为满足电动汽车对续航里程和最大功率的需求，动力电池包通常是由成百上千的单体电池串并联构成[1].在实际运行过程中，动力电池包工作环境较为复杂，易导致电池组中单体电池间连接件的松动，出现连接故障[2].对于电池包中的串联模块，若电池单体与连接件接触不良，会引起接触阻抗增加，其极限情况会发生断路，此时可通过电流判断出串联回路中出现断路故障.然而在并联模块中，即使某一单体电池完全断路，整个并联电池模块的电压、电流可能不会出现较为明显的突变.但是并联模块中单体电池间连接件的松动会引起各电池单体间电流分配不均，加剧单体电池间不一致性，进一步导致某些单体电池加速老化甚至产生热失控[3-5].

针对并联电池组特性研究，文献[6]搭建并联电池组仿真模型，分别研究了欧姆内阻及容量差异对各支路电流分配的影响.文献[7]通过试验与仿真分析了单体电池老化不一致对并联电池组容量损失的影响.文献[8]通过搭建的两个电池并联的分析模型，研究了单体电池参数变化对并联电池组电流和荷电状态分布的影响.文献[9]基于搭建的并联电池组模型，研究了并联电池组中单体电池不一致对电池组性能的影响.在连接故障与电池内阻增加故障区分方面，文献[2]通过计算阻抗标准差的方法对并联电池组接触阻抗增大故障和内阻增加故障进行了区分.同样，文献[10]探究了并联模电池组在这两种故障类型下的直流内阻分布规律，从而对这两种故障类型进行区分.目前的研究缺少不同程度连接故障下并联电池组特性对比研究，更未探究连接故障程度与特性差异间关联性.文中针对以上问题，首先搭建并联电池连接故障测试平台，进行并联电池连接故障试验，并对电压、电流及温度特性进行初步分析；然后构建并联电池组连接故障仿真模型，在恒流工况下对模型精度进行验证；最后针对不同位置连接故障及不同程度连接故障并联电池组特性进行研究，分别进行电压、电流及容量增量(incremental capacity, IC)曲线特性分析.

1、连接故障试验及特性分析

1.1 测试平台搭建

研究使用的是索尼公司生产的型号为US18650VTC6三元锂离子电池，电池的主要性能参数：额定容量为3.0 Ah;标称电压为3.6 V;电压范围为3.0～4.2 V;直径为18 mm;高为65 mm.试验搭建的电池测试平台，主要包括电池测试系统、温度试验箱以及用于保存试验数据的上位机.电池测试系统与温度试验箱的具体参数见表1.试验中电池测试系统的采样频率为1 Hz.

表1试验设备规格参数

1.2 连接故障试验方案

参考相关文献[2-11]发现，研究者多是通过松动串联电池组的连接螺栓来设置接触不良故障.这种方法虽然可以较为真实地展现接触不良故障的特点，但是不利于对并联电池组连接故障程度进行定量分析与研究.为了定量分析并联电池组的连接故障问题，本次连接故障试验选择对并联电池组中的某一单体串联mΩ级的电阻，模拟并联电池组不同程度的连接故障.在初始阶段，如果两个单体电池之间存在压差，并联之后单体电池会自动均衡电压差，从而形成环路电流.故在试验前对各单体电池分别进行标准充电，且经过足够长的时间静置，待单体电池电压稳定后再放入电池夹具中进行并联.

图1为并联电池组连接故障图.并联电池组连接故障试验中，2个单体电池分别放置在电池夹具中，负极通过铜镍连接片连接，正极通过电池夹具固定螺栓压紧，将高精电阻串联至并联电池组中.试验分别采用30、50、100和300 mΩ的电阻ROC来模拟不同程度的连接故障.并联电池组连接故障试验过程中，分别记录单体电池1端电压、单体电池2端电压、电阻ROC两端的电压.另外通过Pt100热电阻记录2个单体电池负极表面温度.

图1并联电池组连接故障图

1.3 连接故障试验结果分析

1.3.1 连接片阻值计算

在对新鲜一致性较好的单体电池进行并联之前，首先对2个单体电池分别进行标准充电，经过足够长时间的静置后，此时两单体电池电压为U0;然后将两个单体电池分别放在夹具内，此时电池组两端的电压也为U0,实际上近似为SOC(state of charge)等于1时的开路电压.若图1b中ROC为0,即不存在连接故障，当并联电池组开始放电时，单体电池1电压为U1,电池2电压为U2.由于并联电池连接片的存在，导致U1与U2并不实时相等，即2个单体电池会存在压差[12].考虑到2个单体电池一致性较好，假定此时电池1和电池2的欧姆内阻相同，即可通过基尔霍夫定律对连接片电阻值进行推导.

电池1欧姆内阻R01的计算公式为

式中：I1为通过单体电池1的电流.

电池2欧姆内阻R02的计算公式为

式中：I2为通过单体电池的电流.

假设电池内阻一致，则

R01=R02=R0. (3)

由基尔霍夫电流定律得

I1+I2=I, (4)

式中：I为通过并联电池组的总电流.

基于基尔霍夫电压定律得

U2-I2(RC1+RC2)=U1. (5)

假设连接片阻值相同得

RC1=RC2=RC, (6)

式中：RC1、RC2分别为并联电池组正负极连接片电阻.

U0、U1、U2、I为试验中的已知数据，将数据带入上述公式，联立可计算得到R0、RC.经计算，放电初期，欧姆内阻R0为24.36 mΩ,连接片阻值RC为2.28 mΩ.

1.3.2 电压特性分析

恒流工况下不同程度连接故障并联电池组的端电压变化曲线如图2所示.由图可以看出，500～3 000 s时，连接电阻为30 mΩ及50 mΩ的并联电池组端电压曲线相较于正常并联电池组的端电压曲线整体上的偏差没有随时间出现明显的增大，即整个放电过程中偏差相对稳定.但随着连接电阻值的增大，当连接电阻值增至100 mΩ及300 mΩ时，随着放电过程持续，连接故障的并联电池组与正常并联电池组端电压偏差越来大，即放电过程中压降速率越来越快.与放电工况现象一致，1.0C充电工况下，充电过程500～2 500 s时，连接电阻值为30 mΩ及50 mΩ的并联电池组端电压偏差相对稳定.当连接阻值增至100 mΩ及300 mΩ时，端电压曲线偏离正常并联电池组端电压曲线的程度越来越大，并联电池组充电至截止电压的时间也随连接电阻ROC的增大而变短.这里是因为连接电阻值增大，导致并联电池组阻抗增加，充电至截止电压的时间因而更短.

图2不同程度连接故障并联电池组恒流工况下端电压曲线

DST(dynamic stress test)工况下不同程度连接故障并联电池组端电压变化如图3所示.

图3不同程度连接故障电池组DST工况下端电压变化

由图3可见，当连接电阻为30 mΩ及50 mΩ时，DST工况的前几个循环，端电压曲线与正常并联电池组的电压曲线基本重合，相较于恒流工况，脉冲放电过程中的压差相对更不明显.由图3的局部放大图可以发现，随着放电过程的持续，连接电阻值越大，偏离正常端电压曲线的程度越严重.

1.3.3 温度特性分析

1.0C充电工况下不同程度连接故障并联电池组负极表面温度变化如图4所示.由图可以看到，随着连接电阻值的增大，两个单体电池负极表面的温差越明显.由于电池2存在连接故障，在充电的前500 s内就能够看到，电池1温升速率明显高于电池2,并且随着连接阻值的增大，电池1的温升速率越快，电池所能达到的温度也越高.并联电池组中单体电池温升速率的不同根本原因是单体电池间电流分配不均匀，连接故障导致流经2个单体电池的电流差异变大.

图4不同程度连接故障并联电池组1.0C充电工况下温度变化

2、并联电池组仿真模型搭建

2.1 一阶RC等效电路模型介绍

文献[13]在研究考虑并联电池不一致性的并联电池模块(parallel battery module, PBM)建模中提出了基于改进赤池信息量准则的电池模型定量评估方法，结果表明一阶RC等效电路模型的综合性能最佳.图5为一阶RC等效电路模型原理图.其中，UOCV为开路电压，R0表示欧姆内阻，R1表示极化电阻，C1表示极化电容，RC网络用于描述电池的极化现象，I表示负载电流，U表示电池端电压.

图5一阶RC等效电路模型原理图

基于基尔霍夫定律，一阶RC等效电路模型的状态空间方程如下：

式中：U1表示极化电压，即R1C1两端的电压.

2.2 模型参数离线辨识

2.2.1 开路电压辨识

为了获取电池模型参数，进行了25℃下混合动力脉冲特性(hybrid pulse power characteristic, HPPC)测试试验，HPPC具体测试流程参考文献[14]制定.HPPC循环工步脉冲结束后会对电池进行2 h的静置，静置之后电池状态趋于稳定，此时电池两端电压可以认为是此SOC下的开路电压.一个完整的HPPC试验完成后便可以得到开路电压与SOC对应关系，如图6所示.

图6开路电压与SOC关系

2.2.2 欧姆内阻辨识

电池突然受到充电或放电的脉冲激励，电压迅速上升或者降低，该现象是由欧姆内阻R0造成的，据此可以辨识出欧姆内阻R0.通过HPPC不同脉冲激励阶段计算得到的欧姆内阻相差不大，欧姆内阻R0与SOC关系如图7所示.

图7欧姆内阻与SOC关系

2.2.3 极化参数辨识

由于电池的极化特性，电池端电压经过迅速下降或上升后，会经历缓慢变化阶段.缓慢变化阶段是RC回路的零状态响应阶段或零输入响应阶段.文献[15]基于同款电池探讨了不同充放电阶段及不同时间域对电池模型精度的影响，结果表明25℃下，基于6 min放电阶段采用40 s时间域提取极化参数时模型参数精度较高.为此，文中采用6 min放电阶段40 s时间域提取电池模型极化参数与SOC关系，如图8所示.

图8极化参数与SOC关系

2.3 连接故障仿真模型搭建及验证

2.3.1 模型搭建

考虑到由不同数量的单体电池并联成电池模块的故障试验成本较高，并且并联后的电池模组容量大，进行故障试验时危险性较大.文中将通过模拟的方式研究并联电池组连接故障特性.图9为基于MATLAB/Simulink中的Simscape平台搭建的并联电池组连接故障仿真模型.

图9并联电池组连接故障仿真模型

首先以一阶RC等效电路模型为基础搭建单体电池仿真模型并将其封装为子系统，该子系统就代表了一个单体电池；然后将2个单体电池模块，根据电路的物理连接方式并联起来.该仿真模型中通过Simscape库中的电阻模块模拟实际连接结构中存在的连接片阻抗，即图中的连接片1和2.同时，仿真模型中添加断路电阻模块，通过改变断路电阻值的大小即可模拟不同程度的连接故障.除此之外，在2个并联电池的支路上直接添加电流传感器以监测支路电流，分别对应支路电流1和支路电流2.另外，各单体电池及并联电池组SOC分别进行计算，分别对应SOC1、SOC2和SOC,SOC计算采用安时积分法.

2.3.2 模型验证

并联电池组连接故障仿真中，分别设置了30、50、100和300 mΩ的断路电阻，分别在1.0C充(放)电工况下进行仿真.图10、11分别为1.0C放电和1.0C充电工况下，不同连接阻值并联电池组端电压仿真与试验结果对比.由图可以看出，不同连接阻值下的整体仿真效果都比较好，尤其是30、50和100 mΩ连接阻值下，1.0C放电工况，最大绝对误差为27 mV,最大相对误差为1.48%;1.0C充电工况，最大绝对误差为36 mV,最大相对误差为1.12%.300 mΩ连接阻值下，1.0C充电工况前400 s仿真端电压存在明显的偏高，最大绝对误差也仅有42 mV.上述结果表明，搭建的仿真模型精度较高，能够满足后续并联电池组连接故障特性研究.

图10不同连接阻值下并联电池组1.0C放电工况下仿真与试验端电压对比

图11不同连接阻值下并联电池组1.0C充电工况下仿真与试验端电压对比

3、连接故障特性

3.1 不同位置连接故障下并联电池组特性

3.1.1 连接故障结构介绍

建立了考虑连接片阻抗，由5个单体电池并联的电池组仿真模型，图12为5个单体电池并联而成的电池组连接故障结构图.考虑到该并联电池组连接结构的对称性，图12中①②③的ROC分别为设置的3个连接故障点，代表3个不同位置的连接故障；RC为电池连接片；I1-I5为通过各并联支路的电流.

图12并联电池组连接故障结构图

3.1.2 电压特性

设置ROC为30 mΩ,不同位置连接故障下并联电池组1.0C恒流充电工况下的端电压曲线如图13所示.由图可以看到，故障电压曲线与无故障的电压曲线偏离程度较小，经计算，端电压压差最大为17 mV.不同位置连接故障端电压曲线基本重合，端电压差值最大仅为3 mV,这是因为设置的连接故障程度较小，对并联电池组端电压的影响并不明显.

图13不同位置连接故障并联电池组1.0C充电工况下端电压曲线

3.1.3 电流特性

图14为不同位置连接故障的并联电池组1.0C充电工况下各支路电流分配结果.图14a为不存在连接故障的并联电池组各支路电流的分配情况.其中，I3支路由于没有通过连接片传递电流，与外部负载直接相连，所以在充电初始阶段被分配更大的电流.由于并联电池组结构的对称性，I1与I5电流曲线基本重合，I2与I4电流曲线基本重合.通过图14b、c、d不同位置连接故障的并联电池组各支路电流对比可以发现，不同位置的连接故障对各支路电流分配的影响程度是不同的.图14b中连接故障在位置①时，各个支路电流都会产生明显的变化，各支路电流分配均匀性较差.由图14c可以看出，连接故障在位置②时，各个支路电流的差异程度相较于在故障位置①时好一些，但整体上各支路电流分配均匀性仍然较差.但是图14d中当连接故障发生在故障位置③时，各支路电流分配均匀性明显更好，各支路电流基本都可以稳定在2.25～3.00 A.从整体来看，发生连接故障的位置越靠负载连接点，各支路电流分配不均匀性受到的影响越小；相反，连接故障发生的位置越远离负载连接点，各支路电流分配不均匀程度越大.

图14不同位置连接故障并联电池组1.0C充电工况下各支路电流分配

3.2 不同程度连接故障下并联电池组特性

通过对30 mΩ连接故障下的并联电池组特性分析发现，并联电池组不同位置连接故障会导致各支路电流的分配存在明显差异.基于以上分析，选择在连接故障位置③分别设置30、50、100和300 mΩ的接触阻抗ROC对不同程度连接故障下并联电池组特性进行分析.

3.2.1 电压特性

图15为不同程度连接故障下并联电池组1.0C充电工况下端电压曲线.

图15不同程度连接故障并联电池组1.0C充电工况下端电压曲线

与1.3.2节试验中不同程度连接故障下端电压曲线整体趋势一致，接触阻抗ROC越大，故障电池组的端电压曲线越偏离正常端电压曲线.不同之处在于1.3.2节中是由2个单体电池并联而成的电池组进行的试验测试，这里的仿真是由5个单体并联而成的电池组.相较于2并电池组，同一ROC下，5并电池组故障端电压曲线整体偏离程度更不明显.这就意味着并联单体电池数较多的话，即使其中某一单体出现连接故障，在端电压整体趋势上可能不会有明显偏离.同时，实际情况中很难出现完整的充电电压曲线，导致时间比对难.

3.2.2 电流特性

图16为不同程度连接故障下并联电池组各支路电流分配结果.

图16不同程度连接故障并联电池组1.0C充电工况下各支路电流分配

由图16结果可以看出，由于连接故障位置③处于并联电池组结构的对称中心，所以I1与I5、I2与I4仍然存在一致性，差别在于其他各个支路分配的电流强度随着接触阻抗ROC的增大整体上也在变大.尤其是对于30、50 mΩ的连接故障，在电压曲线上不能将故障特性明显地表征出来，但是支路电流可以很好地对并联电池组连接故障程度进行判断.

3.2.3 IC曲线分析

容量增量曲线描述了整个充电过程中电压区间内电池充电电量与电压的关系.容量增量分析将电池充电电压曲线的电压平台转化为IC曲线不同的峰，可以较为直观地观察到充电电压平台的变化[16].IC曲线可以通过对电池充电过程中的电量-电压(Q-U)曲线求一阶导数得到，即电量变化率-电压(dQ/dU-U)曲线[17].图17中分别给出了不同连接故障程度并联电池组0.3C及1.0C充电倍率下的IC曲线.对比图17a和b可以看出，不同充电倍率下的IC曲线的形状存在较大差别，0.3C下的IC曲线存在I峰、Ⅱ峰和Ⅲ峰，但1.0C下却只存在Ⅰ峰和Ⅱ峰两个峰.从图17中欧姆内阻与SOC关系图可以看出，Ⅲ峰处于高SOC区，导致了电压的大幅度偏移，超过了充电截止电压.另外还可以发现，相对而言1C下更有利于不同程度连接故障的区分，例如从图17b中IC曲线的Ⅰ峰可以发现，随着接触阻抗ROC的增大，峰的位置逐渐向右偏移，变化较为明显.但对比图17a中0.3C下的结果却发现Ⅰ峰在不同倍率下出现了不同的变化趋势.这是因为Ⅰ峰处于低SOC区，此时阻抗变化较大，且受制于并联支路电流分配影响.对于确定结构的并联电池组，充电IC曲线上的Ⅱ峰处于SOC中间区，此峰相对较为稳定.同时可以发现，Ⅱ峰峰值随接触阻抗ROC增加出现下移趋势.换而言之，其面积与接触阻抗ROC大小存在相关性.因此，后续可借助该峰的变化对并联电池组连接故障程度进行定量诊断.

图17不同连接故障程度并联电池组不同充电倍率下IC曲线对比

4、结 论

1) 通过并联电池组连接故障试验，对并联电池组连接故障特性进行初步分析，发现连接故障电阻越大，并联电池组充电或放电至截止电压的时间越短，故障电压曲线偏离正常端电压曲线程度越大.另外，对充电工况下温度数据分析发现，支路电流分配不均匀导致各单体电池温升不同，2个单体电池温升速率差异较明显.

2) 基于Simscape平台搭建了并联电池组连接故障仿真模型，试验结果表明该模型最大相对误差不超过1.5%.进一步，基于仿真模型研究了不同连接故障位置、不同程度连接故障下的充电电压及支路电流特性.结果表明：相对充电电压，各支路电流会表现出明显的差异，其中存在连接故障的支路电流变化最明显；同时，连接故障的位置越靠负载连接点，各支路电流分配不均匀程度受到的影响越小.

3) 对比了不同连接故障程度下并联电池组电压、支路电流以及IC曲线的差异.结果表明：不同连接故障程度下支路电流曲线存在明显的差异性；IC曲线峰受电池内阻及支路电流分配影响，不同倍率下曲线差异性较大；Ⅱ峰相对较为稳定，其与接触阻抗也存在一定的相关性.

参考文献:

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基金资助:国家自然科学基金资助项目(52072155);运输车辆检测､诊断与维修技术交通行业重点实验室开放基金资助项目(JTZL2103);

文章来源:王丽梅,赵明明,潘邦雄,等.车用锂离子并联电池组连接故障特性[J].江苏大学学报(自然科学版),2025,46(01):18-27.