動(dòng)力電池壓差原因分析及微粒管控方法

張嬌　李彬　黃武榮

【摘? 要】新能源汽車動(dòng)力電池對(duì)電芯的電壓、容量一致性要求很高，否則容易導(dǎo)致電池容量衰減過(guò)快，整車?yán)m(xù)航能力變差。本文針對(duì)電池欠壓的潛在失效原因進(jìn)行歸納總結(jié)，分析最常見原因?yàn)槲⒘Ｔ斐呻娦緝?nèi)部微短路，引起電芯自放電大，造成電芯一致性差。為此，本文對(duì)電芯制造過(guò)程關(guān)鍵工位的微粒管控措施提出建議。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；壓差；微粒

中圖分類號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-8639（ 2023 ）08-0028-02

Common Causes of Power Battery Pressure Difference and Particle Control Methods

ZHANG Jiao，LI Bin，HUANG Wu-rong

（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Guangxi key laboratory

of automobile four new feature，Liuzhou 545007，China）

【Abstract】The new energy vehicle power battery has a high requirement for the consistency of voltage and capacity of the battery cell，otherwise it is easy to cause the battery capacity to decay too fast and the vehicle's endurance to deteriorate. In this paper，the potential failure causes of battery undervoltage are summarized，and the most common reason is the micro short circuit inside the cell caused by particles，which causes large self-discharge of the cell and poor consistency of the cell. In this paper，some suggestions are put forward for particle control measures at key stations in cell manufacturing process.

【Key words】electric vehicle；power battery；pressure difference；particle

隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染問(wèn)題的雙重壓力，發(fā)展新能源汽車特別是純電動(dòng)汽車是大勢(shì)所趨[1]。動(dòng)力電池電芯之間的壓差過(guò)大，電池電芯一致性差，電池容量能量降低，會(huì)導(dǎo)致整車?yán)m(xù)航能力降低，甚至導(dǎo)致整車下高壓。研究動(dòng)力電池壓差的失效模式，對(duì)提高電池的壽命、安全性和可靠性有著重要意義。本文針對(duì)動(dòng)力電池常見的主要失效原因——粉塵、異物等雜質(zhì)刺穿隔膜，在生產(chǎn)制造工藝方面提出建議。

1? 單體欠壓潛在失效原因分析

1.1? 異物導(dǎo)致內(nèi)部短路

1）異物表現(xiàn)為金屬屑/絲異物，常見原因?yàn)椋簶O耳外露尺寸較長(zhǎng)，導(dǎo)致裁切產(chǎn)生銅/鋁屑；極片上2個(gè)極耳靠近，裁切時(shí)定位精度不準(zhǔn)，設(shè)備裁切過(guò)程波動(dòng)，導(dǎo)致極耳被裁切出絲。

2）異物表現(xiàn)為極耳帶毛刺，常見原因?yàn)椋旱赌ｂg化，未及時(shí)進(jìn)行更換，導(dǎo)致極耳切斷效果不理想；切斷設(shè)備若采用氣壓作為動(dòng)力源，在切斷瞬間若氣壓不足，切割會(huì)有黏連及毛刺，切斷效果不佳。

3）正極卷芯中有負(fù)極片，常見原因?yàn)椋簶O片接帶超過(guò)極耳位置，極片裁切有碎極片掉落至卷芯。

4）電芯制造過(guò)程中環(huán)境粉塵，如空氣中的粉塵，設(shè)備清潔度管控不當(dāng)。

5）正負(fù)極材料、導(dǎo)電劑材料、隔膜材料雜質(zhì)未去除徹底。

6）設(shè)備摩擦產(chǎn)生的金屬顆粒。

7）極耳焊接、連接片焊接、蓋板焊接、異物飛濺。

8）模切和分切過(guò)程中產(chǎn)生毛刺及切屑。

1.2? 隔膜異常導(dǎo)致內(nèi)部短路

1）隔膜褶皺，常見原因?yàn)椋呵袚Q卷繞過(guò)程不穩(wěn)定，收尾隔膜有輕微褶皺；切割隔膜過(guò)程中，隔膜受力不均導(dǎo)致隔膜褶皺折疊；卷芯入殼過(guò)程磕碰或力度不當(dāng)導(dǎo)致隔膜褶皺。

2）隔膜破損，常見原因?yàn)椋簷C(jī)械手抓傷。

3）隔膜跑偏，常見原因?yàn)椋壕砝@跑偏，正負(fù)極接觸短路。

4）隔膜收縮，常見原因?yàn)椋荷w板超聲波焊頭磨損，導(dǎo)致極耳與蓋板虛焊熱量累積；極耳設(shè)計(jì)過(guò)流面積不足，充放電過(guò)程電芯熱量累積，隔膜受熱收縮；電芯烘烤過(guò)程中烘箱溫度設(shè)定不當(dāng)，隔膜受熱收縮；隔膜材料耐溫能力不足，容易在制造或使用過(guò)程中產(chǎn)生收縮。

1.3? PACK制程異常導(dǎo)致外短路

正負(fù)極導(dǎo)通，常見原因?yàn)椋弘娦緲O耳焊接、連接片焊接、蓋板焊接時(shí)，存在偏焊、過(guò)焊、焊渣等失效，導(dǎo)致殼體焊接異常，電芯正負(fù)極導(dǎo)通。

1.4? 工藝K值設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致電池一致性差

K值是反映鋰離子電池自放電快慢的物理量，若電芯篩選工藝中K值設(shè)置不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)電池包的電芯一致性差。K值準(zhǔn)確性又與去極化效果、SOC狀態(tài)、老化溫度和時(shí)間、測(cè)試設(shè)備精確度有關(guān)。

1.5? 運(yùn)行故障導(dǎo)致單體欠壓

1）電池發(fā)生析銅反應(yīng)，導(dǎo)致電池電壓下降。常見原因?yàn)椋捍嬖诖箅娏?、過(guò)放電，導(dǎo)致電池電壓降低。過(guò)放的原因可能為BMS過(guò)放保護(hù)失效、整車ECU沒(méi)有控制截止放電、信號(hào)采集線松動(dòng)、電壓采集異常、電池組長(zhǎng)期擱置、SOC計(jì)算異常等。

2）電池發(fā)生析鋰反應(yīng)，鋰枝晶刺破隔膜導(dǎo)致電池內(nèi)短路。常見原因?yàn)椋弘姵剡^(guò)充、過(guò)放電、低溫充電等電氣濫用。

2? 微粒來(lái)源及管控方法

據(jù)了解，超70%以上的電池壓差是電芯內(nèi)異物造成，異物來(lái)源為電芯制造過(guò)程清潔度控制不嚴(yán)，混料、模切（分切）、卷繞等。焊接為微粒的關(guān)鍵管控工位，下文對(duì)電芯的生產(chǎn)工藝過(guò)程異物的來(lái)源及主要管控方法進(jìn)行分析。

電芯的生產(chǎn)工藝為：混料涂布→輥壓→制片→卷繞→熱壓→極耳焊→轉(zhuǎn)接片焊→入殼→封口→蓋板焊→烘烤→注液→分容→自放電篩選→分檔。

微粒的主要來(lái)源為來(lái)料中的雜質(zhì)，需要大量采用高磁通量的磁棒除磁，關(guān)鍵控制參數(shù)為：磁棒的數(shù)量建議在15～20根、磁通量10000Gs以上，采用多層網(wǎng)格布置方式，對(duì)來(lái)料中的異物進(jìn)行清除，定期對(duì)磁棒清潔，增加微觀測(cè)量設(shè)備，對(duì)磁棒上的異物進(jìn)行成分檢測(cè)，分析雜質(zhì)的來(lái)源并制定措施，判斷需要再加強(qiáng)磁力棒的磁力等級(jí)、數(shù)量，加強(qiáng)控制原材料雜質(zhì)。

涂布、輥壓工序宜采用極片除磁，進(jìn)一步對(duì)原料中的雜質(zhì)進(jìn)行去除，建議在涂布機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾接帶平臺(tái)處放置極片除磁裝置；重點(diǎn)關(guān)注空氣中粉塵污染，建議增加FFU系統(tǒng)，車間清潔度等級(jí)達(dá)到萬(wàn)級(jí)以上；加強(qiáng)設(shè)備清潔度管控，制定設(shè)備清潔作業(yè)指導(dǎo)書及點(diǎn)檢表，加強(qiáng)車間5S管理。

卷繞工序金屬設(shè)備摩擦產(chǎn)生的金屬顆粒，原材料中未去除徹底的雜質(zhì)，需在卷繞工序隔膜、極片卷針前設(shè)磁棒，極片切斷處采用毛刷進(jìn)行清潔，并對(duì)毛刷及切斷位置采用負(fù)壓除塵，除塵風(fēng)速25m/s以上；另外需對(duì)設(shè)備定期進(jìn)行清潔，對(duì)各機(jī)構(gòu)定時(shí)清潔，關(guān)鍵部位加強(qiáng)清潔頻次，加強(qiáng)車間5S管理。

模切和分切過(guò)程容易產(chǎn)生毛刺及切屑，極片切割邊緣容易產(chǎn)生金屬碎屑，需要用毛刷對(duì)極片切割處進(jìn)行清潔，對(duì)毛刷壽命及清潔頻次進(jìn)行嚴(yán)格管控；極片兩面增加磁棒及負(fù)壓除塵機(jī)構(gòu)，除塵風(fēng)速25m/s以上；對(duì)切刀壽命進(jìn)行嚴(yán)格管控，防止因切刀過(guò)鈍導(dǎo)致模切和分切不徹底；制定毛刺檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，定期對(duì)毛刺進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良品；制定設(shè)備清潔作業(yè)指導(dǎo)書和點(diǎn)檢表，關(guān)鍵部位加強(qiáng)清潔頻次，加強(qiáng)車間5S管理。

極耳焊接、轉(zhuǎn)接片焊、蓋板焊工序容易在焊接過(guò)程中產(chǎn)生焊渣。焊接設(shè)備參數(shù)（如激光功率、頻率、焊接能量、振幅）對(duì)產(chǎn)生的雜質(zhì)數(shù)量影響大，需要將設(shè)備參數(shù)值調(diào)試到合適值，避免產(chǎn)生過(guò)多雜質(zhì)；焊頭處采用大功率負(fù)壓吸塵裝置，風(fēng)速25m/s以上，同步使用毛刷進(jìn)行清潔；對(duì)焊頭、焊座的清潔度及壽命進(jìn)行嚴(yán)格管控；焊接時(shí)需要防止焊渣掉入卷芯內(nèi)，可采用防護(hù)擋板進(jìn)行遮擋；極耳焊時(shí)可對(duì)卷芯貼膠保護(hù)，焊印處貼保護(hù)膠，防止焊異物入電芯內(nèi)。

3? 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的能量載體，其性能的好壞將直接影響著整車的性能，為此，在動(dòng)力電池的生產(chǎn)過(guò)程中，必須十分注重其產(chǎn)品的品質(zhì)問(wèn)題。本文以動(dòng)力電池常見的壓差問(wèn)題為例，詳細(xì)分析了可能導(dǎo)致壓差問(wèn)題產(chǎn)生的原因，并針對(duì)性地提出了解決措施，為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池行業(yè)提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳友鵬，徐春. 純電動(dòng)汽車應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景分析[J]. 南方農(nóng)機(jī)，2018，49（9）：9-11.

[2] GB 13539.1—2008，低壓熔斷器 第1部分：基本要求[S].

[3] QC/T 420—2004，汽車用熔斷器[S].

[4] 許建強(qiáng)，秦海蛟，劉友祝. 汽車熔斷器的正確選用與規(guī)范檢測(cè)[J]. 時(shí)代汽車，2015（11）：50-51.

[5] 張延偉. 管狀熔斷器的典型失效模式和失效原因分析[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2004（3）：46-49.

（編輯? 楊? 景）

作者簡(jiǎn)介

張嬌，女，電動(dòng)能源系統(tǒng)工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌噭?dòng)力蓄電池系統(tǒng)總成。