基于振动的储能电池异常工况预警新方法

彭晓晗，马宏忠，许洪华，李晨，吴元熙，钱昆

(1.河海大学 能源与电气学院，南京 211100； 2.江苏省电力公司南京供电公司，南京 210019)

0 引 言

可再生能源迅速发展的同时，用户对于电力可靠性的要求也越来越高，储能电站的出现承担了为配电网削峰填谷的责任，并有效地提高了可再生能源接入电网的能力，提高了运行稳定性，实现了需求侧管理[1]。

储能技术的快速发展和广泛应用使得储能电池的安全性问题越发凸显，尤其是在大规模储能应用领域，当电池发生过热、过充过放、短路、挤压等故障时，极易引发电池的热失控，进而引起起火、爆炸等事故。事故的发生可能毁坏整个储能电站，其负面效应会波及电站异常工况周边环境、公众的安全与财产，因此储能电池的预警是目前发展储能技术所需要解决的的重点问题。

目前对于储能电池异常工况预警方面的研究，主要方法有：(1)基于电池模型的方法，通过建立精确的电池模型，对比预测值和实测值来实现异常工况预警；(2)无电池模型的方法，此类方法要求有高质量的样本数据，状态参数的选择多为电池剩余寿命、电池荷电状态、电池健康状态等[2]。以上方法的研究均取得了一定成果，为储能电池的安全性能提升及储能电站的预警工作做出了巨大贡献。但是由于选择的参数多为间接观测量，需要通过电压、温度等直接监测量再结合一定方法估算得到[3-4]，其准确性视选择的方法而定，因此以上参数在实际应用中存在局限性。

考虑到储能用锂电池容量、体积较大，在充、放电过程中其内部必然涉及电流的流动，而且电池内部存在电解液，充放电过程中电极与电解液之间的电化学反应会交换离子、释放气体等，因此锂电池内部是存在振动信号的。相对发电机等大型电力设备来说，正常状态下锂电池的振动比较微弱，但这正是利用了振动信号的优点，即振动干扰小，特征提取相对方便[5-6]。如果电池在异常工况下振动发生变化(如过充、外部短路等)，与正常工况下的微弱信号比较便可以更容易发现区别，诊断灵敏度高。因此文章从电池不同工况的振动信号出发，寻找电池在不同运行工况下区别于正常运行时的振动特征。

1 储能电池振动试验平台搭建

1.1 锂离子电池振动机理分析

锂离子电池的振动主要有三个方面的原因：电流、电解液的流动及气体的释放。根据不同故障时的反应机理不同，其振动机理也有所不同。

(1)过充工况振动机理

正常充电锂离子会脱出，但过度充电会造成锂离子过度脱出。同时不稳定的电极材料开始与电解液进行化学反应，在过渡金属表面形成一层钝化膜，阻碍锂离子的脱嵌入。

当过充电压高于4.5 V时，电解液内的有机溶剂可能发生氧化，溶剂氧化产物包括气体等；电解质的分解会导致不溶物形成，阻碍电极孔并进一步引起气体释放，降低离子传导能力；如果离子传导停止，电池阻抗整体变为欧姆阻抗，回路中的电流与欧姆电阻作用导致热的产生，当电池内部散热速率小于产热速率时，电池温度急剧上升。

(2)外部短路工况振动机理

外部短路主要会造成电池电流的异常流动，这是外部短路故障振动异常的主要原因。此外，当电池外部出现短路，电子元件无法切断电路时，电池内部温度会升高，导致部分电解质蒸发，使电池振动。

综上，锂离子电池内部的异常反应最终都体现在了振动异常上，理论上基于振动对储能电池进行异常工况预警的方法可行。

1.2 锂离子电池振动实验及工况设置

为验证储能电池振动信号的存在，区分电池正常振动信号和异常工况振动信号，在学校实验室搭建了储能电池振动信号检测平台，现场装置图如图1所示。

图1 储能电池振动信号检测现场装置图Fig.1 Field installation diagram for vibration signal detection of energy storage battery

储能电池选用了同一厂家不同批次的3.2 V 50 Ah的中航磷酸铁锂电芯进行实验，电池参数如表1 所示。

表1 磷酸铁锂电池主要参数Tab.1 Main parameters of LFP battery

数据分析表明，不同批次电池的傅里叶频谱图虽有差异，但规律基本相似，因此文中结论基本可以排除偶然性。电池的充放电、容量监测、充放电倍率控制利用EBC-A40L电池容量检测仪实现。由于电池振动微弱，因此选择灵敏度为500 mV/g的加速度传感器进行试验，振动传感器的放置位置为电池正负两极及电池中央(经后期试验数据分析检验得知，由于电池中央的传感器所受其他传感器电磁干扰较弱，该测点的数据分析结果优于两极测点，最终选取电池中央测点数据进行重点分析)。最后通过DH5922D动态信号采集分析仪进行数据采集，采样频率20 kHz。试验过程已尽可能地消除了环境噪音、日光灯镇流器以及试验平台振动的影响。

本次试验主要采集电池充电状态的振动数据，电池工作状态设置如下：

(1)正常充电工况

利用电池容量检测仪对1#电池进行充电设置，充电方式为恒流充电，设置充电电流为30 A，充电截止电压为3.65 V。分别在电池容量为0 Ah、25 Ah、50 Ah时进行数据采集，作为与异常工况的对比用；

(2)过充工况

过充工况的试验对象仍为1#电池，设置恒流充电电流为30 A，按照过充实验的截止电压一般为正常充电电压的1.5倍进行设定，充电截止电压为5 V。并分别在电池容量为0 Ah、25 Ah、50 Ah、65 Ah时进行数据采集；

(3)外部短路工况

外部短路工况的设置选用另一块同型号崭新单体电芯，记为2#电池。锂离子电池安全性国家标准(GB 31241-2014)对外短路测试方法进行了详细的规定：“使用小的接触电阻对电池进行外短路直到电池的温度下降到比峰值低20%即停止实验”。按此标准对2#电池进行经过渡电阻的短时短接，设置外部短路后对2#电池进行正常充电。按照1#电池的正常充电设置进行设置，设置恒流充电电流为30 A，充电截止电压为3.65 V。分别在电池容量为0 Ah、25 Ah、50 Ah时进行数据采集。

2 储能电池振动试验平台搭建

对于振动信号的特征提取，首先利用傅里叶变换(FFT)把信号由时域转换为频域进行分析。虽然相较于变分模态分解(VMD)、集合经验模态分解(EEMD)等信号分析的新方法，傅里叶变换在消除噪声等方面存在不足，但其仍然是表现信号原始频率特征的最佳方法之一。由于储能电池的振动信号分析仍处于初级探索阶段，为了完整、原始地展现电池振动信号的特征，本节采用FFT对三种运行工况的信号进行处理，并提取主频率、频率幅值及主要频段作为信号的统计参数特征。

2.1 锂离子电池振动机理分析

选取1#电池在正常充电状态下、容量达到25 Ah的频谱图，与同一过充工况、容量达到65 Ah的频谱图进行对比，如图2所示(为便于比较，使用相同坐标比例)。

图2 电池正常工况与过充工况下的频谱对比图Fig.2 Comparison of spectrum between normal and overcharged batteries

由图2可以看出，电池在正常及过充工况下有以下特征：

(1)电池在正常充电过程中，随着充入容量的增多，振动并无明显变化；

(2)充入容量超过额定容量50 Ah后，主频率发生改变。主频率由正常工况下的80 Hz变为418 Hz，同时418 Hz频段的幅值出现大幅度上升；

(3)通过对电池的大量试验数据分析，可以初步将电池的振动频率范围规定为0～500 Hz(超过500 Hz的能量很小)。如在此范围内规定电池振动信号的低、中、高频，不难发现，过充工况电池的中高频段要明显比正常工况突出。

2.2 外部短路工况

选取1#电池在正常充电工况下、容量达到25 Ah的频谱图，与2#外部短接工况的电池容量分别达到25 Ah、50 Ah的频谱图进行对比，如图3所示(由于信号幅值相差大，采用各自合适的坐标比例)。

图3 电池正常工况与外部短路工况下的频谱对比图Fig.3 Spectrum comparison of battery under normal and external short-circuit conditions

由图3可以看出，外部短路工况下的频谱特征比过充工况下的频谱特征更为明显，具体表现为：

(1)由于外部短路对电池造成的影响在充电初期体现不大，因此图3(b)的振动特征并不明显，但是随着充电的进行，电池温度升高，其外部短路工况的振动特征开始显现；

(2)外部短路工况电池在充电中后期主频率发生改变。主频率由正常工况下的80 Hz变为418 Hz，418 Hz频段的幅值出现大幅度上升；

(3)外部短路工况电池的中高频段比正常状工况突出；

(4)外部短路工况的振动特征较过充工况更为明显，振动更为剧烈。

综上，通过对比正常运行工况和两种异常运行工况下的傅里叶频谱，发现异常运行工况的电池频谱均表现为中高频突出及主频率向418 Hz转变。对于此类现象的出现，主频率的转变和中高频段的突出则可能与工况异常导致的电池发热及电化学性能的改变有关。

3 基于连续小波变换的频段能量分析

对电池进行傅里叶变换获得的是整个时域内的频谱图，经由该变换可以精确地获得信号的频率、幅值信息。但对于电池这种振动随时间变化的信号，采用小波变换可以更好地反映信号的时间局部性及能量分布状况[7-10]，因此选取1#电池正常充电到25 Ah、1#电池过充到65 Ah、2#电池充电到25 Ah的数据进行连续小波变换，小波时频图如图4所示。

图4 电池不同运行工况下的小波时频图Fig.4 Wavelet time-frequency diagram of batteries under different working conditions

可以看出，电池在正常充电状态下信号能量集中在100 Hz以下的频段，两种异常运行工况的信号能量发生了转移，主要集中在中高频段，其中能量的最高峰出现在418 Hz频段。文献[11-12]研究表明，短路和过充均会影响电池的电化学性能和结构构造，具体表现为电池的温度升高、负极与电解液的界面反应加剧以及极化增大等。以上影响大都会造成电流及电解液的异常流动，体现在振动方面，就转化为了以上振动特征。可见，振动量对于电池异常运行工况的反映更为直接，特征提取相对简便。

对比两种异常运行工况发现，发生外部短路后的能量更为集中。之所以外部短路工况的特征更为明显，是由于在设置外部短路时，短接电阻选取的较小，造成的短路程度较大(文献[13]研究表明短接电阻越小短路程度越大)，对电池的损害较大；而过充仅进行一次，对电池造成的损害较小，因此文中外部短路工况的特征更为明显。

4 结束语

考虑到电池充电过程中存在电流及内部电化学反应，首次将振动信号作为储能电池异常工况预警的监测量引入，并且通过搭建试验平台进行正常及异常运行工况试验，得到如下结论：

(1)电池在不同运行工况下的振动信号存在不同特征，过充、外部短路工况下，电池振动较正常工况有明显不同，因此，基于振动监测分析对电池进行异常工况预警方法可行；

(2)分别对电池在正常工况、过充工况、外部短路工况的振动信号进行傅里叶变换和连续小波变换，对比其傅里叶频谱和小波时频图发现，电池的异常工况特征主要体现在中高频段上，具体表现为主频率的改变和能量的转移。据此可以初步区分电池在充电过程中的正常工况和异常运行工况，并有望进行过充工况、外部短路工况等不同异常运行工况的区分。