技术｜动力电池系统压差成因分析与改善

动力电池作为新能源汽车的重要组成部分，其品质直接影响新能源汽车的质量。动力电池由多个串并联电池电芯组成，受内外多种因素作用，电芯之间存在不一致性，使电芯之间存在电压差，压差不断扩大是电池容量衰减的重要因素之一。

图1 容量不一致示意图

动力电池的一致性通常是指电芯之间差异性大小，可分为制造过程的一致性和使用过程的一致性。制造过程的一致性主要与制造工艺、生产控制水平等因素有关，使用过程的一致性主要取决于系统集成和电池管理。

如果动力电池中的电芯发生问题，例如容量降低或者漏电等，那么动力电池压差将出现问题。伴随着电池系统的使用， 压差会进一步扩大， 由于木桶效应，放电时电压最低的电芯会首先达到放电截止电压， 充电时电压最高的电芯会率先达到充电截止电压，进而影响电池容量以及车辆的续驶里程。

对动力电池压差产生的原因进行深入分析，通过过程分析及现场确认，找到电池压差的主要成因，并据此提出合理可行的改善措施，为优化动力电池压差问题具有重要的意义。

电池系统压差问题

电池压差分为静态压差和动态压差。

电池制造商会对电池的静态压差进行测试。电池包在充放电测试完毕，静置一段时间后，测量电池包单串的最高电压与最低电压，两者的差值即为压差。

若这个差值高于规定的压差要求，则判定为压差大故障。

目前，电池系统压差问题突出。

单体压差大产生的故障现象

2.1 续航里程缩短

如果压差小于报警阈值，并不会影响车辆启动行驶，只会降低其续航里程。如，正常情况下可行驶300Km，而实际续航仅150Km。这是因为动力电池包内部单体电芯是“并联+串联”的模式，遵循木桶定律，即：只要任意一个单体电芯放电至最低阈值电压，那么整个动力电池包将停止放电（充电同理）；

2.2 急加速过程中，车辆突然自行断高压

若压差临界于报警阈值，车辆在急加速过程中会导致压差瞬间增大至报警阈值，车辆将自动切断高压输出，待BMS监测到压差恢复到报警阈值以下，故障将自动清除；

2.3 充电时间缩短，甚至无法充电

充电时单体电压会迅速至满电截止电压，充电时间大大缩短，同时可能出现充电跳枪，直接无法充电的情况。

成因分析

根据电池系统 FMEA(Failure Mode and Effect Analysis，失效模式和影响分析) 及再发防止清单 并结合电池数据，确认可能导致压差的原因， 主 要包括电芯生产工艺、电芯生产批次、BMS 的均 衡策略、硬件故障、电气连接以及用户的使用习 惯， 如图 2 所示。

图 2 压差成因分析

3.1 电芯生产工艺

异常电芯自放电量高的原因为卷芯有颗粒击穿隔膜， 颗粒成分为铁、 铬、不锈钢，电芯生产工艺是引起电池系统压差问题的主要原因之一。

另外，电芯内部极耳冗余导致正负极片短接，极耳开裂导致导体电芯容量下降也是压差单体压差产生的原因（总之电芯内短，或者容量不一致均会导致压差产生）

3.2 BMS 均衡策略

不同电芯自放电率(自放电容量/ 额定容量)存在差异无法避免，须使用均衡功能使电芯电压趋于一致，弥补电芯间的自放电率差值。所需均衡时间的估算式为

每日须均衡小时数=电芯容量×月电芯的自 放电率差/ (均衡电流平均值×均衡开启时间占比 ×30) (1)

式中：电芯容量为电芯的额定容量；月电芯自放电率差(样本中最高电压电芯与最低电压电 芯的电芯自放电率差值) 由测量得到；均衡电流平均值为电芯额定电压/均衡电阻；均衡开启时间占比取决于硬件能力，不同硬件的均衡开启时间不同；一个月按 30 天计算。按照月电芯自放电率差为 2.5%计算，该型号电池系统每日需均衡小时数为 4.5 h。根据大数据统计结果，私家电动车每日使用时间为 2 h，不足 4.5 h，因此，该电池系统在使用中压差会逐渐增大。

3.3 硬件故障

部分车辆存在集中区间内电芯电压较其他串数偏低问题，如图 3 所示。由于电芯问题导致的压差异常多为离散分布。电芯采样控制器由模组供电，出现电压集中偏低情况多为BMS异常引起， 对该区间内的采样控制器进行分析，存在未上电 时漏电问题，拆解后发现光电耦和器(光耦)件失效。

图 3 出现整组电芯电压偏低

3.4 电气连接

电池铜排紧固螺母松动；连接面有污物；电芯焊接连接铜排虚焊；线束未插接到位等会导致单体电压采集不准，使系统产生压差不良（采样回路异常也是压差主因之一）

3.5 用户使用习惯

不同的使用习惯会对电池系统充放电倍率、充放电深度等产生影响。对比异常样本与对照样本一年内各数据指标，包括充电时间、 充电起止 SOC ( State of Charge 荷电状态)， 单次充电深度ΔSOC，各指标下样本的差异性较小，说明使用习惯基本一 致， 因此， 使用习惯对电池系统的压差增大基本不产生影响。

改善方案

当单体压差较小时，可通过电池主动或者被动均衡解决；

当单体压差接近报警阈值，且BMS无法主动均衡时,说明动力电池内部电压采集、BMS均衡或者单体电芯损坏，需开箱检查并更换电芯或者是损坏电芯所在的整个模组。

3.1 优化生产工艺与建立市场维护机制

在整包生产过程，要控制其动态压差，必须先管控静态压差。一般静态压差大的，其动态基本呈现同样趋势。故在电池包装配前，要用OCV机，对上线单模组和单包内模组的静态电压进行测试，计算其压差。一般单模组的静态压差要小于10mV（实际大多分布在5mV以内），单包静态压差要＜15或20mV。

为了达到整包上线的压差要求，在模组的生产之初，就要对上线的电芯进行分选，简单来说就是用同档位的电芯来组成模组，这么做就是为了避免因为混档所带来的压差。电芯的档位一般根据容量来划分，根据情况，多为三个或四个档位，容量间隔多为0.5-1.5Ah。在关注容量分档指标的同时，还要保证电芯的内阻，自放电和OCV在规定的范围内。在模组生产完成后，交付给pack时，再保证同档的模组装配到一个电池包中。

电芯之所以有档位之分，主要因为从产线分容下来的电芯，其容量发挥是在一个范围内，并非是一个固定值，其容量范围与电池涂布重量上下的波动和正极克容量发挥的波动有关，这一点在电芯设计之初是需要考虑的，一般是保证出货给客户的电芯，当涂布公差走最下限时，电芯的容量也要大于其额定容量，保证电芯不低容。但为了让电芯的档位分布尽可能的集中，不仅要在生产过程对工艺参数严格管控，同时也要严格控制四大主材等来料的批次稳定性，从源头上进行管控，尤其是正极三元材料和负极石墨的批次稳定性，其对电芯成组后的压差有一定的影响。

通过以上对压差的分析，其实我们可以看出，以上的方法是通过加强对电芯和模组的分选，进而来保证整包的一致性，此种方法能做到的是保证同档位之间的模组都可以混用，但应对未来更大批量的整包出货，需要做到的是出货的模组，均可以混用，这样就能更加的适应目前的自动化产线。要达到无配组这种水平，就需要在电芯生产源头，对其材料批次稳定性，涂布公差，自放电等进行严格的控制和筛选，这对动力电芯制程能力的要求是较高的，但也是未来的趋势之一。

在市场端建立维护机制。对于充电末端压差≥50 mV 的电池系统， 需要均衡补电，均衡合格标准为充电末端压差 ≤30 mV。针对均衡后的电芯，当每月充电末端压差增长≥20 .72 mV/月时，需要通过手动均衡维护或更换模组的办 法使压差问题得到改善。

3.2 优化均衡策略

由式(1) 可知， 电芯容量、月电芯的自放电率差和均衡电流均为确定值， 通过增加均衡开启占比时间可以提升均衡效率，进而减少压差增大问题， 但这会增加 BMS 温升， 温度过高会造成器件损坏。因此， 将 BMS 外壳更换为金属壳增加散热， 可减少热量积聚，优化前、后对比见表 3。

根据式(1) 计算， 优化后电池每日需均衡小 时数为 1.73 h，小于私家车每日使用时间 2 h，这 个方案可以匹配月电芯自放电率差≤2.5%的电池系统， 排除光耦硬件问题，通过优化均衡策略， 可以很大程度上改善压差问题。

3.3 ESD 防护与光耦更换

对生产环境中 ESD 防护进行检查，从人员、 设备、物料等方面进行改善：更换掉人员佩戴的表面阻抗超标的静电手套，更换掉阻抗超标的静电皮及座椅，更换掉非防静电材质的不良品放置盒， 由于光耦短期内无法改善抗 ESD 能力， 目前只能更换光耦， 更换的晶片面积增大至之前的 8.18 倍， 耐压能力较之前增加了 20 V，且

MOSFET 外围保护环间距增大，对更换后的车辆进行跟踪，车辆的压差均在正常范围内，压差问题得到很大改善。

结束语

针对动力电池系统压差问题，采用大数据分析与现场拆解方法，发现问题原因有电芯生产工 艺、电芯自放电率异常、电芯自放电率一致性和均衡能力不匹配，以及静电导致光耦器件失效的漏电流。针对问题原因， 提出了具体优化措施， 包括对自放电率异常电芯进行手动均衡维护或更换模组， 更换BMS外壳材质提高散热能力并优化均衡策略，以及生产环节加强静电防护并更换光耦器件。各优化措施有效改善了电池系统的压差过大问题，这为压差问题提供了分析思路和解决方法。

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