動(dòng)力電池系統(tǒng)壓差成因分析與改善

梁 楓，范 樂(lè)，楊佳怡，谷清芮Liang Feng, Fan Le, Yang Jiayi, Gu Qingrui

動(dòng)力電池系統(tǒng)壓差成因分析與改善

梁 楓，范 樂(lè)，楊佳怡，谷清芮
Liang Feng, Fan Le, Yang Jiayi, Gu Qingrui

（北京新能源汽車股份有限公司，北京 100176）

動(dòng)力電池作為新能源汽車的重要組成部分，其品質(zhì)直接影響新能源汽車的質(zhì)量。動(dòng)力電池由多個(gè)串并聯(lián)電池電芯組成，受內(nèi)外多種因素作用，電芯之間存在不一致性，使電芯之間存在電壓差，壓差不斷擴(kuò)大是電池容量衰減的重要因素之一。對(duì)動(dòng)力電池壓差產(chǎn)生的原因進(jìn)行深入分析，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析及現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，找到電池壓差的主要成因，并據(jù)此提出合理可行的改善措施，為優(yōu)化動(dòng)力電池壓差問(wèn)題提供參考。

新能源汽車；動(dòng)力電池；壓差

0 引 言

動(dòng)力電池是新能源汽車三大核心部件之一，內(nèi)部集成復(fù)雜[1]，通常由幾十甚至幾百只電芯通過(guò)串并聯(lián)組合而成，因此對(duì)一致性要求更高。動(dòng)力電池的一致性通常是指電芯之間差異性大小，可分為制造過(guò)程的一致性和使用過(guò)程的一致性。制造過(guò)程的一致性主要與制造工藝、生產(chǎn)控制水平等因素有關(guān)，使用過(guò)程的一致性主要取決于系統(tǒng)集成和電池管理[2]。

如果動(dòng)力電池中的電芯發(fā)生問(wèn)題，例如容量降低或者漏電等，那么動(dòng)力電池壓差將出現(xiàn)問(wèn)題[3]。伴隨著電池系統(tǒng)的使用，壓差會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，由于木桶效應(yīng)，放電時(shí)電壓最低的電芯會(huì)首先達(dá)到放電截止電壓，充電時(shí)電壓最高的電芯會(huì)率先達(dá)到充電截止電壓，進(jìn)而影響電池容量以及車輛的續(xù)駛里程。

本文對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)的壓差進(jìn)行研究，通過(guò)大數(shù)據(jù)篩選，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢查，對(duì)可能形成壓差的原因進(jìn)行逐一排查，包括電芯一致性、制造工藝、生產(chǎn)批次、BMS（Battery Management System，電池管理系統(tǒng)）控制策略、硬件和使用習(xí)慣，并對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改善。

1 電池系統(tǒng)壓差問(wèn)題

電池系統(tǒng)壓差問(wèn)題突出，從大數(shù)據(jù)中共選取8 723輛車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，每一輛車為一個(gè)樣本，所對(duì)應(yīng)的電池系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓差數(shù)值，滿電時(shí)壓差預(yù)警閾值為120 mV，壓差報(bào)警閾值為220 mV。提取所有樣本連續(xù)38周內(nèi)觸發(fā)壓差預(yù)警值和壓差報(bào)警值的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，共產(chǎn)生壓差預(yù)警數(shù)據(jù)1 099個(gè)，其中包括壓差報(bào)警維修數(shù)據(jù)446個(gè)，分布如圖1所示。

圖1 連續(xù)38周壓差報(bào)警趨勢(shì)

為分析1 099個(gè)壓差異常樣本，在未觸發(fā)預(yù)警閾值的樣本中隨機(jī)選取7 624個(gè)作為對(duì)照，對(duì)照樣本選取條件為：滿電且最高電芯電壓max≥4.2 V。

滿電時(shí)壓差dif計(jì)算式為

dif=max-min（1）

式中：max為滿電時(shí)單個(gè)樣本中最高電芯電壓；min為滿電時(shí)單個(gè)樣本中最低電芯電壓。

對(duì)單個(gè)樣本進(jìn)行分析，按充電日期計(jì)算單個(gè)樣本的dif值，得到單個(gè)樣本dif的時(shí)間序列dif 1,dif 2，…，dif i，…，dif n，其中日期間隔天數(shù)須滿足≥14 d，為單個(gè)樣本在連續(xù)38周內(nèi)滿電壓差的計(jì)算次數(shù)。

則單個(gè)樣本的壓差變化率'為

'=(dif i+1－dif i）/t（2）

式中：dif i+1為單個(gè)樣本第+1次滿電的壓差計(jì)算值，mV；dif i為單個(gè)樣本第次滿電的壓差計(jì)算值，mV；t為連續(xù)兩次滿電的壓差計(jì)算時(shí)間間隔，t≥14 d；的取值為1≤≤－1。

由式（2）計(jì)算得到單個(gè)樣本壓差變化率的時(shí)間序列'1，'2，…，'，…，'－1，序列的平均值為'ave。針對(duì)8 723個(gè)樣本，計(jì)算得到8 723個(gè)'ave值，異常樣本與對(duì)照樣本在0～1.25 mV/d內(nèi)的'ave分布如圖2、圖3所示。

圖2 異常樣本壓差變化率平均值k'ave分布

圖3 對(duì)照樣本壓差變化率平均值k'ave分布

綜合圖2、圖3，將單個(gè)樣本'ave×30（一個(gè)月按30 d計(jì)算）得到單個(gè)樣本月度壓差變化值，通過(guò)開(kāi)路電壓法估算，可將電壓差值轉(zhuǎn)化為容量的衰減值，月度容量衰減值即為月自放電容量，本文所有樣本的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)電芯壓差進(jìn)行分析，由表1可知，1 099個(gè)壓差預(yù)警樣本中，高于電芯規(guī)格書(shū)要求（即月自放電容量≥4%）的數(shù)量占比為3.2%；7 624個(gè)對(duì)照樣本中，高于電芯規(guī)格書(shū)要求的數(shù)量占比約為0.5%。對(duì)比圖2、圖3，壓差預(yù)警樣本和對(duì)照樣本的壓差變化率在不同區(qū)間均有分布，通過(guò)正態(tài)分布擬合曲線及柱狀圖可以看出，前者的壓差變化率峰值為0.4～0.5 mV/d，后者的壓差變化率為0.1～0.3 mV/d，前者的壓差變化率高于后者，從而使壓差問(wèn)題更早出現(xiàn)，對(duì)于對(duì)照樣本若不施加有力均衡措施，后續(xù)仍可能會(huì)出現(xiàn)同樣問(wèn)題。

2 成因分析

根據(jù)電池系統(tǒng)FMEA（Failure Mode and Effect Analysis，失效模式和影響分析）及再發(fā)防止清單并結(jié)合電池?cái)?shù)據(jù)，確認(rèn)可能導(dǎo)致壓差的原因，主要包括電芯生產(chǎn)工藝、電芯生產(chǎn)批次、BMS的均衡策略、硬件故障、電氣連接以及用戶的使用習(xí)慣，如圖4所示。由于異常樣本和對(duì)照樣本中均不含有由電氣連接導(dǎo)致的壓差問(wèn)題，所以本文不對(duì)電氣連接問(wèn)題進(jìn)行分析。

圖4 壓差成因分析

2.1 電芯生產(chǎn)工藝

從446個(gè)壓差報(bào)警樣品中選取3個(gè)自放電量高于電芯規(guī)格書(shū)要求且通過(guò)手動(dòng)均衡后仍出現(xiàn)充電末端壓差增長(zhǎng)≥20 mV/月的樣本進(jìn)行分析。從3個(gè)樣本中各選取一個(gè)電芯，由此得到3個(gè)電芯A、B、C，分別進(jìn)行拆解分析，A電芯為樣本1中9#模組的34號(hào)電芯，B電芯為樣本2中7#模組的28號(hào)電芯，C電芯為樣本3中18#模組的71號(hào)電芯，拆解后模組如圖5所示。發(fā)現(xiàn)異常電芯自放電量高的原因?yàn)榫硇居蓄w粒擊穿隔膜，顆粒成分為鐵、鉻、不銹鋼，因此電芯生產(chǎn)工藝是引起電池系統(tǒng)壓差問(wèn)題的原因之一。

圖5 拆解的模組

2.2 電芯生產(chǎn)批次

對(duì)異常樣本中電芯的生產(chǎn)批次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)第13、24周生產(chǎn)的電芯預(yù)警頻率最高，對(duì)這兩周的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)。與正常批次電芯的出廠電壓壓差進(jìn)行對(duì)比，未見(jiàn)異常，如圖6所示，二者重合度較高；與正常批次電芯的自放電測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，未見(jiàn)異常，各批次的優(yōu)率值相差不大，見(jiàn)表2。因此，生產(chǎn)批次不是引起電芯壓差問(wèn)題的原因。

圖6 不同批次電芯壓差對(duì)比

表2 不同批次電芯自放電測(cè)試對(duì)比

續(xù)表2

2.3 BMS均衡策略

每個(gè)樣本中不同電芯自放電率（自放電容量/額定容量）存在差異無(wú)法避免，須使用均衡功能使電芯電壓趨于一致，彌補(bǔ)電芯間的自放電率差值。所需均衡時(shí)間的估算式為

每日須均衡小時(shí)數(shù)=電芯容量×月電芯的自放電率差/（均衡電流平均值×均衡開(kāi)啟時(shí)間占比×30） （3）

式中：電芯容量為電芯的額定容量；月電芯自放電率差（樣本中最高電壓電芯與最低電壓電芯的電芯自放電率差值）由測(cè)量得到；均衡電流平均值為電芯額定電壓/均衡電阻；均衡開(kāi)啟時(shí)間占比取決于硬件能力，不同硬件的均衡開(kāi)啟時(shí)間不同；一個(gè)月按30天計(jì)算。按照月電芯自放電率差為2.5%計(jì)算，該型號(hào)電池系統(tǒng)每日需均衡小時(shí)數(shù)為4.5 h。根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，私家電動(dòng)車每日使用時(shí)間為2 h，不足4.5 h，因此，該電池系統(tǒng)在使用中壓差會(huì)逐漸增大。

2.4 硬件故障

部分車輛存在集中區(qū)間內(nèi)電芯電壓較其他串?dāng)?shù)偏低問(wèn)題，如圖7所示。由于電芯問(wèn)題導(dǎo)致的壓差異常多為離散分布。電芯采樣控制器由模組供電，出現(xiàn)電壓集中偏低情況多為BMS異常引起，對(duì)該區(qū)間內(nèi)的采樣控制器進(jìn)行分析，存在未上電時(shí)漏電問(wèn)題，拆解后發(fā)現(xiàn)光電耦和器（光耦）件失效。

圖7 出現(xiàn)整組電芯電壓偏低

如圖8所示，子板接插件PIN 17直接與光耦PIN4相連是ESD（Electro-Static Discharge，靜電釋放）導(dǎo)入的途徑。在采樣控制器裝配或電池系統(tǒng)裝配時(shí)，如果靜電防護(hù)不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生ESD。光耦正常時(shí)，低壓不上電的情況下，光耦不開(kāi)啟，不會(huì)給后續(xù)芯片供電；光耦異常時(shí)，由于MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）損傷，導(dǎo)致光耦PIN4至PIN3產(chǎn)生漏電，后續(xù)芯片因?yàn)橛须姸ぷ鳎a(chǎn)生異常漏電流。對(duì)失效光耦進(jìn)行熱成像分析，如圖9所示，可以看到失效位置，因此，光耦失效是壓差增大的原因之一。

圖8 光耦失效原理

圖9 光耦熱成像分析

2.5 用戶使用習(xí)慣

不同的使用習(xí)慣會(huì)對(duì)電池系統(tǒng)充放電倍率、充放電深度等產(chǎn)生影響。單一樣本的使用場(chǎng)景多樣，不具備分析價(jià)值。對(duì)比異常樣本與對(duì)照樣本一年內(nèi)各數(shù)據(jù)指標(biāo)，包括充電時(shí)間、充電起止SOC（State of Charge 荷電狀態(tài)），單次充電深度DSOC，如圖10所示，各指標(biāo)下兩組樣本的差異性較小，說(shuō)明使用習(xí)慣基本一致，因此，使用習(xí)慣對(duì)電池系統(tǒng)的壓差增大基本不產(chǎn)生影響。

3 改善方案

3.1 優(yōu)化電芯生產(chǎn)工藝與建立市場(chǎng)維護(hù)機(jī)制

生產(chǎn)端加強(qiáng)生產(chǎn)環(huán)境管理，優(yōu)化除塵工序，減少粉塵混入的可能。在市場(chǎng)端建立維護(hù)機(jī)制。對(duì)于充電末端壓差≥50 mV的電池系統(tǒng)，需要均衡補(bǔ)電，均衡合格標(biāo)準(zhǔn)為充電末端壓差≤30 mV。針對(duì)均衡后的電芯，當(dāng)每月充電末端壓差增長(zhǎng)≥20.72 mV/月時(shí)，需要通過(guò)手動(dòng)均衡維護(hù)或更換模組的辦法使壓差問(wèn)題得到改善。

3.2 優(yōu)化均衡策略

由式（3）可知，電芯容量、月電芯的自放電率差和均衡電流均為確定值，通過(guò)增加均衡開(kāi)啟占比時(shí)間可以提升均衡效率，進(jìn)而減少壓差增大問(wèn)題，但這會(huì)增加BMS溫升，溫度過(guò)高會(huì)造成器件損壞。因此，將BMS外殼更換為金屬殼增加散熱，可減少熱量積聚，優(yōu)化前、后對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 均衡能力優(yōu)化前、后對(duì)比

根據(jù)式（3）計(jì)算，優(yōu)化后電池每日需均衡小時(shí)數(shù)為1.73 h，小于私家車每日使用時(shí)間2 h，這個(gè)方案可以匹配月電芯自放電率差≤2.5%的電池系統(tǒng)，排除光耦硬件問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化均衡策略，可以很大程度上改善壓差問(wèn)題。

3.3 ESD防護(hù)與光耦更換

對(duì)生產(chǎn)環(huán)境中ESD防護(hù)進(jìn)行檢查，從人員、設(shè)備、物料等方面進(jìn)行改善：更換掉人員佩戴的表面阻抗超標(biāo)的靜電手套，更換掉阻抗超標(biāo)的靜電皮及座椅，更換掉非防靜電材質(zhì)的不良品放置盒，如圖11所示，生產(chǎn)環(huán)境得到了明顯改善。由于光耦短期內(nèi)無(wú)法改善抗ESD能力，目前只能更換光耦，更換的晶片面積增大至之前的8.18倍，耐壓能力較之前增加了20 V，且MOSFET外圍保護(hù)環(huán)間距增大，對(duì)更換后的車輛進(jìn)行跟蹤，車輛的壓差均在正常范圍內(nèi)，壓差問(wèn)題得到很大改善。

圖11 ESD檢查

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)壓差問(wèn)題，采用大數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場(chǎng)拆解方法，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題原因有電芯生產(chǎn)工藝、電芯自放電率異常、電芯自放電率一致性和均衡能力不匹配，以及靜電導(dǎo)致光耦器件失效的漏電流。針對(duì)問(wèn)題原因，提出了具體優(yōu)化措施，包括對(duì)自放電率異常電芯進(jìn)行手動(dòng)均衡維護(hù)或更換模組，更換BMS外殼材質(zhì)提高散熱能力并優(yōu)化均衡策略，以及生產(chǎn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)靜電防護(hù)并更換光耦器件。各優(yōu)化措施有效改善了電池系統(tǒng)的壓差過(guò)大問(wèn)題，這為壓差問(wèn)題提供了分析思路和解決方法。

[1]鄧進(jìn), 陳明生, 明志茂. 新能源汽車動(dòng)力電池檢測(cè)及其發(fā)展方向綜述[J]. 廣東科技, 2019, 28(11):41-43.

[2]吳志新，周華，王芳.電動(dòng)汽車及關(guān)鍵零部件測(cè)評(píng)與開(kāi)發(fā)技術(shù)[M].北京；科學(xué)出版社，2019.

[3]楊麗君, 許剛. 探究新能源汽車動(dòng)力電池壓差故障與維修技術(shù)[J]. 內(nèi)燃機(jī)與配件, 2021(7):146-147.

2022-09-05

1002-4581（2023）01-0009-05

U469.72+2.03

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2023.01.003