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磷酸铁锂动力电池典型故障机理及诊断方法研究

武超  
【摘要】:近年来动力锂电池行业发展迅速,在电动汽车、储能系统、电动工具等领域得到大规模应用。与此同时,动力锂电池的安全性能也受到广泛关注。动力锂电池具有较高的能量密度和功率密度,一旦发生故障会引发热失控等安全事故,带来严重的经济损失和社会危害。因此,研究动力锂电池的故障特性并开发有针对性的早期征兆提取和故障诊断方法是确保电池应用安全的基础。现有锂电池的故障诊断方法多以传感器信号或内阻参数作为故障诊断依据,缺乏传感器信号与内部电化学机理关联的研究,导致诊断系统难以及时提取故障特征变化,实时进行故障风险评估和预测,也无法解析导致锂电池故障发生的内部根源。针对以上问题,本文以磷酸铁锂动力电池为研究对象,研究电池在全寿命周期沿特定老化路径衰减过程中外部特征的变化趋势,建立典型故障模式的特征库并提出相应的故障诊断方法。在此基础上进行整合,建立磷酸铁锂动力电池的综合故障诊断策略,实现典型故障模式的在线诊断、预警和机理辨析。具体研究内容如下:针对目前锂电池故障诊断方法缺乏对内部故障机理解析的现状,本文开展磷酸铁锂动力电池故障模式、机理及影响分析。将磷酸铁锂动力电池的故障分为缓变故障与突变故障两类,分别讨论两类故障外部诱因、表现形式和故障机理间的因果关系。分析中初步建立了磷酸铁锂动力电池内部机理和外部因素的因果关系,为之后章节设计触发典型故障模式的滥用工况实验提供理论依据。针对加速老化实验中磷酸铁锂动力电池出现的短期衰竭故障展开研究。试验发现经历特定工况的动力电池性能会迅速下降,即使加速老化试验终止,电池性能依然会在短期内衰竭。文中提出以内阻容量相对衰减率的特征评估电池性能衰减的速率,对短期衰竭故障进行模式分离。针对故障初期征兆不明显但发生后衰竭速率极快的特点,借助差分分析对故障电池内部机理进行讨论,利用增量容量曲线特征模式识别的方法完成短期衰竭故障的早期征兆提取和诊断;随后依据增量容量曲线与荷电状态-开路电压曲线之间的关系,实现磷酸铁锂动力电池短期衰竭故障的在线诊断。针对磷酸铁锂动力电池运行过程中出现的另一典型故障模式:微短路故障展开研究。设计两种触发微短路故障的工况实验,针对微短路故障的特点提出了基于模组冗余的微短路故障诊断方法。建立锂电池简化等效电路模型和生热模型,提取串并联模组中的单体电压相关系数与静置阶段温度残差信号,实现电池模组中微短路故障单体的诊断和定位。依据故障电池在两种工况循环下故障特征变化趋势的差异,讨论导致微短路故障的不同电化学过程和内部根源,最终实现磷酸铁锂动力电池微短路故障的诊断和机理分离。最后针对现有故障诊断方法缺少多故障模式综合诊断的问题,提出了基于因果关系的综合故障诊断策略。集成之前章节的研究成果,实现磷酸铁锂动力电池运行过程中多种典型故障的滥用评估、早期征兆提取、故障诊断和机理辨析。在机理辨析阶段,基于模糊推理建立电池外部故障特征向量与内部故障机理之间的联系,诊断策略可以依据传感器信号给出电池发生特定故障模式的故障决策。对不同老化程度、不同规格和不同来源的磷酸铁锂动力电池进行诊断,借助电池拆解检测和相关电化学测试验证本文提出的综合诊断策略关于故障模式和机理的诊断结果是准确合理的。本文提出的针对磷酸铁锂动力电池的故障诊断、预警和分离方法能够完成典型故障的特征提取、故障决策和机理辨析,为磷酸铁锂动力电池的故障研究和在线诊断工作提供了关键思路,经过扩展适用于其他类型的动力锂电池,具有较强的现实意义。


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