低气压机械振动对锂离子电池安全性的影响

徐兆爽 ,宛宇 ,刘金成

摘要：锂离子电池故障模式包括内部短路故障、外部短路故障、过充过放故障和不一致故障等。现有研究大部分集中于电池本体，对电池之间连接故障的研究较少。实际上，为了满足高电压大容量的实际应用需求，锂离子电池组往往由成百上千的电池单体通过螺栓、焊接等方式串并联组成。电池装配缺陷、恶劣的运行工况、强烈的振动环境等因素可能引起螺栓和焊接点松动，导致电池组发生连接故障。此时，电池单体间的接触电阻增大，一方面造成电池组内电流分布不均匀，降低了电池组的容量、功率性能；另一方面造成局部发热功率增加，可能引起电池和连接件温度异常升高，加速电池老化，严重时甚至可能熔化极柱，进一步演变为电池的热失控与起火燃烧。因此，对锂离子电池组连接故障进行检测与定位，对于提升电池系统安全性具有重要意义。基于此，本篇文章对低气压机械振动对锂离子电池安全性的影响进行研究，以供参考。

关键词：锂离子电池；低压；振动

引言

锂离子电池无论在民航运输、道路运输，还是在交通工具、家用电器等使用中均存在安全风险，为寻求解决此类问题的方法与途径，研究了低压条件下，机械振动对锂离子电池性能和热失控的影响，低压条件下，机械振动造成锂电池热失控温度升高、安全阀弹出时间明显改变。低频、大振幅机械振动造成电池短路进程加快，高频振动使锂电池燃爆温度和排气量增大。对１８６５０锂离子电池，安全阀弹出的温度在１４０～１５０℃。安全阀弹出时气体释放强度较大，气体信号可以作为锂电池安全预警的一个关键变量。低压振动后锂离子电池放电容量都小于原电池，放电速度均快于原电池。

1锂离子电池故障类型

锂离子电池作为汽车的“心脏”，决定着汽车行驶的里程。锂离子电池系统由电池模组(电池单体串并联)、电池管理系统(BMS)、热管理系统和电气及机械组件四大部分组成。其中BMS的作用主要是对电池电压、电流和温度通过外壳传感器、执行器、主控芯片等进行实时监督。但由于电池组各个单体电池的内部容易出现老化衰减、电池成组过程中线路腐蚀等内因交织着使用过程的操作不当引起过充、过放等异常的外因，这些内外因的综合作用导致了电池的内部和外部故障。其中锂离子电池内部故障分为过充、过放、内短路、热失控等类型。内部故障一方面是BMS以及传感器的本身的故障引起传感器不能正常的工作导致的，另一方面是因为电池内部结构发生电化学反应和内部短路引起的锂枝晶现象。但锂离子电池的外部故障的危险性通常大于内部故障，外部故障会引发内部故障的连锁反应，最后容易引发热失控。传感器故障往往最容易被忽视，但这可能引发严重的后果。BMS依靠传感器才能实现均衡控制、故障诊断及荷电状态(SOC)估计等功能，如果传感器出现偏差、漂移以及停止工作等故障，导致不能实时获取数据，也就无法对电池目前的状态进行精确合理的判断，这样不仅可能降低性能，还可能引起重大的安全事故。但由于传感器隐蔽性高，所以诊断难度大，这也是目前传感器研究的重点和难点。BMS管理由数百个乃至千个单体电池组成的电池组，一方面由于电池单体故障、传感器故障和连接件故障的特征相似，另一方面由于许多故障本质上是微小且隐蔽性强，难以很快识别，所以BMS偶尔会发生误诊断导致误动作。当电池多个故障发生时，如何快速检测和准确诊断故障对汽车安全至关重要。其中电池的故障诊断的流程大致分为故障检测、故障分类、故障定位以及故障隔离四个方面，电池的数据处理在电池故障诊断中具有奠基的作用，可以通过加入数学形态学滤波的方法，较好地验证去噪的效果是否显著。

2电压测量的诊断方法存在的问题

(1)在实际应用中，电池管理系统只能测量电池组内每个电池单体的端电压，想让电压测量值包括单体端电压和连接件上的电压需要添加额外的测量线，这无疑会增加设备的复杂度。如果在电池管理系统设计之初，让其采集的电压包括端电压和连接件上的电压，又会导致电池管理系统无法准确获取电池的端电压，进而无法对电池的充放电进行有效的控制和管理，容易发生过充电和过放电故障；(2)由于电池内阻变化所引起的电压变化与连接故障发生时的电压变化特征类似，且二者处于相同的数量级，因此基于电压信号的诊断方法还会面临着对连接故障与电池本体内阻增加故障进行区分的挑战。(3)当电池组内发生轻微连接松动时，引起的接触电阻增加非常小，如果电池组工作电流较小，这样的连接故障并不会引起电压信号的明显变化，因此，上述基于电压信号的诊断方法可能无法检测到早期的轻微连接松动。

3低气压机械振动对锂离子电池安全性的影响

3.1振动对电池性能的影响

对低压振动处理的电池进行常压充、放电测试，表示锂电池经过航空运输后的电池充放电性能变化情况。结果显示，在低压环境６０Ｈｚ、８０Ｈｚ的振动频率处理后，充电的效果低于原电池的充电效果，且６０Ｈｚ处理对锂电池容量影响最明显；其他振动频率均加快了充电速度，且１２０Ｈｚ时变化较大。放电过程中，１２０Ｈｚ振动处理的锂离子电池曲线偏移量最大，２００Ｈｚ最小，其余偏移量从小到大为６０Ｈｚ、８０Ｈｚ、１８０Ｈｚ、１６０Ｈｚ、１４０Ｈｚ、１００Ｈｚ。结果发现，振动频率与放电情况没有正相关性，这可能意味着振动对结构的损伤与电池自身结构对频率和振幅的响应度有关系，某些频率和振幅的振动对１８６５０锂电池结构的损伤更大。从充放电曲线总体比较可以发现，所有振动过的电池放电容量都小于原电池，放电速度均快于原电池，这就能很好地表明电池的容量与放电性能都会受到机械振动的损伤。实际上，锂离子电池在受到机械振动后，电池中的正极片和负极片在电解质里的接触程度会发生改变，从而使得电极与电解质溶液的接触面积发生变化，导致锂离子在充放电过程中向负极的转移受到阻碍，进而造成负极的嵌锂量降低。

3.2外部火烧

在我国外部火烧测试目前仅在电动汽车用动力电池的测试当中有应用，此次应用此测试对锂离子电池进行测试，主要是参考了欧盟法规ECER136e，对最大行驶速度超过6km/h且非永久连接式L类道路车辆的可充电电能存储系统（REESS）的安全要求。通过对试验过程观察，经受外部火烧未爆炸且外形相对保持较为完好的为模组采用了全金属外壳密闭包装的锂电池；而外壳出现破坏，发生起火但未爆炸的主要为塑料外壳包封、内部电芯为软包和方形铝壳型式的电池。不合格产品共同点是使用圆柱电芯，且未使用金属外壳对模组进行完全的密封。不合格电池在外部火烧的触发下均发生了剧烈的爆炸，爆炸过程中电池中大量火焰和单体外壳碎片向四周飞出，具有极强的破坏性。

结束语

本文提出了一种基于机械振动信号的锂离子电池组连接故障诊断方法，并得到以下结论。采用不同压电陶瓷片产生振动激励、测量振动响应，并从响应信号中提取时频特征，能够有效实现单点、多点连接故障模式的分类。未来的工作中将优化压电陶瓷片的布局，采集车载环境的振动信号，使该方法适用于车载锂离子电池组的连接故障诊断。

参考文献

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