動力電池系統(tǒng)失效模式解析

1、動力電池系統(tǒng)（電芯/BMS/PACK）失效模式解析隨著電動汽車的快速發(fā)展，如何解決電動汽車所帶來的安全問題，又成為汽車行業(yè)新的話 題和難點。動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的動力來源（或動力來源之一），其安全性和可靠性 已成為公眾最為關(guān)注的焦點。研究動力電池系統(tǒng)的失效模式對提高電池壽命、電動車輛的安全性和可靠性、降低電動 車使用成本有至關(guān)重要的意義。本文從動力電池系統(tǒng)外在表現(xiàn)失效模式探索和后果進行分析 并提出相應(yīng)處理措施。在動力電池系統(tǒng)設(shè)計時考慮各種失效模式以提高動力電池安全性。動力電池系統(tǒng)通常由電芯、電池管理系統(tǒng)、Pack系統(tǒng)含功能元器件、線束、結(jié)構(gòu)件等 相關(guān)組建構(gòu)成。動力電池系統(tǒng)失效模式，可以分為

2、三種不同層級的失效模式，即電芯失效模 式、電池管理系統(tǒng)失效模式、Pack系統(tǒng)集成失效模式。一、電芯失效模式電芯的失效模式又可分為安全性失效模式和非安全性失效模式。電芯安全性失效主要有 以下幾點：1、電芯內(nèi)部正負(fù)極短路：電池內(nèi)短路是由電芯內(nèi)部引起的，引起電池內(nèi)短路的原因有很多，可能是由于電芯生產(chǎn) 過程中缺陷導(dǎo)致或是因為長期振動外力導(dǎo)致電芯變形所致。一旦發(fā)生嚴(yán)重內(nèi)短路，無法阻止 控制，外部保險不起作用，肯定會發(fā)生冒煙或燃燒。如果遭遇到該情況，我們能做的就是第一時間通知車上人員逃生。對于電池內(nèi)部短路問 題，目前為止電池廠家沒有辦法在出廠時100%將有可能發(fā)生內(nèi)短路的電芯篩選出來，只能 在后期充分做好

3、檢測以將發(fā)生內(nèi)短路的概率降低。2、電池單體漏液：這是非常危險，也是非常常見的失效模式。電動汽車著火的事故很多都是因為電池漏液 造成的。電池漏液的有原因有：外力損傷；碰撞、安裝不規(guī)范造成密封結(jié)構(gòu)被破壞；制造原 因：焊接缺陷、封合膠量不足造成密封性能不好等。電池漏液后整個電池包的絕緣失效，單點絕緣失效問題不大，如果有兩點或以上絕緣失 效會發(fā)生外短路。從實際應(yīng)用情況來看，軟包和塑殼電芯相比金屬殼單體更容易發(fā)生漏液情 況導(dǎo)致絕緣失效。3、電池負(fù)極析鋰：電池使用不當(dāng)，過充電、低溫充電、大電流充電都會導(dǎo)致電池負(fù)極析鋰。國內(nèi)大部分廠 家生產(chǎn)的磷酸鐵鋰或三元電池在0攝氏度以下充電都會發(fā)生析鋰，0攝氏度以上根據(jù)

4、電芯特 性只能小電流充電。發(fā)生負(fù)極析鋰后，鋰金屬不可還原，導(dǎo)致電池容量不可逆衰減。析鋰達(dá) 到一定嚴(yán)重程度，形成鋰枝晶，刺穿隔膜發(fā)生內(nèi)短路。所以動力電池在使用時應(yīng)該嚴(yán)禁低溫 下進行充電。4、電芯脹氣鼓脹：產(chǎn)生脹氣的原因很多，主要是因為電池內(nèi)部發(fā)生副反應(yīng)產(chǎn)生氣體，最為典型的是與水發(fā) 生副反應(yīng)。脹氣問題可以通過在電芯生產(chǎn)過程嚴(yán)格控制水分可以避免。一旦發(fā)生電池脹氣就 會發(fā)生漏液等情況。以上幾種失效模式是非常嚴(yán)重的問題，可能會造成人員傷亡。即使一個電芯使用1、2 年沒有問題，并不代表這個電芯以后沒有問題，使用越久的電池失效的風(fēng)險越大。電芯的非安全性失效只是影響使用性能，主要有以下幾點：1、容量一致性差：

5、動力電池的不一致性通常是指一組電池內(nèi)電池的剩余容量差異過大、電壓差異過大，引 起電池續(xù)航能力變差。引起電池間一致性變差的原因是多個方面的，包括電池的生產(chǎn)制造工 藝，電池的存放時間長短，電池組充放電期間的的溫度差異，充放電電流大小等。目前解決方法主要是提高電池的生產(chǎn)制造工藝控制水平，從生產(chǎn)關(guān)盡可能保證電池的一 致性，使用同一批次電池進行配組。這種方法有一定效果，但無法根治，電池組使用一段時 間后一致性差的問題還會出現(xiàn)，電池組發(fā)生不一致性問題后，如果不能及時處理，問題會愈 加嚴(yán)重，甚至?xí)l(fā)生危險。2、自放電過大：電池制造時雜質(zhì)造成的微短路所引起的不可逆反應(yīng)是造成個別電池自放電偏大的最主 要原因。在

6、大多電池生產(chǎn)廠家對電池的自放電微小時都可忽略，由于電池在長時間的充放電 及擱置過程中，隨環(huán)境條件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起電池大自放電現(xiàn)象，這使電池電量降低，性 能低下，不能滿足使用需求。3、低溫放電容量減少：隨著溫度的降低，電解液低溫性能不好，參與反應(yīng)不夠，電解液電導(dǎo)率降低而導(dǎo)致電池 電阻增大，電壓平臺降低，容量也降低。目前各廠家電池20度下的放電容量基本在額定容 量的70%75%。低溫下電池放電容量減少，且放電性能差，影響電動汽車的使用性能和續(xù)駛 里程。4、電池容量衰減：電池容置衰減主要來自于活性鋰離子的損失以及電極活性材料的損失。正極活性材料層 狀結(jié)構(gòu)規(guī)整度下降，負(fù)極活性材料上沉積鈍化膜，石墨化

7、程度降低，隔膜孔隙率下降，導(dǎo)致 電池電荷傳遞阻抗增大。脫嵌鋰能力下降，從而導(dǎo)致容量的損失。電池容量衰減是電池不可避免的問題。但是目前電池廠家應(yīng)該首要解決前面安全性失效 問題和電池一致性問題，在這個基礎(chǔ)上再考慮延長電池的循環(huán)壽命。二、BMS失效模式電池的單體失效不僅和電池本身有關(guān)，也和電池管理系統(tǒng)BMS失效有關(guān)。BMS失效模式 也會造成嚴(yán)重的事故有以下幾類：1、BMS電壓檢測失效導(dǎo)致電池過充電或過放電：連接、壓線過程或接觸不良導(dǎo)致電壓檢測線失效，BMS沒有電壓信息，充電時該停止時 沒有停止。電池過充會著火、爆炸，磷酸鐵鋰過充至5V以上大部分只是冒煙，但是三元電 池一旦過充，會發(fā)生爆炸。而且，過充

8、電容易導(dǎo)致鋰離子電池中的電解液分解釋放出氣體，從而導(dǎo)致電池鼓脹，嚴(yán) 重的話甚至?xí)盁熎鸹?；電池過放電會導(dǎo)致電池正極材料分子結(jié)構(gòu)損壞，從而導(dǎo)致充不進去 電；同時電池電壓過低造成電解液分解，干涸發(fā)生析鋰，回到電池內(nèi)短路問題。在系統(tǒng)設(shè)計 時應(yīng)該選用可靠的電壓采集線，在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格管控，杜絕電壓采集線的失效。2、BMS電流檢測失效霍爾傳感器失效，BMS采集不到電流，SOC無法計算，偏差大。電流檢測失效可能導(dǎo)致 充電電流過大。充電電流大，電芯內(nèi)部發(fā)熱大，溫度超過一定溫度，會使隔膜固化容量衰減， 嚴(yán)重影響電池壽命。3、BMS溫度檢測失效溫度檢測失效導(dǎo)致電池工作使用溫度過高，電池發(fā)生不可逆反應(yīng)，對電池容量

9、、內(nèi)阻有 很大影響。電芯日歷壽命跟溫度直接相關(guān)，45度時的循環(huán)次數(shù)是25度時的一半，另外溫度 過高電池易發(fā)生鼓脹、漏液，爆炸等問題，因此在電池使用過程中要嚴(yán)格控制電池的溫度在 20-45攝氏度之間，除能有效提高電池的使用壽命和可靠性之外還能有效避免電池低溫充電 析鋰造成的短路以及高溫?zé)崾Э亍?、絕緣監(jiān)測失效：在動力電池系統(tǒng)發(fā)生變形或漏液的情況下都會發(fā)生絕緣失效，如果BMS沒有被檢測出 來，有可能發(fā)生人員觸電。因此BMS系統(tǒng)對監(jiān)測的傳感器要求應(yīng)該是最高的，避免監(jiān)測系統(tǒng) 失效可以極大地提高動力電池的安全性。5、電磁兼容問題通訊失效：對BMS系統(tǒng)來說，電磁兼容主要考核它抗電磁干擾能力。電磁干擾會導(dǎo)致

10、BMS通訊失效， 引發(fā)以上幾個問題。6、SOC估算偏差大：目前所有BMS廠家普遍存在的問題，只偏差大小的差別?；旧夏壳暗臋z驗標(biāo)準(zhǔn)要求都 是5%以內(nèi)，大部分廠家BMS應(yīng)該都很難達(dá)到，因為實際使用中SOC誤差會越來越大，因為 使用環(huán)境更加的復(fù)雜，影響精度的條件更多。三、Pack系統(tǒng)集成失效模式1、匯流排的失效：如果是螺栓連接，在后期使用過程中，螺栓氧化脫落或振動導(dǎo)致螺栓松了都會導(dǎo)致導(dǎo)體 連接處產(chǎn)生大量的熱，極端情況下會導(dǎo)致動力電池著火。因此絕大部分動力電池系統(tǒng)生產(chǎn)廠 家在Pack設(shè)計時電芯與電芯連接或模塊與模塊連接處采用激光焊接，或在連接處增加溫度 傳感器通過檢測的手段避免匯流排的失效。2、動力

11、電池系統(tǒng)主回路連接器失效：動力電池系統(tǒng)高壓線通過連接器與外部高壓系統(tǒng)相連。連接器性能不可靠，在振動下發(fā) 生虛接，產(chǎn)生高溫?zé)g連接器。一般來說連接器溫度超過90度就會發(fā)生連接失效。因此在 系統(tǒng)設(shè)計時連接器需要增加高壓互鎖功能，或在連接器附進加溫度傳感器，時刻監(jiān)測連接器 的溫度以防止連接器的失效。3、高壓接觸器粘黏：接觸器有一定次數(shù)的帶載斷開，大部分接觸器在大電流帶載閉合時燒蝕。在系統(tǒng)設(shè)計一 般采用雙繼電器方案，按照先后順序閉合控制以避免高壓接觸器粘黏。4、熔斷器過流保護失效：高壓系統(tǒng)部件中的熔斷器的選型匹配，梯度先斷哪個后斷哪個需要綜合考慮。振動或外 部受到碰撞擠壓導(dǎo)致動力電池發(fā)生形變，密封失效，IP等級降低，因此在系統(tǒng)設(shè)計時需要 考率電池箱結(jié)構(gòu)