PACK过程：电池包压差控制

    PACK，顾名思义就是“打包”的意思。在新能源动力电池行业，将单体电芯按照一定的工艺组装成电池包的过程称为PACK。由于单个电芯的电压及容量有限，一辆电动汽车所使用的电池包通常由数百个、甚至上千个单体电芯组成，而电芯之间的并联与串联是实现电池包的总电压、总容量满足电动汽车要求的主要方式。

    电压是电池SOC（带电量百分比，state of charge）多少的主要体现，电池的SOC越高，其表现的电压越大。目前，电动汽车使用的磷酸铁锂电池，其放电区间所对应的电压范围为2.3~3.65V，其所对应的SOC 为0~100%。但是，锂电池的电压与SOC并不是线性关系，如下图所示（1/20 C充、放）。当SOC为0%~10%时，电池接近空电状态，锂电池的电压随SOC的变化很大；当SOC为10%~90%时，锂电池的电压变化极为缓慢，几乎在3.2V左右保持平稳；当SOC为90%~100%时，电池接近满电状态，电压随着SOC的变化较大。

某磷酸铁锂电芯充/放电过程SOC-电压曲线

对于电池包而言，各个电芯之间的电压差是表现其一致性的主要指标之一。电压差越小则电芯的一致性越好，进而保证电池包具有较好的放电性能；反之，电压差越大则电芯的一致性越差，电池包的放电性能亦受到负面影响，最直接的影响是导致电池包放电能量不足，且随着循环次数增多而逐渐恶化。因此，在PACK过程中，控制电池包各单体电芯间的电压差是十分重要的课题。

   在电芯的并联中，各个单体电芯之间的电压会相互均衡，最终达到一致的状态，如下图所示。并联时各电芯形成回路，若各电芯间存在电压差，则会产生电流，电压高的电芯对电压低的电芯进行充电，直到电压差为0。

并联回路示意图

而在电芯串联中，各单体电芯间未形成回路，因此相互间的电压不能均衡，在充、放电过程中，各串联单体电芯获得或失去的电量完全相同，因此其电压差会始终存在，且在空电阶段与满电阶段表现的尤为明显。

串联电路示意图

因此，所谓的电池包压差控制，主要是控制各个串联电池间的电压差。

电池包压差产生原因：

  在正常的情况下，电池包中各串联电池的电压大小与其自身的SOC大小相关，因此电压差的产生原因如下。

1）PACK电芯初始SOC差异；

PACK过程使用的电芯一般为空电状态，在前端的分容工序会将电压放至2.3V。但是，由于环境变化、设备误差以及电芯极化的影响，电芯的电量不可能被完全放空，其放电结束时的SOC通常为3%~10%之间不等。该类电芯在被PACK使用时，若不进行筛选控制，就会直接导致电池包各串联单体间存在较大的电压差。

2）电芯最大容量差异；

最大容量表示的是电芯所能释放的最大电量（单位Ah），由于电芯的制程公差，量产后的电芯最大容量会存在一定的差异，一般使用的电芯最大容量范围为设计容量的98%~105%。SOC是带电量所占最大电量的百分比，对于串联单体而言，由于其在充、放电过程中得到与失去的电量完全相同，因此，容量较大的电芯其SOC变化相对较缓，而容量较小的电芯其SOC变化相对较快，最后会表现在电压的差异上。

3）PACK制程异常；

PACK制程异常主要是指电芯在PACK过程中由于设备异常、操作失误等因素导致的产品异常，例如电池短路、极片虚焊等问题。该类问题会导致电芯的SOC及容量发生变化，从而导致制成后的电池包存在较大电压差。

电池包压差控制方法：

   综上所述，电池包的电压差实际是由于电池的SOC差异导致的，因此，在实际生产中主要通过以下方式对电压差进行控制。

（1）分档与配组工序控制。

分档是电芯在PACK前重要的筛分工序，其主要目的就是将最大容量不同的电芯分成不同的档位，档位的容量区间一般为1%~3%，分档后的电芯，其一致性可以得到较好的提升。配组是PACK过程中选择要求的档位电芯进行并联的过程，目前，电池包的制作过程先进行并联提高容量，再进行串联提高电压，因此，多个电芯并联后形成的电池模组容量实际就是上文所述的串联单体的容量。为使所有档位的电芯得到充分使用，配组通常挑选几个档位电芯搭配使用，使最后并联后的电池模组容量基本保持一致。在实际生产中，通过分档与配组工序的控制，可以有效的解决串联单体容量差异导致的压差问题。

（2）配组电芯电压分段。

由于PACK使用的电芯荷电状态接近空电，其SOC的差异导致的电压差异表现极为明显。目前，生产中允许使用的电压范围一般为400mv左右，特殊时期该使用范围甚至更大，因此，增加电压段对电芯进行区分十分必要。由于并联后电芯间有电压均衡作用，一般生产中按照200mv区间进行划分，同一电压区间的电芯一同使用，基本上可以保证99%以上的PACK电池包压差＜100mv。

（3）单串电芯补电/放电。

由于PACK制程异常，在电池模组制作完成后仍然会出现压差大的问题，此时，使用补电柜对单串电芯进行补电/放电是生产中最常用的方法。由于，电池在接近空电状态时的电压与SOC变化关系明显，使用补电柜对单串进行补电/放电时，需要先将电池包电量放空，静置10分钟后单体最大电压低于3.2V（一般磷酸铁锂电芯电压＞3.2V后，其SOC与电压的变化关系不明显），然后根据SOC-OCV对照表进行单串补电/放电操作，将各串联单体的电压控制在标准范围以内。

    PS：对单串电芯进行补电时，需小心拔除BMS，防止BMS元件损坏。

（4）电压均衡系统。

电压均衡系统是安装在电池包上的独立装置，其主要原理是通过BMS控制系统开关对电压异常的单串电芯进行补电/放电操作。根据均衡电路所选用的储能或耗能元件的不同，串联蓄电池均衡器主要分为开关电阻分流均衡器、电容均衡器、电感均衡器、LC 振荡电路均衡器和反激式变压器均衡器。下图为设计的一种车载电容均衡器，每串单体都并联一个电容，通过MOS开关控制闭合。

某电容均衡器系统

由于电压均衡系统具有一定的重量，这意味着安装额外的电压均衡系统会导致电池包能量密度的降低，对于目前的电动汽车发展来说是不能接受的。因此，电压均衡系统仍主要处于研究阶段。

总结：

综上所述，在生产中电池包的压差控制实际是控制各串联单体间的SOC差异，其主要目的是控制电池包中的电芯一致性，从而保证发挥电池包最佳的充放电性能。电压差控制是PACK生产过程中的关键控制点，其产生的原因及方法不难掌握，但是在生产中控制异常时有发生。因此，高效的管理，加强生产员工知识培训，促进质量意识养成，是提高生产效率、降低质量成本的重要手段。