應數據。

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異常，由于電池包中的模組在短時間內達到充電截止電壓和放電截止電壓，導致電池包不能正常充、放電。因此，選取電池包前28次的充電數據進行分析，在28次充電數據中根據數據選取原則(1)～(3)，選取符合的充電數據。

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，根據每次充電容量計算每次充電容量和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，縱坐標為相鄰兩次充電容量差值，橫坐標為對應的相鄰兩次充電次數。在3次測試中，后2次測試過程中充電容量數值變化較小，ΔC基本保持在±2A·h內。以-2A·h≤ΔC≤2A·h為充電數據選取條件，并結合圖3和圖4，選取測試1中的第2、3、6～9次充電數據、測試2中的所有數據以及測試3中的第19～25、27次充電數據。

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，對電池包各模組的ΔU進行分析。圖5為電池包3次測試中每次充電結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，多數模組的ΔU不超過±10mV，以-10mV≤ΔU≤10mV為充電數據選取條件，并結合圖5和圖6，選取測試1中的6～9次充電數據、測試2中的第11～17次充電數據、測試3中的第20～25次充電數據。

圖5充電結束時各模組的電壓曲線

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，選取的具體充電數據如表1所示。

表1選取的充電數據統計

2.3電池包中模組的微短路分析

選取最先達到充電截止電壓的模組，以其電壓曲線為基準，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號模組最先達到充電截止電壓，以10號模組的充電電壓曲線為基準，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。

圖7充電時各模組電壓曲線

各模組Kn-n-1,j值箱型圖如圖8所示，圖中出現了多個異常值，統計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。導致Kn-n-1,j值異常的原因有兩個，分別是微短路和內阻較大，計算各模組內阻，做進一步的分析。

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計

通過每次測試前靜置的電壓和充電電壓計算各模組的直流內阻[11]，直流內阻計算公式為

其中，k為測試次數；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10s的電壓；Ik為k次測試的充電電流。

根據公式(4)計算出3次測試中各模組的直流內阻，各模組的直流內阻曲線如圖9所示，圖中6號模組的直流內阻值最大，證明6號模組Kn-n-1,j異常的原因是直流內阻值大。利用箱型圖對電池包中模組的直流內阻一致性進行分析，如圖10所示，電池包中不存在直流內阻異常的模組。為消除直流內阻有關診斷結果的影響，選取直流內阻值不超過3/4中位數的模組數據，即直流內阻值較大的6、7、10號模組的數據，以確保診斷結果的準確性。

圖9各模組直流內阻

圖10各模組直流內阻箱型圖

有關剩余的模組進行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號模組出現異常，比較1、2號模組的直流內阻可知，1號模組的直流內阻較大，其Kn-n-1,j值異常是受到了直流內阻的影響，且2號模組重復出現的次數最多，證明2號出現微短路。

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計

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號模組出現異常。2號模組在充、放電循環(huán)中可在短時間內達到充、放電的截止電壓，證明2號模組的容量在快速衰減，出現了微短路，診斷結果和實際結果一致。

圖12第3次測試中2號模組的電壓曲線

3結論

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，導致電池包中微短路單體的相對充電時間隨著充電次數增多，從而異于正常的單體，該方法根據此特性通過電池包的充電數據對各單體的相對充電時間進行分析，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行判定。

此方法有關電池包中發(fā)生微短路的單體進行定位時，僅需充電數據，無需特定工況下的測試即可對電池包進行微短路診斷，不影響電池包的正常工作，簡單易操作，且能夠在線應用，可為電池包的預防性檢測及安全應用供應一定技術指導。

引用本文：秦歡,黃碧雄,嚴曉等.磷酸鐵鋰電池包微短路診斷方法的研究[J].儲能科學和技術,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，研究方向為動力鋰電池微短路、自放電；黃碧雄，碩士，實驗師，研究方向為新能源汽車動力鋰電池。