彭曉晗，馬宏忠，許洪華，李晨，吳元熙，錢昆

(1.河海大學 能源與電氣學院，南京 211100； 2.江蘇省電力公司南京供電公司，南京 210019)

0 引 言

可再生能源迅速發(fā)展的同時，用戶對于電力可靠性的要求也越來越高，儲能電站的出現(xiàn)承擔了為配電網削峰填谷的責任，并有效地提高了可再生能源接入電網的能力，提高了運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)了需求側管理[1]。

儲能技術的快速發(fā)展和廣泛應用使得儲能電池的安全性問題越發(fā)凸顯，尤其是在大規(guī)模儲能應用領域，當電池發(fā)生過熱、過充過放、短路、擠壓等故障時，極易引發(fā)電池的熱失控，進而引起起火、爆炸等事故。事故的發(fā)生可能毀壞整個儲能電站，其負面效應會波及電站異常工況周邊環(huán)境、公眾的安全與財產，因此儲能電池的預警是目前發(fā)展儲能技術所需要解決的的重點問題。

目前對于儲能電池異常工況預警方面的研究，主要方法有：(1)基于電池模型的方法，通過建立精確的電池模型，對比預測值和實測值來實現(xiàn)異常工況預警；(2)無電池模型的方法，此類方法要求有高質量的樣本數據，狀態(tài)參數的選擇多為電池剩余壽命、電池荷電狀態(tài)、電池健康狀態(tài)等[2]。以上方法的研究均取得了一定成果，為儲能電池的安全性能提升及儲能電站的預警工作做出了巨大貢獻。但是由于選擇的參數多為間接觀測量，需要通過電壓、溫度等直接監(jiān)測量再結合一定方法估算得到[3-4]，其準確性視選擇的方法而定，因此以上參數在實際應用中存在局限性。

考慮到儲能用鋰電池容量、體積較大，在充、放電過程中其內部必然涉及電流的流動，而且電池內部存在電解液，充放電過程中電極與電解液之間的電化學反應會交換離子、釋放氣體等，因此鋰電池內部是存在振動信號的。相對發(fā)電機等大型電力設備來說，正常狀態(tài)下鋰電池的振動比較微弱，但這正是利用了振動信號的優(yōu)點，即振動干擾小，特征提取相對方便[5-6]。如果電池在異常工況下振動發(fā)生變化(如過充、外部短路等)，與正常工況下的微弱信號比較便可以更容易發(fā)現(xiàn)區(qū)別，診斷靈敏度高。因此文章從電池不同工況的振動信號出發(fā)，尋找電池在不同運行工況下區(qū)別于正常運行時的振動特征。

1 儲能電池振動試驗平臺搭建

1.1 鋰離子電池振動機理分析

鋰離子電池的振動主要有三個方面的原因：電流、電解液的流動及氣體的釋放。根據不同故障時的反應機理不同，其振動機理也有所不同。

(1)過充工況振動機理

正常充電鋰離子會脫出，但過度充電會造成鋰離子過度脫出。同時不穩(wěn)定的電極材料開始與電解液進行化學反應，在過渡金屬表面形成一層鈍化膜，阻礙鋰離子的脫嵌入。

當過充電壓高于4.5 V時，電解液內的有機溶劑可能發(fā)生氧化，溶劑氧化產物包括氣體等；電解質的分解會導致不溶物形成，阻礙電極孔并進一步引起氣體釋放，降低離子傳導能力；如果離子傳導停止，電池阻抗整體變?yōu)闅W姆阻抗，回路中的電流與歐姆電阻作用導致熱的產生，當電池內部散熱速率小于產熱速率時，電池溫度急劇上升。

(2)外部短路工況振動機理

外部短路主要會造成電池電流的異常流動，這是外部短路故障振動異常的主要原因。此外，當電池外部出現(xiàn)短路，電子元件無法切斷電路時，電池內部溫度會升高，導致部分電解質蒸發(fā)，使電池振動。

綜上，鋰離子電池內部的異常反應最終都體現(xiàn)在了振動異常上，理論上基于振動對儲能電池進行異常工況預警的方法可行。

1.2 鋰離子電池振動實驗及工況設置

為驗證儲能電池振動信號的存在，區(qū)分電池正常振動信號和異常工況振動信號，在學校實驗室搭建了儲能電池振動信號檢測平臺，現(xiàn)場裝置圖如圖1所示。

圖1 儲能電池振動信號檢測現(xiàn)場裝置圖Fig.1 Field installation diagram for vibration signal detection of energy storage battery

儲能電池選用了同一廠家不同批次的3.2 V 50 Ah的中航磷酸鐵鋰電芯進行實驗，電池參數如表1 所示。

表1 磷酸鐵鋰電池主要參數Tab.1 Main parameters of LFP battery

數據分析表明，不同批次電池的傅里葉頻譜圖雖有差異，但規(guī)律基本相似，因此文中結論基本可以排除偶然性。電池的充放電、容量監(jiān)測、充放電倍率控制利用EBC-A40L電池容量檢測儀實現(xiàn)。由于電池振動微弱，因此選擇靈敏度為500 mV/g的加速度傳感器進行試驗，振動傳感器的放置位置為電池正負兩極及電池中央(經后期試驗數據分析檢驗得知，由于電池中央的傳感器所受其他傳感器電磁干擾較弱，該測點的數據分析結果優(yōu)于兩極測點，最終選取電池中央測點數據進行重點分析)。最后通過DH5922D動態(tài)信號采集分析儀進行數據采集，采樣頻率20 kHz。試驗過程已盡可能地消除了環(huán)境噪音、日光燈鎮(zhèn)流器以及試驗平臺振動的影響。

本次試驗主要采集電池充電狀態(tài)的振動數據，電池工作狀態(tài)設置如下：

(1)正常充電工況

利用電池容量檢測儀對1#電池進行充電設置，充電方式為恒流充電，設置充電電流為30 A，充電截止電壓為3.65 V。分別在電池容量為0 Ah、25 Ah、50 Ah時進行數據采集，作為與異常工況的對比用；

(2)過充工況

過充工況的試驗對象仍為1#電池，設置恒流充電電流為30 A，按照過充實驗的截止電壓一般為正常充電電壓的1.5倍進行設定，充電截止電壓為5 V。并分別在電池容量為0 Ah、25 Ah、50 Ah、65 Ah時進行數據采集；

(3)外部短路工況

外部短路工況的設置選用另一塊同型號嶄新單體電芯，記為2#電池。鋰離子電池安全性國家標準(GB 31241-2014)對外短路測試方法進行了詳細的規(guī)定：“使用小的接觸電阻對電池進行外短路直到電池的溫度下降到比峰值低20%即停止實驗”。按此標準對2#電池進行經過渡電阻的短時短接，設置外部短路后對2#電池進行正常充電。按照1#電池的正常充電設置進行設置，設置恒流充電電流為30 A，充電截止電壓為3.65 V。分別在電池容量為0 Ah、25 Ah、50 Ah時進行數據采集。

2 儲能電池振動試驗平臺搭建

對于振動信號的特征提取，首先利用傅里葉變換(FFT)把信號由時域轉換為頻域進行分析。雖然相較于變分模態(tài)分解(VMD)、集合經驗模態(tài)分解(EEMD)等信號分析的新方法，傅里葉變換在消除噪聲等方面存在不足，但其仍然是表現(xiàn)信號原始頻率特征的最佳方法之一。由于儲能電池的振動信號分析仍處于初級探索階段，為了完整、原始地展現(xiàn)電池振動信號的特征，本節(jié)采用FFT對三種運行工況的信號進行處理，并提取主頻率、頻率幅值及主要頻段作為信號的統(tǒng)計參數特征。

2.1 鋰離子電池振動機理分析

選取1#電池在正常充電狀態(tài)下、容量達到25 Ah的頻譜圖，與同一過充工況、容量達到65 Ah的頻譜圖進行對比，如圖2所示(為便于比較，使用相同坐標比例)。

圖2 電池正常工況與過充工況下的頻譜對比圖Fig.2 Comparison of spectrum between normal and overcharged batteries

由圖2可以看出，電池在正常及過充工況下有以下特征：

(1)電池在正常充電過程中，隨著充入容量的增多，振動并無明顯變化；

(2)充入容量超過額定容量50 Ah后，主頻率發(fā)生改變。主頻率由正常工況下的80 Hz變?yōu)?18 Hz，同時418 Hz頻段的幅值出現(xiàn)大幅度上升；

(3)通過對電池的大量試驗數據分析，可以初步將電池的振動頻率范圍規(guī)定為0～500 Hz(超過500 Hz的能量很小)。如在此范圍內規(guī)定電池振動信號的低、中、高頻，不難發(fā)現(xiàn)，過充工況電池的中高頻段要明顯比正常工況突出。

2.2 外部短路工況

選取1#電池在正常充電工況下、容量達到25 Ah的頻譜圖，與2#外部短接工況的電池容量分別達到25 Ah、50 Ah的頻譜圖進行對比，如圖3所示(由于信號幅值相差大，采用各自合適的坐標比例)。

圖3 電池正常工況與外部短路工況下的頻譜對比圖Fig.3 Spectrum comparison of battery under normal and external short-circuit conditions

由圖3可以看出，外部短路工況下的頻譜特征比過充工況下的頻譜特征更為明顯，具體表現(xiàn)為：

(1)由于外部短路對電池造成的影響在充電初期體現(xiàn)不大，因此圖3(b)的振動特征并不明顯，但是隨著充電的進行，電池溫度升高，其外部短路工況的振動特征開始顯現(xiàn)；

(2)外部短路工況電池在充電中后期主頻率發(fā)生改變。主頻率由正常工況下的80 Hz變?yōu)?18 Hz，418 Hz頻段的幅值出現(xiàn)大幅度上升；

(3)外部短路工況電池的中高頻段比正常狀工況突出；

(4)外部短路工況的振動特征較過充工況更為明顯，振動更為劇烈。

綜上，通過對比正常運行工況和兩種異常運行工況下的傅里葉頻譜，發(fā)現(xiàn)異常運行工況的電池頻譜均表現(xiàn)為中高頻突出及主頻率向418 Hz轉變。對于此類現(xiàn)象的出現(xiàn)，主頻率的轉變和中高頻段的突出則可能與工況異常導致的電池發(fā)熱及電化學性能的改變有關。

3 基于連續(xù)小波變換的頻段能量分析

對電池進行傅里葉變換獲得的是整個時域內的頻譜圖，經由該變換可以精確地獲得信號的頻率、幅值信息。但對于電池這種振動隨時間變化的信號，采用小波變換可以更好地反映信號的時間局部性及能量分布狀況[7-10]，因此選取1#電池正常充電到25 Ah、1#電池過充到65 Ah、2#電池充電到25 Ah的數據進行連續(xù)小波變換，小波時頻圖如圖4所示。

圖4 電池不同運行工況下的小波時頻圖Fig.4 Wavelet time-frequency diagram of batteries under different working conditions

可以看出，電池在正常充電狀態(tài)下信號能量集中在100 Hz以下的頻段，兩種異常運行工況的信號能量發(fā)生了轉移，主要集中在中高頻段，其中能量的最高峰出現(xiàn)在418 Hz頻段。文獻[11-12]研究表明，短路和過充均會影響電池的電化學性能和結構構造，具體表現(xiàn)為電池的溫度升高、負極與電解液的界面反應加劇以及極化增大等。以上影響大都會造成電流及電解液的異常流動，體現(xiàn)在振動方面，就轉化為了以上振動特征?？梢姡駝恿繉τ陔姵禺惓＿\行工況的反映更為直接，特征提取相對簡便。

對比兩種異常運行工況發(fā)現(xiàn)，發(fā)生外部短路后的能量更為集中。之所以外部短路工況的特征更為明顯，是由于在設置外部短路時，短接電阻選取的較小，造成的短路程度較大(文獻[13]研究表明短接電阻越小短路程度越大)，對電池的損害較大；而過充僅進行一次，對電池造成的損害較小，因此文中外部短路工況的特征更為明顯。

4 結束語

考慮到電池充電過程中存在電流及內部電化學反應，首次將振動信號作為儲能電池異常工況預警的監(jiān)測量引入，并且通過搭建試驗平臺進行正常及異常運行工況試驗，得到如下結論：

(1)電池在不同運行工況下的振動信號存在不同特征，過充、外部短路工況下，電池振動較正常工況有明顯不同，因此，基于振動監(jiān)測分析對電池進行異常工況預警方法可行；

(2)分別對電池在正常工況、過充工況、外部短路工況的振動信號進行傅里葉變換和連續(xù)小波變換，對比其傅里葉頻譜和小波時頻圖發(fā)現(xiàn)，電池的異常工況特征主要體現(xiàn)在中高頻段上，具體表現(xiàn)為主頻率的改變和能量的轉移。據此可以初步區(qū)分電池在充電過程中的正常工況和異常運行工況，并有望進行過充工況、外部短路工況等不同異常運行工況的區(qū)分。