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嘉峪檢測網(wǎng) 2023-03-14 23:26
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，通常由幾十甚至幾百只電芯通過串并聯(lián)組合而成，因此對一致性要求更高。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(chǎn)控制水平等因素有關(guān)，使用過程的一致性主要取決于系統(tǒng)集成和電池管理。
如果動(dòng)力電池中的電芯發(fā)生問題，例如容量降低或者漏電等，那么動(dòng)力電池壓差將出現(xiàn)問題。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。
本文對動(dòng)力電池系統(tǒng)的壓差進(jìn)行研究，通過大數(shù)據(jù)篩選，并結(jié)合現(xiàn)場檢查，對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（BatteryManagementSystem，電池管理系統(tǒng)）控制策略、硬件和使用習(xí)慣，并對發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行優(yōu)化改善。
1 電池系統(tǒng)壓差問題
電池系統(tǒng)壓差問題突出，從大數(shù)據(jù)中共選取8723輛車進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，每一輛車為一個(gè)樣本，所對應(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120mV，壓差報(bào)警閾值為220mV。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)1099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。
為分析1099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7624個(gè)作為對照，對照樣本選取條件為：滿電且最高電芯電壓Vmax≥4.2V。
滿電時(shí)壓差Vdif計(jì)算式為
Vdif=Vmax-Vmin（1）
式中：Vmax為滿電時(shí)單個(gè)樣本中最高電芯電壓；Vmin為滿電時(shí)單個(gè)樣本中最低電芯電壓。
對單個(gè)樣本進(jìn)行分析，按充電日期計(jì)算單個(gè)樣本的Vdif值，得到單個(gè)樣本Vdif的時(shí)間序列Vdif1,Vdif2，…，Vdifi，…，Vdifn，其中日期間隔天數(shù)t須滿足t≥14d，n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k'i為
式中：Vdifi+1為單個(gè)樣本第i+1次滿電的壓差
計(jì)算值，mV；Vdifi為單個(gè)樣本第i次滿電的壓差計(jì)算值，mV；ti為連續(xù)兩次滿電的壓差計(jì)算時(shí)間間隔，ti≥14d；i的取值為1≤i≤n－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k'1，k'2，…，k'i，…，k'n－1，序列的平均值為k'ave。針對8723個(gè)樣本，計(jì)算得到8723個(gè)k'ave值，異常樣本與對照樣本在0~1.25mV/d內(nèi)的k'ave分布如圖2、圖3所示。
綜合圖2、圖3，將單個(gè)樣本k'ave×30（一個(gè)月按30d計(jì)算）得到單個(gè)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(zhuǎn)化為容量Q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)果見表1。
對電芯壓差進(jìn)行分析，由表1可知，1099個(gè)壓差預(yù)警樣本中，高于電芯規(guī)格書要求（即月自放電容量≥4%Q）的數(shù)量占比為3.2%；7624個(gè)對照樣本中，高于電芯規(guī)格書要求的數(shù)量占比約為0.5%。對比圖2、圖3，壓差預(yù)警樣本和對照樣本的壓差變化率在不同區(qū)間均有分布，通過正態(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0.4~0.5mV/d，后者的壓差變化率為0.1～0.3mV/d，前者的壓差變化率高于后者，從而使壓差問題更早出現(xiàn)，對于對照樣本若不施加有力均衡措施，后續(xù)仍可能會(huì)出現(xiàn)同樣問題。
2 成因分析
根據(jù)電池系統(tǒng)FMEA（FailureModeandEffectAnalysis，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。由于異常樣本和對照樣本中均不含有由電氣連接導(dǎo)致的壓差問題，所以本文不對電氣連接問題進(jìn)行分析。
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)格書要求且通過手動(dòng)均衡后仍出現(xiàn)充電末端壓差增長≥20mV/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(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)壓差問題的原因之一。
2.2電芯生產(chǎn)批次
對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，對這兩周的過程數(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(jié)果進(jìn)行對比，未見異常，各批次的優(yōu)率值相差不大，見表2。因此，生產(chǎn)批次不是引起電芯壓差問題的原因。
2.3BMS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(shí)間占比取決于硬件能力，不同硬件的均衡開啟時(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，該型號電池系統(tǒng)每日需均衡小時(shí)數(shù)為4.5h。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2h，不足4.5h，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)偏低問題，如圖7所示。由于電芯問題導(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)漏電問題，拆解后發(fā)現(xiàn)光電耦和器（光耦）件失效。
如圖8所示，子板接插件PIN17直接與光耦PIN4相連是ESD（Electro-StaticDischarge，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，光耦不開啟，不會(huì)給后續(xù)芯片供電；光耦異常時(shí)，由于MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(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。
2.5用戶使用習(xí)慣
不同的使用習(xí)慣會(huì)對電池系統(tǒng)充放電倍率、充放電深度等產(chǎn)生影響。單一樣本的使用場景多樣，不具備分析價(jià)值。對比異常樣本與對照樣本一年內(nèi)各數(shù)據(jù)指標(biāo)，包括充電時(shí)間、充電起止SOC（StateofCharge荷電狀態(tài)），單次充電深度?SOC，如圖10所示，各指標(biāo)下兩組樣本的差異性較小，說明使用習(xí)慣基本一致，因此，使用習(xí)慣對電池系統(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。在市場端建立維護(hù)機(jī)制。對于充電末端壓差≥50mV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
≤30mV。針對均衡后的電芯，當(dāng)每月充電末端壓差增長≥20.72mV/月時(shí)，需要通過手動(dòng)均衡維護(hù)或更換模組的辦法使壓差問題得到改善。
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，通過增加均衡開啟占比時(shí)間可以提升均衡效率，進(jìn)而減少壓差增大問題，但這會(huì)增加BMS溫升，溫度過高會(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、后對比見表3。
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1.73h，小于私家車每日使用時(shí)間2h，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)，排除光耦硬件問題，通過優(yōu)化均衡策略，可以很大程度上改善壓差問題。
3.3ESD防護(hù)與光耦更換
對生產(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20V，且MOSFET外圍保護(hù)環(huán)間距增大，對更換后的車輛進(jìn)行跟蹤，車輛的壓差均在正常范圍內(nèi)，壓差問題得到很大改善。
4 結(jié)束語
針對動(dòng)力電池系統(tǒng)壓差問題，采用大數(shù)據(jù)分析與現(xiàn)場拆解方法，發(fā)現(xiàn)問題原因有電芯生產(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。針對問題原因，提出了具體優(yōu)化措施，包括對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)的壓差過大問題，這為壓差問題提供了分析思路和解決方法。
來源：電動(dòng)學(xué)堂
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