动力电池常见故障模拟实验教学平台开发_郑岳久.pdf

ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 42 卷 第 1 期Vol 42 No12023 年 1 月Jan 2023DOI:10 19927/j cnki syyt 2023 01 039动力电池常见故障模拟实验教学平台开发郑岳久，周龙，孙跃东(上海理工大学 机械工程学院，上海 200093)摘要:动力电池是电动汽车的能量来源。锂电池因其高能量密度、高功率密度和长寿命而成为电动汽车的主流储能系统，然而锂电池系统的各种故障也对电池的性能和安全性构成了威胁，因此开发了一款动力电池常见故障模拟的教学实验平台。该平台包括恒温箱、测试系统、上位机和数据分析等软件，能够仿真出不同类型的电池模组故障数据，包括容量故障、阻值异常故障、短路故障等，可探究不同故障对车用锂电池的影响，为电池故障诊断算法提供了有效的数据支持。同时，该平台能够促进学生发挥主观能动性，提升学生应用基本理论知识解决工程实际问题的能力。关键词:锂离子电池;故障模拟;测试系统;实验教学平台中图分类号:G 642文献标志码:A文章编号:1006 7167(2023)01 0201 03Development of Experimental Teaching Platform forSimulation of Power Battery s Common FaultsZHENG Yuejiu，ZHOU Long，SUN Yuedong(College of Mechanical Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China)Abstract:Power battery is the energy source of electric vehicles Lithium battery has become the mainstream energystorage system for electric vehicles due to their high energy density，high power density and long service life However，various failures of the lithium battery system pose a threat to the performance and safety of the battery，so this paperdevelops a teaching experiment platform for simulating the common faults of power batteries The experimental platformincludes incubator，test system，host computer and data analysis software，which can simulate different types of batterymodule fault data，including capacity faults，abnormal resistance faults，short-circuit faults，etc The platform canexplore the influence of different faults on the performance of lithium batteries for vehicles and provide effective datasupport for the battery fault diagnosis algorithm At the same time，the platform can allow students to play theirsubjective initiative，improve their ability to apply basic theoretical knowledge to solve practical engineering problems，and promote the output of scientific research resultsKey words:lithium-ion cells;faults Simulation;test system;experimental teaching platform收稿日期:2022-02-23基金项目:国家自然科学基金项目(51877138);上海市科技发展基金项目(19QA1406200);上海理工大学新能源汽车技术科研项目(14002850)作者简介:郑岳久(1986 )，男，浙江宁波人，博士，副教授，研究方向为车用动力电池动力系统。Tel:18116376177;E-mail:yuejiu_zheng163 com0引言由于锂离子电池在能量密度和循环寿命方面的突破，新能源汽车市场正在蓬勃发展1-3。然而，电池系统的安全性已成为制约电动汽车快速发展的瓶颈4-5。近年来，随着电池系统故障风险的增加，加速了对故障诊断的研究和管理。锂离子电池常见故障包括内短路、阻值异常、容量异常6-11，这些故障往往造第 42 卷成了电池组性能的衰减，若不及时检测出潜在的异常，则可能导致不可逆的损坏，如热失控12，甚至灾难性事故13-16。因此开发模拟电池常见故障的实验平台对研究和总结电池故障问题、开发电池故障诊断技术、提高新能源汽车的安全性具有积极意义。本文设计的研究性实验教学平台既可用于科研实验，为电池故障诊断方法提供数据支撑;也可作为研究生实验教学课程，激发创新意识，培养和提升学生的科研实践能力。1故障模拟实验平台动力电池故障模拟实验平台是基于 Diagtron-BTS600 电池组测试系统，并通过温箱对被测样品进行实验。图 1 所示为电池故障模拟实验平台，其主要由BTS600 电池组测试系统、数据采集盒、恒温箱、电流电压测量线等组成。(a)示意(b)实物图 1电池故障模拟实验平台恒温箱负责电池组所处的环境，电池组测试系统通过线束与恒温箱中的电池连接，对电池进行充放电控制，数据采集盒采集电池的状态数据，通过上位机对实验程序进行设定，各个设备间的通信如图 1(a)所示。电池测试系统可对电池进行充放电特性试验、脉冲试验、充放电效率实验以及温度特性实验等。每个电池通道均设有独立的恒压源及恒流源，可通过任意编程控制。同时具有高精度、通道可并联、充放电电流快速切换、测试过程事件的完整记录(日志功能)、智能掉电保护措施、数据实时监控等优点。其数据实时监控界面如图 2 所示，它可检测电池电流、温度、循环次数、工步时间、总电压以及各单体的电压等。图 3 所示为 BTS600 数据软件分析界面图，它可根据需求分别以图形和数字的形式查看实时数据。左图为曲线图，右图为文本数据。且曲线图可由选择的图 2BTS600 实时监控界面图 3BTS600 数据分析软件界面参数画出不同参数与时间的曲线图，简单直观，清晰明了。此外该数据还可导出保存为 Excel 文件，方便用户后续利用 Python、Matlab 等软件对其进行数据处理。2实验原理与方法图 4(a)为正常单体的一阶 C 等效电路模型，0为电池内阻，1和 C1组成 C 网络表示电池的极化现象，其外特性方程Ut=OCV(SOC)I0 U1U1=I1 1 exp(t/1)(1)当电池发生短路时，电子从内部穿过隔膜，单体会自放电，即内部消耗电量，相当于电池单体在正负极间连接有一个电阻在消耗电量，其等效电路图如图 4(b)所示，ISC为内短路电阻。当电池存在接触电阻时，在应用时需要考虑接触电阻的存在，其带有接触电阻的等效电路模型如图 4(c)所示，C为接触电阻，此时电池的内阻 =0+C。(a)正常(b)有内短路电阻(c)有接触电阻图 4电池等效电路被测样品放在恒温箱中进行测试，为了模拟模组内一个单体出现故障，采用等效电阻法在模组内某个单体上并联一个电阻进行内短路实验;将定值的毫欧级小电阻串联至模组，以模拟阻值异常故障模组;通过将老化后的小容量电芯串联至模组，模拟容量异常故障模组。图 5 所示故障模拟的实物图，从左向右依次为短路故障、容量异常故障、接触电阻故障。3实验结果与分析实验选取某厂商的NCM方壳电池模组进行电池202第 1 期郑岳久，等:动力电池常见故障模拟实验教学平台开发(a)短路故障(b)容量异常故障(c)接触电阻故障图 5电池常见故障模拟实物常见故障模拟实验。表 1 所示给出了该单体电池的基本参数，将 6 个单体电池串联后组成电池模组，利用该实验平台可模拟电动汽车在发生故障时电池的充放电数据，探究不同故障对车用锂电池的影响表现，同时此平台还可用于实践类的教学课程，进一步将本实验平台用于电池故障诊断等方面的教学研究案例。表 1电池的基本参数项目额定性能长度/mm148+1.0/-1.5宽度/mm95 1.5厚度/mm50 0.16标称容量/Ah1000充电截止电压/V425标称电压/V3 7放电截止电压/V2 75(10 60)电池质量/g1 697 15根据电池的性能参数，电池的标准充电电流为1/3C(33.33 A)，因此充电工况以 33.33 A 的电流进行恒流充电至截止电压 4.25 V。为了模拟汽车城市郊区工况，其放电工况选取新欧洲驾驶循环工况(NEDC)。图 6 所示为电池在充放电工况下模拟不同故障的输出电压曲线图。(a)容量异常故障(b)短路故障(c)接触电阻故障图 6不同故障模拟的电压曲线图6 中 Cell1 为故障单体，其余均为正常单体。正常电芯的电压应趋于平行，而故障单体的电压则表现出不同的特征。由图 6 可见，小容量电芯的电压数据在放电过程下降得要比正常电芯快，而充电过程中其电压增加的速度更快。而发生短路的电芯无论在充电还是放电的过程中，其电压曲线总是位于在正常电芯的下面，且随着时间的增加，短路电芯的电压与正常电芯的电压差距逐渐增大。当电池发生接触电阻故障时，其端电压出现无规则的剧烈变化，比正常电芯的变化幅度要大。由实验平台模拟出的不同故障的充放电数据及其表现特征，可为后续电池故障诊断算法起到了有效的支撑作用。4结语锂电池系统在实际使用过程中会出现容量故障、阻值异常故障、短路故障等常见故障，针对上述故障，开发了一套故障模拟实验平台，详细介绍了实验平台的各个组成部分，并通过此平台模拟出了 3 种常见故障的电池充放电数据，验证了此平台的合理性与可行性，操作方便，数据导出清晰直观，为电池故障诊断算法提供了有效的数据支持。同时，该平台可作为研究生实验教学课程，能够让学生发挥主观能动性，将实验结果和实际的生产生活联系起来，提升学生应用基本理论知识解决工程实际问题的能力，推动科研的进步。参考文献(eferences):1张金龙，佟微，漆汉宏 锂电池发展浅谈 J 电源技术，2017，41(9):1377-13792周龙，郑岳久，来鑫，等 软包电池施压与测试实验教学平台开发J 实验技术与管理，2021，38(5):10-223Wang X，Wei X，Chen Q，et al A Novel system for measuringalternating current impedance spectra of series-connected Lithium-ionbatteries withahigh-powerdualactivebridgeconverteranddistributed sampling units J IEEE Transactions on IndustrialElectronics，2021，68(8):7380-73904陈泽宇，熊瑞，孙逢春 电动汽车电池安全事故分析与研究现状 J 机械工程学报，2019，