韓冰海，王東梅，李世云

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471000)

一種基于直流內(nèi)阻的電池組連接可靠性的檢測方法

韓冰海，王東梅，李世云

(中航鋰電(洛陽)有限公司，河南洛陽471000)

串并聯(lián)成組后，電池的直流內(nèi)阻由單體電池本身的直流內(nèi)阻和極柱連接部分的接觸電阻組成。電池組中某支電池連接不良時，該電池的直流內(nèi)阻會高于其他電池。從直流內(nèi)阻角度，提出直流內(nèi)阻偏差(ΔR)這一指標(biāo)對電池組的連接可靠性進(jìn)行評測?？紤]到ΔR計算操作復(fù)雜、故障識別慢的缺點，進(jìn)一步提出電池組在30%～60%SOC下，1C放電1 min結(jié)束時壓差(ΔU)的評測指標(biāo)。同時給出了該指標(biāo)合格的閾值設(shè)定方法。試驗結(jié)果表明：(1)在要求的SOC下，ΔU和ΔR與電流的乘積基本一致，完全可以代替ΔR表征電池組的連接狀況，并且表征能力更加明顯;(2)根據(jù)ΔU的合格閾值，可以實現(xiàn)電池極柱螺栓松動、連接部位氧化等連接不良問題的快速檢測、有效識別。

電池組;螺栓連接;直流內(nèi)阻;可靠性檢測

近年來，電動汽車的發(fā)展突飛猛進(jìn)，越來越多的電動汽車逐步走入人們的生活。隨著電動汽車的不斷推廣，其安全性能備受關(guān)注。作為電動汽車動力核心的電池系統(tǒng)，其安全性及可靠性與整車的安全息息相關(guān)。

電動汽車用電池系統(tǒng)通常具有電壓平臺高、輸出電流大等特點，一般由幾百支或上千支單體電池經(jīng)過串并聯(lián)連接組成。目前單體電池的串并聯(lián)連接主要有螺栓連接和焊接兩種方式，其中螺栓連接由于成本較低仍被普遍采用。但是螺栓連接點出現(xiàn)松動的狀況會使該點的接觸電阻顯著增大，導(dǎo)致充電時該點的監(jiān)測電壓遠(yuǎn)高于其他電池，放電時檢測電壓遠(yuǎn)低于其他電壓。在整車運(yùn)行過程中會影響電池組性能，減少續(xù)駛里程，降低循環(huán)壽命，甚至?xí)?dǎo)致松動位置溫度過高，造成電池短路，引發(fā)起火爆炸事故。因此，電池組的連接可靠程度決定著整個電池系統(tǒng)的安全性及可靠性。目前，在對螺栓連接可靠性檢測方面，通常采用在螺栓連接位置增加壓電材料或傳感器的方式，并根據(jù)響應(yīng)信號判斷螺栓的松動情況[1-3]。還有的采用增加監(jiān)控系統(tǒng)的方式，對螺栓連接點的松動情況進(jìn)行監(jiān)控[4]。這些方法需要在每個受監(jiān)控的螺栓連接點上額外增加監(jiān)測材料或裝置，電池系統(tǒng)中包含成百上千個螺栓連接點，會大大增加制造和維護(hù)成本。此外，使用紅外測溫技術(shù)監(jiān)測螺栓連接點溫度的方法也可以反映螺栓連接狀況[5]，但是該方法需要有一定的時間積累，短時間內(nèi)溫度對螺栓的連接情況表征不明顯。

本文針對電池組提出了一種快速有效的檢測螺栓連接可靠性的方法，不僅可實現(xiàn)電池組螺栓松動的準(zhǔn)確檢測，而且適用于電池系統(tǒng)批量化的生產(chǎn)要求。本文提出的檢測電池組螺栓連接可靠性的方法如下：在電池組處于30%～60%SOC的狀態(tài)下，使用1C電流對電池組放電1 min，通過檢測放電結(jié)束時刻的整組壓差對電池組的連接狀況進(jìn)行判定。當(dāng)壓差小于合格閾值時，判定電池組連接良好；當(dāng)壓差大于合格閾值時，判定電池組存在螺栓連接不良點。本文同時給出一種合格閾值的設(shè)定方法。

1 測試方法

電池組螺栓連接點松動或者連接處存在氧化時，該連接點的接觸電阻會增大。由于經(jīng)過串并聯(lián)連接后電池的直流內(nèi)阻是電池本身的直流內(nèi)阻(DCIR)和兩個極柱螺栓點的接觸電阻之和。因此某支電池連接不良時，對應(yīng)的直流內(nèi)阻高于其他電池。以能量型蓄電池組為例，依據(jù)《GB/T 31467.2-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程》中的內(nèi)阻測試方法，可以得到電池組的DCIR和每支電池的DCIR。

《GB/T 31467.2-2015電動汽車用鋰離子動力蓄電池包和系統(tǒng)第2部分：高能量應(yīng)用測試規(guī)程》中的內(nèi)阻測試工況如表1所示。

表1 系統(tǒng)直流內(nèi)阻測試工況

取該項國標(biāo)中規(guī)定的全過程放電內(nèi)阻，作為評測指標(biāo)，其電池組DCIR的計算公式如下：

式中：U1為表1工步中第120 s結(jié)束時刻的電池組總壓；I1為第120 s結(jié)束時刻的電流；U2為第160 s結(jié)束時刻的電池組總壓。同樣的，各單體電池DCIR的計算公式如下：

式中：U1n為第120 s結(jié)束時刻的第n支電池的電壓；U2n為第160 s結(jié)束時刻的第n支電池的電壓，n=1,2,…,N，N為電池組的串?dāng)?shù)。

在各單體電池均連接良好的情況下，電池組的直流內(nèi)阻偏差會較小。而當(dāng)其中有一支或多支電池存在連接不良時，整組的直流內(nèi)阻偏差會變大。因此可以使用直流內(nèi)阻偏差表征電池組的連接狀況，其計算公式如下：

由于直流內(nèi)阻偏差必須根據(jù)放電測試后的數(shù)據(jù)計算得到，一方面如果電池組的連接存在極端情況，放電測試時容易發(fā)生危險事故；另一方面，這種方法實際操作過程較為繁瑣，需要人工計算得到，并且表征不夠明顯。經(jīng)過進(jìn)一步研究分析，可轉(zhuǎn)化為整組壓差進(jìn)行表征。

電池處于30%～60%SOC時，DCIR比較穩(wěn)定。根據(jù)公式(4)，電流越大，ΔU就越大，表征能力越明顯?？紤]電池組的整體過載能力，選取1C進(jìn)行放電。由于DCIR受SOC影響較大，因此放電時間不宜過長，故選擇1 min放電時間。因此，電池組在30%～60%SOC時，1C放電1 min結(jié)束時的壓差，可以代替直流內(nèi)阻偏差用于表征電池組連接可靠性。由于該指標(biāo)可通過BMS的上位機(jī)軟件實時監(jiān)測，因此操作便捷，可快速有效識別連接問題。

1C放電壓差的合格閾值，根據(jù)公式(4)，由整組電池直流內(nèi)阻差和放電電流決定。電池生產(chǎn)廠商可根據(jù)生產(chǎn)過程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)獲取直流內(nèi)阻偏差，從而確定用于連接可靠性評測的1C放電壓差的合格閾值。

2 實驗及結(jié)果分析

2.1 直流內(nèi)阻偏差與1C放電壓差的關(guān)系

選取8組2并157串60 Ah電池組，荷電狀態(tài)50%SOC，電池極柱緊固扭矩為9 N·m，串并聯(lián)連接導(dǎo)電條光亮、無氧化。按照表2中的工步進(jìn)行測試，記錄144 A放電1 min結(jié)束時刻的壓差ΔU。分別按照公式(2)、(3)計算各單體電池直流內(nèi)阻、直流內(nèi)阻偏差。測試結(jié)果如表2所示。

表2 2并157串60 Ah電池組直流內(nèi)阻測試工步

由表3和圖1可見，1C放電1 min過程的最大壓差與ΔDCIR×I的值非常接近，驗證了公式(4)的正確性。因此，除了將直流內(nèi)阻偏差作為連接可靠性的評價指標(biāo)外，也可選用1C放電1 min過程中的最大壓差作為連接可靠性的評價指標(biāo)。

圖1 電池組1C放電1 min過程最大壓差與ΔDCIR×I對比

2.2 1C放電壓差對連接不良情況的表征

(1)在8組實驗電池組中，隨機(jī)挑選1組。按照表2工步進(jìn)行測試，記錄144 A放電結(jié)束時刻的整組壓差ΔU；

(2)將第10支電池其中1個極柱螺栓的緊固扭矩值由9 N·m降低至1 N·m，再次按照表2工步進(jìn)行測試，記錄144 A放電結(jié)束時刻的整組壓差ΔU；

(3)恢復(fù)第10支電池極柱螺栓的扭矩值為9 N·m，將其串聯(lián)連接導(dǎo)電條更換為經(jīng)過氧化的導(dǎo)電條，再次按照表2工步進(jìn)行測試，記錄144 A放電結(jié)束時刻的整組壓差ΔU。

3次測試的結(jié)果對比如表4所示。圖2為電池組連接良好時的單體電池直流內(nèi)阻及電壓分布。

表4 實驗對比結(jié)果

圖2 電池組連接良好時的單體電池直流內(nèi)阻及電壓分布

通過對比實驗(1)、(2)、(3)的測試結(jié)果可知，直流內(nèi)阻偏差和1C放電1 min結(jié)束的壓差均檢測出電池連接不良的情況，并且1C放電1 min結(jié)束的壓差表征得更加明顯。由于電池組壓差無需計算，可以通過BMS上位機(jī)軟件實時監(jiān)測，因此操作更加便捷，并且可以實現(xiàn)故障快速識別，更加適合作為批量生產(chǎn)過程中的檢測指標(biāo)。

2.3 電池組壓差合格閾值設(shè)定方法

根據(jù)表3中的統(tǒng)計信息，電池組在連接良好的情況下，直流內(nèi)阻偏差ΔR≤0.4 mΩ。根據(jù)公式(4)，對應(yīng)1C放電1 min結(jié)束時整組壓差的合格閾值為：ΔU≤0.4×144=57.6 mV。

結(jié)合實驗(1)(2)(3)的測試結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：實驗(1)1C放電1 min結(jié)束時的壓差ΔU=24.0 mV，小于閾值，表明電池組連接良好；實驗(2)的ΔU=76.2 mV，大于閾值，表明電池組存在連接不良的部分，根據(jù)1C放電1 min結(jié)束時的單體電壓數(shù)據(jù)，可以定位到第10支電池，如圖3所示；實驗 (3)的ΔU=114.4 mV，大于閾值，同樣表明電池組存在連接不良的部分，根據(jù)圖4中的單體電壓數(shù)據(jù)，可以確定第10支電池存在連接異常。通過以上實測ΔU的數(shù)值分析得到的電池組連接狀況與實際情況一致。

3 結(jié)論

圖3 第10支電池緊固扭矩不達(dá)標(biāo)時的單體電池直流內(nèi)阻及電壓分布

圖4 第10支電池連接導(dǎo)電條氧化時的單體電池直流內(nèi)阻及電壓分布

針對電池組螺栓的可靠連接難于檢測、耗時長、成本高的問題，本文提出了一種基于直流內(nèi)阻的連接可靠性測試方法。該方法沿用《GB/T 31467.2-2015》中的蓄電池內(nèi)阻測試方法，使用直流內(nèi)阻偏差作為連接可靠性的測試指標(biāo)；進(jìn)一步考慮批量生產(chǎn)中操作的便捷性，將直流內(nèi)阻偏差改進(jìn)為1C放電1 min結(jié)束時的壓差這一指標(biāo)，并給出了該指標(biāo)合格的閾值設(shè)定方法。對比原有的檢測方法，本文提出的測試方法無需額外增加設(shè)計成本，具有耗時短、操作簡單、故障識別快、安全性高的優(yōu)點。

[1]王濤,劉紹鵬,李川,等.基于壓電時間反演法的螺栓松動檢測研究[J].傳感學(xué)報,2015(12):1795-1799.

[2]王丹聲,朱宏平,魯晶晶,等.基于壓電導(dǎo)納的鋼框架螺栓松動檢測試驗研究[J].振動與沖擊,2007(10)：157-160.

[3]羅毅,王濤,劉紹鵬,等.基于壓電主動傳感方式的螺栓松動檢測試驗研究[J].新型工業(yè)化,2013(7):1059-1063.

[4]吳鍵,傅少武,金偉.低功耗多點螺栓松動檢測系統(tǒng)研究[J].電子設(shè)計工程,2015(9)：77-80.

[5]沈長德,黃強(qiáng),應(yīng)飛.紅外測溫技術(shù)在電力系統(tǒng)消除缺陷中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010，24(5):5-10.

Research on battery connection reliability based on DC internal resistance

HAN Bing-hai,WANG Dong-mei,LI Shi-yun
(China Aviation Lithium Battery CO.,LTD.,Luoyang Henan 471000,China)

Battery DC internal resistance (DCIR)includes the resistance of cell itself and the contact resistance of connecting position after serial and parallel connection. Battery’s DC internal resistance can rise if it connects unwell.Based on the DCIR of cell,the deviation of DCIR(ΔR)as the test index of battery connection reliability was proposed.Considering the shortcoming of ΔRin operation and fault recognition,another index instead of ΔRwas proposed.It was the voltage difference of battery at the end of one minute discharge process with 1Ccurrent,when the battery pack at 30% ～60%SOC.It could be defined as ΔU.The passing standard of ΔUwas provided.The test results show that ΔUis almost equal to the product of ΔRand current.So ΔUcan be used as the test index of battery connection reliability and it increase more obviously than ΔRwhen any position connects unwell in the battery.According to the passing standard of ΔU,it can identify the unwell connection situation effectively and quickly.

batteries;bolt connection;DC internal resistance;reliability test

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)07-0981-03

2016-12-31

韓冰海（1978—），男，河南省人，工程師，主要研究方向為鋰動力電池生產(chǎn)制造、分選配組及系統(tǒng)測試技術(shù)。