動力電池系統壓差成因分析與改善

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

動力電池系統壓差成因分析與改善

梁 楓，范 樂，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）

動力電池作為新能源汽車的重要組成部分，其品質直接影響新能源汽車的質量。動力電池由多個串并聯電池電芯組成，受內外多種因素作用，電芯之間存在不一致性，使電芯之間存在電壓差，壓差不斷擴大是電池容量衰減的重要因素之一。對動力電池壓差產生的原因進行深入分析，通過大數據分析及現場確認，找到電池壓差的主要成因，并據此提出合理可行的改善措施，為優化動力電池壓差問題提供參考。

新能源汽車；動力電池；壓差

0 引 言

動力電池是新能源汽車三大核心部件之一，內部集成復雜[1]，通常由幾十甚至幾百只電芯通過串并聯組合而成，因此對一致性要求更高。動力電池的一致性通常是指電芯之間差異性大小，可分為制造過程的一致性和使用過程的一致性。制造過程的一致性主要與制造工藝、生產控制水平等因素有關，使用過程的一致性主要取決于系統集成和電池管理[2]。

如果動力電池中的電芯發生問題，例如容量降低或者漏電等，那么動力電池壓差將出現問題[3]。伴隨著電池系統的使用，壓差會進一步擴大，由于木桶效應，放電時電壓最低的電芯會首先達到放電截止電壓，充電時電壓最高的電芯會率先達到充電截止電壓，進而影響電池容量以及車輛的續駛里程。

本文對動力電池系統的壓差進行研究，通過大數據篩選，并結合現場檢查，對可能形成壓差的原因進行逐一排查，包括電芯一致性、制造工藝、生產批次、BMS（Battery Management System，電池管理系統）控制策略、硬件和使用習慣，并對發現的問題進行優化改善。

1 電池系統壓差問題

電池系統壓差問題突出，從大數據中共選取8 723輛車進行統計分析，每一輛車為一個樣本，所對應的電池系統會產生一個壓差數值，滿電時壓差預警閾值為120 mV，壓差報警閾值為220 mV。提取所有樣本連續38周內觸發壓差預警值和壓差報警值的數據進行分析，共產生壓差預警數據1 099個，其中包括壓差報警維修數據446個，分布如圖1所示。

圖1 連續38周壓差報警趨勢

為分析1 099個壓差異常樣本，在未觸發預警閾值的樣本中隨機選取7 624個作為對照，對照樣本選取條件為：滿電且最高電芯電壓max≥4.2 V。

滿電時壓差dif計算式為

dif=max-min（1）

式中：max為滿電時單個樣本中最高電芯電壓；min為滿電時單個樣本中最低電芯電壓。

對單個樣本進行分析，按充電日期計算單個樣本的dif值，得到單個樣本dif的時間序列dif 1,dif 2，…，dif i，…，dif n，其中日期間隔天數須滿足≥14 d，為單個樣本在連續38周內滿電壓差的計算次數。

則單個樣本的壓差變化率'為

'=(dif i+1－dif i）/t（2）

式中：dif i+1為單個樣本第+1次滿電的壓差計算值，mV；dif i為單個樣本第次滿電的壓差計算值，mV；t為連續兩次滿電的壓差計算時間間隔，t≥14 d；的取值為1≤≤－1。

由式（2）計算得到單個樣本壓差變化率的時間序列'1，'2，…，'，…，'－1，序列的平均值為'ave。針對8 723個樣本，計算得到8 723個'ave值，異常樣本與對照樣本在0～1.25 mV/d內的'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 對照樣本壓差變化率平均值k'ave分布

綜合圖2、圖3，將單個樣本'ave×30（一個月按30 d計算）得到單個樣本月度壓差變化值，通過開路電壓法估算，可將電壓差值轉化為容量的衰減值，月度容量衰減值即為月自放電容量，本文所有樣本的統計結果見表1。

對電芯壓差進行分析，由表1可知，1 099個壓差預警樣本中，高于電芯規格書要求（即月自放電容量≥4%）的數量占比為3.2%；7 624個對照樣本中，高于電芯規格書要求的數量占比約為0.5%。對比圖2、圖3，壓差預警樣本和對照樣本的壓差變化率在不同區間均有分布，通過正態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，從而使壓差問題更早出現，對于對照樣本若不施加有力均衡措施，后續仍可能會出現同樣問題。

2 成因分析

根據電池系統FMEA（Failure Mode and Effect Analysis，失效模式和影響分析）及再發防止清單并結合電池數據，確認可能導致壓差的原因，主要包括電芯生產工藝、電芯生產批次、BMS的均衡策略、硬件故障、電氣連接以及用戶的使用習慣，如圖4所示。由于異常樣本和對照樣本中均不含有由電氣連接導致的壓差問題，所以本文不對電氣連接問題進行分析。

圖4 壓差成因分析

2.1 電芯生產工藝

從446個壓差報警樣品中選取3個自放電量高于電芯規格書要求且通過手動均衡后仍出現充電末端壓差增長≥20 mV/月的樣本進行分析。從3個樣本中各選取一個電芯，由此得到3個電芯A、B、C，分別進行拆解分析，A電芯為樣本1中9#模組的34號電芯，B電芯為樣本2中7#模組的28號電芯，C電芯為樣本3中18#模組的71號電芯，拆解后模組如圖5所示。發現異常電芯自放電量高的原因為卷芯有顆粒擊穿隔膜，顆粒成分為鐵、鉻、不銹鋼，因此電芯生產工藝是引起電池系統壓差問題的原因之一。

圖5 拆解的模組

2.2 電芯生產批次

對異常樣本中電芯的生產批次進行統計分析，發現第13、24周生產的電芯預警頻率最高，對這兩周的過程數據進行確認。與正常批次電芯的出廠電壓壓差進行對比，未見異常，如圖6所示，二者重合度較高；與正常批次電芯的自放電測試結果進行對比，未見異常，各批次的優率值相差不大，見表2。因此，生產批次不是引起電芯壓差問題的原因。

圖6 不同批次電芯壓差對比

表2 不同批次電芯自放電測試對比

續表2

2.3 BMS均衡策略

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

每日須均衡小時數=電芯容量×月電芯的自放電率差/（均衡電流平均值×均衡開啟時間占比×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）由測量得到；均衡電流平均值為電芯額定電壓/均衡電阻；均衡開啟時間占比取決于硬件能力，不同硬件的均衡開啟時間不同；一個月按30天計算。按照月電芯自放電率差為2.5%計算，該型號電池系統每日需均衡小時數為4.5 h。根據大數據統計結果，私家電動車每日使用時間為2 h，不足4.5 h，因此，該電池系統在使用中壓差會逐漸增大。

2.4 硬件故障

部分車輛存在集中區間內電芯電壓較其他串數偏低問題，如圖7所示。由于電芯問題導致的壓差異常多為離散分布。電芯采樣控制器由模組供電，出現電壓集中偏低情況多為BMS異常引起，對該區間內的采樣控制器進行分析，存在未上電時漏電問題，拆解后發現光電耦和器（光耦）件失效。

圖7 出現整組電芯電壓偏低

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）導入的途徑。在采樣控制器裝配或電池系統裝配時，如果靜電防護不當，會產生ESD。光耦正常時，低壓不上電的情況下，光耦不開啟，不會給后續芯片供電；光耦異常時，由于MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金屬-氧化物半導體場效應晶體管）損傷，導致光耦PIN4至PIN3產生漏電，后續芯片因為有電而工作，產生異常漏電流。對失效光耦進行熱成像分析，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 用戶使用習慣

不同的使用習慣會對電池系統充放電倍率、充放電深度等產生影響。單一樣本的使用場景多樣，不具備分析價值。對比異常樣本與對照樣本一年內各數據指標，包括充電時間、充電起止SOC（State of Charge 荷電狀態），單次充電深度DSOC，如圖10所示，各指標下兩組樣本的差異性較小，說明使用習慣基本一致，因此，使用習慣對電池系統的壓差增大基本不產生影響。

3 改善方案

3.1 優化電芯生產工藝與建立市場維護機制

生產端加強生產環境管理，優化除塵工序，減少粉塵混入的可能。在市場端建立維護機制。對于充電末端壓差≥50 mV的電池系統，需要均衡補電，均衡合格標準為充電末端壓差≤30 mV。針對均衡后的電芯，當每月充電末端壓差增長≥20.72 mV/月時，需要通過手動均衡維護或更換模組的辦法使壓差問題得到改善。

3.2 優化均衡策略

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，通過增加均衡開啟占比時間可以提升均衡效率，進而減少壓差增大問題，但這會增加BMS溫升，溫度過高會造成器件損壞。因此，將BMS外殼更換為金屬殼增加散熱，可減少熱量積聚，優化前、后對比見表3。

表3 均衡能力優化前、后對比

根據式（3）計算，優化后電池每日需均衡小時數為1.73 h，小于私家車每日使用時間2 h，這個方案可以匹配月電芯自放電率差≤2.5%的電池系統，排除光耦硬件問題，通過優化均衡策略，可以很大程度上改善壓差問題。

3.3 ESD防護與光耦更換

對生產環境中ESD防護進行檢查，從人員、設備、物料等方面進行改善：更換掉人員佩戴的表面阻抗超標的靜電手套，更換掉阻抗超標的靜電皮及座椅，更換掉非防靜電材質的不良品放置盒，如圖11所示，生產環境得到了明顯改善。由于光耦短期內無法改善抗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外圍保護環間距增大，對更換后的車輛進行跟蹤，車輛的壓差均在正常范圍內，壓差問題得到很大改善。

圖11 ESD檢查

4 結束語

針對動力電池系統壓差問題，采用大數據分析與現場拆解方法，發現問題原因有電芯生產工藝、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，以及靜電導致光耦器件失效的漏電流。針對問題原因，提出了具體優化措施，包括對自放電率異常電芯進行手動均衡維護或更換模組，更換BMS外殼材質提高散熱能力并優化均衡策略，以及生產環節加強靜電防護并更換光耦器件。各優化措施有效改善了電池系統的壓差過大問題，這為壓差問題提供了分析思路和解決方法。

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

[2]吳志新，周華，王芳.電動汽車及關鍵零部件測評與開發技術[M].北京；科學出版社，2019.

[3]楊麗君, 許剛. 探究新能源汽車動力電池壓差故障與維修技術[J]. 內燃機與配件, 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