肖艷秋 ，姚 雷 ，翟洪飛 ，2，侯俊劍

（1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

1 引言

目前，環(huán)境污染和能源枯竭問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注，世界各國(guó)已經(jīng)分別投入大量的人力和財(cái)力發(fā)展新能源行業(yè)。由于電動(dòng)汽車（EV）和混合動(dòng)力汽車（HEV）的無(wú)排放或低排放優(yōu)點(diǎn)，已成為各國(guó)研究開發(fā)和生產(chǎn)的焦點(diǎn)[1]，所以對(duì)動(dòng)力源--電池性能的研究也引起了廣泛的關(guān)注?；陔妱?dòng)汽車事故爆發(fā)的數(shù)據(jù)分析，動(dòng)力電池由連接問題引起的燃燒和爆炸等事故尤為頻繁[2]。當(dāng)今電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池主要面臨成本高、一致性差、安全性能不高和續(xù)駛里程范圍小等問題，而目前對(duì)電池性能的研究主要集中在單體和成組的熱管理方面[3-5]，對(duì)電池組內(nèi)單體連接故障方面的文章很少。在實(shí)際應(yīng)用中，單體之間的連接松動(dòng)現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，接觸不良會(huì)導(dǎo)致車輛在行駛過(guò)程中產(chǎn)生高壓電火花和電弧，極易引起火災(zāi)。文獻(xiàn)[2]提出基于電池等效電路模型中電池阻的熵值來(lái)判定系統(tǒng)的連接狀態(tài)，由于阻值需通過(guò)數(shù)據(jù)的離線處理才能得到，很難實(shí)現(xiàn)在線的實(shí)時(shí)檢測(cè)；文獻(xiàn)[6]計(jì)算出電池電壓和電流的樣本熵值，然后依次對(duì)應(yīng)，用來(lái)判斷電池連接狀況和電池SOH值，樣本熵的計(jì)算精度比較高，但抗干擾能力比較差，對(duì)噪聲尤為敏感，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)要求比較高。電動(dòng)汽車在實(shí)際運(yùn)行中，振動(dòng)和噪聲不能完全消除，所以該算法很難在工程當(dāng)中應(yīng)用。采用振動(dòng)測(cè)試和充放電實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，模擬電池在實(shí)際工況中的運(yùn)行模式，結(jié)合工況電壓，對(duì)電池的連接狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的狀態(tài)評(píng)估，確定出最佳的系統(tǒng)安裝模式。

2 電池連接模型

動(dòng)力電池在實(shí)際裝車中，通過(guò)一定的連接方式，組成一個(gè)達(dá)到車輛運(yùn)行要求的電池系統(tǒng)，為整車運(yùn)行提供動(dòng)力和檢測(cè)能力。在連接過(guò)程中，需要借助螺紋或者焊接件，將電池進(jìn)行串/并聯(lián)。其連接方式，如圖1所示。

圖中：測(cè)試點(diǎn)1、2、3和4—模擬電池虛接的測(cè)試點(diǎn)；Vn—對(duì)應(yīng)電池n的端電壓，在圖中，從下往上依次為1號(hào)電池，2號(hào)電池，3號(hào)電池，4號(hào)電池和5號(hào)電池；I—工況電流；i—測(cè)量電流。

當(dāng)電池連接故障發(fā)生在測(cè)試點(diǎn)1時(shí)，只有V1發(fā)生變化，而臨近的V2和V3的測(cè)量值不受影響。由于在測(cè)量過(guò)程中，采集線的阻抗很小，通過(guò)的電流值也很小，所以可以忽略在采集線上的壓降，近似認(rèn)為采集到的電壓Vn就是電池n兩端的開路電壓和鏈接阻抗上的壓降和。

基于此連接模式，可以將單體和連接件組合成一個(gè)單元，進(jìn)行電路簡(jiǎn)化。由于5號(hào)電池的電壓是直接測(cè)量，沒有通過(guò)連接件，所以除5號(hào)電池以外，其它電池的簡(jiǎn)化電路可采用式（1）進(jìn)行表示。

式中：Uocv—電池電動(dòng)勢(shì)，其數(shù)值上等于電池的開路電壓；Vp—極化電壓；Rp—濃差極化內(nèi)阻和電化學(xué)極化內(nèi)阻之和；RΩ—電池歐姆內(nèi)阻；Cp—極化電容；V—端電壓；Rc—電池連接件阻抗。

由式（1）可知，Usoc、RΩ和Vp在電流一定的條件下，是連續(xù)函數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，若保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，數(shù)值變化應(yīng)當(dāng)與電流波動(dòng)變化一致。Rc為電池的鏈接阻抗，當(dāng)連接狀態(tài)良好時(shí)，Rc變化不大；當(dāng)連接發(fā)生故障時(shí)，由于連接件和電池極柱之間的接觸面積發(fā)生跳變，導(dǎo)致Rc隨振動(dòng)的頻率和幅值發(fā)生變化，使測(cè)量電壓V也隨著振動(dòng)狀態(tài)發(fā)生跳變。

3 故障預(yù)測(cè)方法與驗(yàn)證

3.1 故障預(yù)測(cè)方法

信息熵是Claude Elwood Shannon在1948年最早提出來(lái)的，用來(lái)描述離散隨機(jī)事件出現(xiàn)的概率，解決信息量化的度量問題。目前該算法主要應(yīng)用遺傳學(xué)[7]、圖像處理[8]和天氣預(yù)報(bào)[9]等方面。計(jì)算公式如下：

式中：H（X）—信息熵值；

pxi—x出現(xiàn)在i區(qū)間內(nèi)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率；

n—所劃分的區(qū)域個(gè)數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)汽車電池狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要對(duì)熵值的算法進(jìn)行更新。在實(shí)際計(jì)算中，數(shù)據(jù)比較多，計(jì)算量比較大，對(duì)硬件設(shè)備要求高，同時(shí)電壓的波動(dòng)也受到電動(dòng)汽車在運(yùn)行工況時(shí)所需實(shí)際功率的影響，所以將計(jì)算步驟進(jìn)行離散簡(jiǎn)化處理，具體步驟如下：

（1）選取矩陣 Bk×n，Bk×n?Am×n

（2）選出 xmin、xmax為 Bk×n的兩個(gè)極值，即：

的個(gè)數(shù)，l為劃分的區(qū)間個(gè)數(shù)；其中 a=0，1，2，…，l-1，取 l=10；（4）計(jì)算每個(gè)區(qū)間數(shù)據(jù)出現(xiàn)的頻率；

在計(jì)算的過(guò)程中，K值為選取計(jì)算窗口的大小，其數(shù)值極為關(guān)鍵。選取過(guò)大，造成兩個(gè)相互事件之間發(fā)生干擾，無(wú)法辨別；K值選取過(guò)小，會(huì)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)波動(dòng)特別厲害，無(wú)法查看，由于數(shù)據(jù)量較大，在此選取K=100。

3.2 算法驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電池系統(tǒng)振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)采用如下設(shè)備：充放電設(shè)備為德國(guó)迪卡隆充放電儀，振動(dòng)臺(tái)是中國(guó)杭州制造，電壓采集器采用美國(guó)的NI采集器。實(shí)驗(yàn)參照電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池箱通用要求QC/T 989-2014，在25℃下，從（10～55）Hz進(jìn)行掃頻測(cè)試，同時(shí)充放電柜對(duì)電池組進(jìn)行充放電測(cè)試，實(shí)時(shí)采集電壓值，并通過(guò)紅外測(cè)溫儀不定時(shí)對(duì)連接部件檢測(cè)，防止溫度過(guò)高。

3.3 實(shí)驗(yàn)算法的驗(yàn)證

電池在測(cè)試過(guò)程中，得到電壓的采集數(shù)據(jù)。取n=5時(shí)的熵值曲線進(jìn)行分析。

分別用 1、3、4 標(biāo)注出 1、3 和 4 號(hào)測(cè)試點(diǎn)在 t=40S、140S、90S和170S處出現(xiàn)了熵值的波動(dòng)，如圖2所示。此時(shí)通過(guò)紅外測(cè)溫儀發(fā)現(xiàn)，1號(hào)測(cè)試點(diǎn)局部溫度高達(dá)82℃。4號(hào)測(cè)試點(diǎn)局部溫度也高達(dá)46℃。

測(cè)試點(diǎn)3在t=90S處出現(xiàn)一個(gè)小的熵值峰值，但溫度與測(cè)試點(diǎn)2處均為30℃，因?yàn)樵陟刂涤?jì)算的區(qū)間內(nèi)，如果測(cè)試點(diǎn)處采集到的電池電壓都比較穩(wěn)定，3號(hào)測(cè)試點(diǎn)略微出現(xiàn)相對(duì)較大的噪聲干擾，熵值就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)波峰。但由于噪聲的隨機(jī)性，峰值會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)消失。

圖2 n=5時(shí)電壓熵值曲線Fig.2 Voltage Curve and Sannon Entropy Curves at n=5

當(dāng)n=10時(shí)，采集到的1號(hào)測(cè)試點(diǎn)的電壓數(shù)據(jù)變化劇烈，波動(dòng)十分明顯，同時(shí)有火花的迸出。隨著實(shí)驗(yàn)的繼續(xù)，1號(hào)測(cè)試點(diǎn)處的螺母出現(xiàn)明顯的跳動(dòng)，連接件與電池之間的接觸松動(dòng)已很明顯，同時(shí)火花頻繁迸出。表明1號(hào)測(cè)試點(diǎn)已處于完全松動(dòng)狀態(tài)。

結(jié)合圖2和后續(xù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，電池的連接狀況在n=5時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)問題，但在此時(shí)的電壓數(shù)值中，并未出現(xiàn)任何異常，而熵值曲線已經(jīng)給出明顯的故障結(jié)論。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析，表明該修訂后的熵值能夠比電壓值更精確、可靠地檢測(cè)到電池當(dāng)前的故障狀態(tài)。

4 電池組安裝方式的優(yōu)化

4.1 電池組安裝模式

基于上述的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，將電池組固定在水平方向振動(dòng)的測(cè)試臺(tái)上，預(yù)緊力分別沿y軸和z軸兩個(gè)方向。測(cè)試并記錄實(shí)測(cè)電壓值。

由于振動(dòng)臺(tái)是沿y方向進(jìn)行加載，電池模組的預(yù)緊力方向分別為x，y和z三個(gè)方向。由于預(yù)緊力在x軸和z軸方向時(shí)，都與振動(dòng)方向y軸垂直，實(shí)驗(yàn)結(jié)果相差不大，故取預(yù)緊力方向?yàn)閥軸和z軸數(shù)據(jù)分析。4個(gè)測(cè)試點(diǎn)的預(yù)緊力分布，如表1所示。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)1為實(shí)驗(yàn)觀察對(duì)象。

表1 測(cè)試點(diǎn)力矩Tab.1 Battery Performance Torque

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

通過(guò)對(duì)電池模組的平放、立方兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到不同安裝模式下的熵值變化情況。

從圖3和圖5對(duì)比可得：1號(hào)測(cè)試點(diǎn)在力矩M為0.25Nm時(shí)，由于力矩過(guò)小，在t=160S時(shí)，圖中測(cè)試點(diǎn)1處出現(xiàn)明顯的熵值波峰，其中圖3中表現(xiàn)更為明顯；圖4中，1號(hào)測(cè)試點(diǎn)處的力矩沿z軸方向，大小為0.5Nm，其熵值變化平穩(wěn)，與2、3、4測(cè)試點(diǎn)處的熵值基本一致，變化不明顯，即表明在沿z軸方向0.5Nm和1Nm、2Nm、3Nm對(duì)電池的連接狀況作用差別不大，可得：力矩沿z軸方向即連接力矩方向與主振動(dòng)方向向垂直時(shí)，0.5Nm即可滿足良好連接需求的力矩。

圖3 z軸方向放置M=0.25NmFig.3 Position Along the z Axis at M=0.25Nm

圖4 z軸方向放置M=0.5NmFig.4 Position Along the z Axis at M=0.5Nm

圖5 y軸方向放置M=0.25NmFig.5 Position Along the y Axis at M=0.25Nm

在圖6中，1號(hào)測(cè)試點(diǎn)處的力矩沿y軸方向，大小為0.75Nm，測(cè)試點(diǎn)處的電壓熵值在t=140s時(shí)，熵值高于其他測(cè)試點(diǎn)處，波動(dòng)明顯，而且隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，熵值相差越來(lái)越大，表明沿此方向力矩雖然為0.75Nm，但仍不能滿足該方向電池連接力矩的需求，4號(hào)測(cè)試點(diǎn)處的力矩為1Nm，在t=80s和120s時(shí)也出現(xiàn)一定的熵值波峰，但2號(hào)測(cè)試點(diǎn)和3號(hào)測(cè)試點(diǎn)熵值一致，波動(dòng)不大，即單體電池在連接力矩為2Nm和3Nm時(shí)，電池連接良好。表明在連接力矩方向與主振動(dòng)方向相一致時(shí)，電池連接緊固力矩應(yīng)不小于2Nm，才能保證良好的連接狀態(tài)。

圖6 y軸方向放置M=0.75NmFig.6 Position Along the y Axis at M=0.75Nm

5 結(jié)論

通過(guò)分析單體電池在電池組內(nèi)部的連接模式，研究電池間發(fā)生虛接時(shí)內(nèi)阻變化對(duì)電壓的影響，提出了一種電壓熵值的預(yù)測(cè)方法，并對(duì)電池組的安裝方式進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化，具體表現(xiàn)為：

（1）分析了電池組內(nèi)單體電池的連接方式，建立單體電池等效電路模型，研究電池發(fā)生虛接時(shí)，內(nèi)阻變化原因和對(duì)電壓的影響。同時(shí)利用信息熵對(duì)采集到的電壓值進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)，此方法能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出電池間發(fā)生連接故障時(shí)的時(shí)間和位置，比基于電壓觀察法精度高，效率快。

（2）基于電壓熵值的波動(dòng)，優(yōu)化分析動(dòng)力電池組在整車上的安裝模式，表明當(dāng)安裝力矩方向與主振動(dòng)方向垂直時(shí)，需要提供的安裝力矩僅為0.5Nm；當(dāng)安裝力矩方向與主振動(dòng)方向一致時(shí)，則需要提供四倍高的預(yù)緊力矩來(lái)確保連接的可靠性。