電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)失效模式分析

電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)失效模式分析許二超;周從源【摘要】Thefailuremode'smechanismsofelectricvehiclebatterysystemareintroducedfromthreeaspectsoftheintegratedbattery,batterymanagementsystemsandbatterysystems.Thereasonsoffailureareanalyzedandcorrespondingsolutionsareproposed.%文章從電池、電池管理系統(tǒng)和電池系統(tǒng)集成三個(gè)層級(jí)，介紹了電動(dòng)汽車電池系統(tǒng)失效模式的機(jī)理，分析了失效的原因，并提出了相應(yīng)的對(duì)策?！酒诳Q】《汽車實(shí)用技術(shù)》【年(卷)，期】2016(000)010【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P20-23)【關(guān)鍵詞】電動(dòng)汽車溶量;電池管理系統(tǒng)【作者】許二超;周從源【作者單位】安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601;安徽江淮汽車股份有限公司，安徽合肥230601【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U472.410.16638/ki.1671-7988.2016.10.007CLCNO.:U472.4DocumentCode:AArticleID:1671-7988(2016)10-20-04隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力來(lái)源，其安全性和可靠性已成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。電池系統(tǒng)通常由電池、電池管理系統(tǒng)、電池系統(tǒng)集成(功能電氣件、線束、結(jié)構(gòu)件)等構(gòu)成。電池系統(tǒng)失效模式可以分為三種不同層級(jí)的失效模式，即電池、電池管理系統(tǒng)、電池系統(tǒng)集成失效模式。研究電池系統(tǒng)的失效模式對(duì)提高電池壽命、電動(dòng)汽車的安全性、可靠性有至關(guān)重要的意義。1.1容量失效動(dòng)力電池容量的衰減嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。容量衰減主要由于正極材料、負(fù)極材料的退化及SEI膜的不斷破裂及修復(fù)、生長(zhǎng)，不同程度地造成電池容量衰減失效。對(duì)于動(dòng)力電池使用中的容量損失，一般認(rèn)為是活性鋰離子的損失造成的。Tan［1］定量分析了活性鋰離子是如何損耗的，發(fā)現(xiàn)大部分活性鋰離子的損失發(fā)生在石墨負(fù)極表面，尤其在高溫循環(huán)時(shí)更明顯，即高溫循環(huán)容量損失更快；并且總結(jié)了SEI膜的破壞與修復(fù)的三種不同的機(jī)理：(1)石墨負(fù)極中的電子透過(guò)SEI膜還原鋰離子；(2)SEI膜的部分成分的溶解與再生成；⑶由于石墨負(fù)極的體積變化引起的SEI膜破裂。充放電過(guò)程中正極材料發(fā)生溶解、相變，負(fù)極石墨材料片層的剝離，導(dǎo)致在使用中電池的容量發(fā)生衰減。錳酸鋰電池LiMn2O4電極由于歧化反應(yīng)導(dǎo)致出現(xiàn)溶解現(xiàn)象，Mn3+氧化狀態(tài)不穩(wěn)定，發(fā)生歧化反應(yīng)而形成Mn2+和Mn4+。Mn2+既可以進(jìn)入溶液中，在負(fù)極上沉積為Mn(s)，也可以和Li+一起與電解液的氧化產(chǎn)物反應(yīng)，在電極表面形成含有鋰和錳的鈍化膜。這兩種情況都會(huì)增大電池內(nèi)阻，導(dǎo)致容量損失［2］。鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，并產(chǎn)生材料內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)力場(chǎng)，從而使得宿主晶格發(fā)生變化。較大的晶格常數(shù)變化減少了顆粒之間以及顆粒與整個(gè)電極之間的電化學(xué)接觸，導(dǎo)致了循環(huán)過(guò)程中的容量衰減。磷酸鐵鋰LiFePO4電極在使用中有裂縫的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致電極極化增加、活性材料與導(dǎo)電劑或集流體之間的導(dǎo)電性下降，導(dǎo)致電池容量降低。負(fù)極石墨碳材料在鋰離子脫嵌過(guò)程中晶格不斷發(fā)生拉伸收縮，層間距發(fā)生較大變化。對(duì)于石墨材料，這種體積變化一般認(rèn)為并不劇烈（一般體積變化小于等于10%），對(duì)于容量的可逆性影響不大。但結(jié)構(gòu)的變化造成缺陷處和C-C鍵中存在機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致材料顆粒開(kāi)裂和結(jié)構(gòu)的破壞。而石墨材料剝落、由于溶劑分子共嵌入導(dǎo)致石墨顆粒開(kāi)裂、石墨內(nèi)部電解液分解等使石墨負(fù)極性能惡化。LIU［3］研究發(fā)現(xiàn)，石墨活性材料的損失導(dǎo)致的活性表面降低和石墨電極的片層剝離是導(dǎo)致電池老化的原因，石墨負(fù)極的不穩(wěn)定性導(dǎo)致SEI膜的不穩(wěn)定，促進(jìn)活性鋰離子的的消耗。1.2熱失控動(dòng)力電池在使用中出現(xiàn)熱濫用、過(guò)充、短路、針刺等情況導(dǎo)致出現(xiàn)失效，其本質(zhì)就是熱失控。方謀［4］將熱失控分為3個(gè)階段：?jiǎn)?dòng)階段，電池自發(fā)產(chǎn)熱速率達(dá)到0.2^/min左右，該部分產(chǎn)生的熱量通常會(huì)被電池消耗掉，否則熱量持續(xù)積累到下—階段。加速階段，SEI膜持續(xù)分解，電解液在正極材料表面發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)受電極材料的化學(xué)性質(zhì)以及荷電狀態(tài)的影響。電池會(huì)排氣并可能產(chǎn)生大量的煙霧。熱失控，正、負(fù)極材料的反應(yīng)引起溫度急劇上升，可能會(huì)造成起火、爆炸。熱失控的定義是溫度上升速率超過(guò)10°C/min，熱失控的溫度和電池容量的大小、電池的設(shè)計(jì)以及電池所使用的材料相關(guān)，典型的熱失控溫度在130~200C之間。如圖1所示。由過(guò)充引起的熱失控主要有兩個(gè)方面［5］:—方面是電流流過(guò)產(chǎn)生的焦耳熱，一方面是陰陽(yáng)極副反應(yīng)產(chǎn)生的熱。電池過(guò)充時(shí)，陰極電壓逐漸升高，當(dāng)陰極的脫鋰量過(guò)大時(shí)，脫鋰過(guò)程也越來(lái)越困難，導(dǎo)致內(nèi)阻急劇增大，產(chǎn)生大量的焦耳熱。如果負(fù)極的嵌鋰能力較低，過(guò)充使鋰在負(fù)極表面沉積產(chǎn)生枝晶，刺破隔離膜使電池內(nèi)短路。過(guò)充狀態(tài)的高電壓正極氧化溶劑發(fā)出大量的熱，溫度升高后負(fù)極也會(huì)與電解液發(fā)生放熱反應(yīng)。當(dāng)放熱速率大于電池的散熱速率，溫度上升到一定程度時(shí)，便會(huì)發(fā)生熱失控。熱濫用時(shí)，熱源首先是來(lái)源于電池內(nèi)正負(fù)極材料及其與電解液的反應(yīng)，具體的反應(yīng)溫度區(qū)間及放熱量如表1所示［6］。另外，隔離膜在高溫下熔融收縮導(dǎo)致正負(fù)極短路，短路所產(chǎn)生的焦耳熱也是熱濫用的重要熱源。針刺造成電池在針刺點(diǎn)短路，短路區(qū)由于大量的焦耳熱而形成局部熱區(qū)，當(dāng)熱區(qū)溫度超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí)將引發(fā)熱失控，發(fā)生冒煙、起火甚至爆炸。擠壓與針刺類似，都是由于局部?jī)?nèi)短路而可能引發(fā)熱失控。不同的是，擠壓不一定會(huì)造成電池殼體的破壞，殼體沒(méi)有破壞就意味著易燃的電解液不會(huì)從熱區(qū)處泄露。夕卜短路時(shí)電池內(nèi)部往往是均勻發(fā)熱，所產(chǎn)生的焦耳熱不會(huì)直接觸發(fā)電池的熱失控反應(yīng)。1.3—致性動(dòng)力電池成組后的單體不一致帶來(lái)的問(wèn)題主要有兩方面原因［7］:在制造過(guò)程中，由于電池的工藝控制、材料的不均勻，導(dǎo)致電池厚度、活化程度等差別，影響電池的容量、內(nèi)阻、自放電等參數(shù)；在裝車使用時(shí)，電池系統(tǒng)中各單體電池的環(huán)境溫度、通風(fēng)條件、連接電阻等影響，加劇了電池電壓、內(nèi)阻及容量等參數(shù)的不一致。動(dòng)力電池不一致性主要體現(xiàn)在電池系統(tǒng)性能、壽命和安全性等方面：?jiǎn)误w電池的過(guò)充過(guò)放，單體電池性能衰減速度不同導(dǎo)致電池系統(tǒng)的提前失效，自放電。在對(duì)電池系統(tǒng)充放電時(shí)［8］,由于各單體電池的容量、內(nèi)阻、自放電等特性的差異，導(dǎo)致單體電池充放電狀態(tài)的不一致，部分單體會(huì)發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電現(xiàn)象，影響電池系統(tǒng)的性能，甚至引發(fā)安全問(wèn)題。成組后，連接內(nèi)阻、溫度場(chǎng)和電池單體的差異，導(dǎo)致電池系統(tǒng)充放電時(shí)，單體電池電流、充放電深度和端電壓不一致，造成單體電池壽命衰減速度的不一致。電池自放電主要由兩部分構(gòu)成：電池內(nèi)部副反應(yīng)，正、負(fù)極材料、金屬雜質(zhì)等與電解液反應(yīng)；電池內(nèi)部微短路。自放電的不一致性嚴(yán)重影響電池的存儲(chǔ)性能，加劇電池系統(tǒng)的不一致性，內(nèi)部微短路的惡化甚至?xí)鸢踩珕?wèn)題。1.4改善及對(duì)策針對(duì)電池的熱失控、壽命、一致性失效模式，主要通過(guò)以下方式進(jìn)行改善：正極材料：降低材料的比表面積,減小其與電解液的接觸面積，可緩解兩者間的反應(yīng)；體相摻雜，改變材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與表面催化活性，減弱與電解液的反應(yīng)；表面包覆，可直接阻隔材料中活性元素與電解液的接觸，抑制材料與電解液之間的副反應(yīng)，從而有效提高材料與電解液界面的化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。負(fù)極材料：表面包覆，如在石墨表面包覆無(wú)定形炭或金屬層；電解液中添加成膜添加劑，在電極材料表面形成穩(wěn)定性較高的膜。電解液：目前溶質(zhì)一般使用LiPF6，熱穩(wěn)定性較差,受熱或者與水分子易發(fā)生采用反應(yīng)生成PF5，對(duì)溶劑有催化作用。通過(guò)添加劑或降低電解液的水分，或增加阻燃、過(guò)充安全性；使用穩(wěn)定的鋰鹽來(lái)代替LiPF6。隔膜：采用陶瓷隔膜，可以有效防止電池內(nèi)部短路。電池在針刺和擠壓狀態(tài)下，有效減少熱失控的發(fā)生。外部措施：使用Vent/CID、PTC等安全裝置。蓄電池內(nèi)壓或溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)開(kāi)關(guān)自動(dòng)斷開(kāi)充電電路或限制充放電流。提高電池制造工藝水平和成組工藝技術(shù)，保證電池系統(tǒng)出廠的一致性；通過(guò)合理的電池管理系統(tǒng)來(lái)緩解不一致帶來(lái)的影響，主要包括電池均衡、電池?zé)峁芾淼取?.1采集失效數(shù)據(jù)采集是電池管理系統(tǒng)中最重要和最基本的功能，SOC估計(jì)和均衡管理等都是以采集到的數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行工作的，通常需要采集電壓信號(hào)、電流信號(hào)和溫度信號(hào)，并將這些參數(shù)送入電池管理系統(tǒng)的處理器，分析得到電池當(dāng)前的信息。電壓測(cè)量精度要求高［9］，錳酸鋰/鈦酸鋰電池OCV曲線斜率較大，大部分范圍（除SOC為60%~70%）每mV電壓對(duì)應(yīng)最大的SOC變化率小于0.4%，但磷酸鐵鋰/石墨電池的OCV曲線斜率較小，大部分區(qū)域（除了SOC<40%及75%~80%）內(nèi)每mV電壓對(duì)應(yīng)最大的SOC變化率達(dá)4%，因此，對(duì)單體電壓采集精度的要求很高，需要達(dá)到1mV左右。采集連接端子斷裂、接觸不良或元器件失效會(huì)導(dǎo)致采集電壓、電流失效，BMS得不到準(zhǔn)確的電壓、電流信息，會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)充或SOC估算偏差大等現(xiàn)象。溫度采集功能失效將會(huì)導(dǎo)致熱管理不能準(zhǔn)確判斷并動(dòng)作。2.2熱管理失效鋰離子電池的性能、壽命、安全性均與電池的溫度密切相關(guān)。溫度過(guò)高，會(huì)加快副反應(yīng)的進(jìn)行，增大衰減（大致溫度每升高15°C,壽命減少一半），甚至引發(fā)安全事故。溫度過(guò)低，電池的功率、容量會(huì)明顯降低，甚至導(dǎo)致鋰離子析出，引起不可逆衰減，并埋下安全隱患。因此，需要對(duì)電池組的工作溫度進(jìn)行主動(dòng)式管理，使得電池工作在最佳溫度范圍內(nèi)［10］。通常，鋰離子電池工作溫度范圍為：充電時(shí)，-10~45°C;放電時(shí)，-30~55°C。熱管理的控制電路、風(fēng)扇、水/油泵的失效將嚴(yán)重影響電池的性能及安全。2.3狀態(tài)估計(jì)失效電池狀態(tài)包括荷電狀態(tài)SOC、健康狀態(tài)SOH及功能狀態(tài)SOF,SOH主要由壽命預(yù)測(cè)與電池性能共同確定，SOF需要綜合考慮SOH、SOC、直流內(nèi)阻、溫度范圍、不一致性等多方面因素的影響。SOH的定義只限于電池老化的范疇，表主要參數(shù)是容量、內(nèi)阻。一般能量型電池性能衰減用容量的衰減來(lái)表征，功率型電池的性能衰減用電阻的增加來(lái)表征。狀態(tài)估計(jì)直接影響電動(dòng)汽車的能量、功率分配，將嚴(yán)重影響使用者的使用。目前電池管理系統(tǒng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求是5%以內(nèi)，電池狀態(tài)估計(jì)技術(shù)還需要進(jìn)一步發(fā)展，實(shí)際使用中SOC誤差會(huì)越來(lái)越大，因?yàn)槭褂铆h(huán)境更加的復(fù)雜，影響精度的條件更多。2.4絕緣監(jiān)測(cè)失效在動(dòng)力電池系統(tǒng)發(fā)生變形或漏液的情況下都會(huì)發(fā)生絕緣失效，如果BMS沒(méi)有被檢測(cè)出來(lái)，有可能發(fā)生人員觸電。電池管理系統(tǒng)對(duì)絕緣監(jiān)測(cè)的傳感器要求是最高的，避免監(jiān)測(cè)系統(tǒng)失效，可以極大地提高動(dòng)力電池的安全性。2.5改善及對(duì)策優(yōu)化采集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該選用可靠的采集方式及布置結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)過(guò)程中嚴(yán)格管控，確保采集的有效。采用適合的熱管理方式。包括傳熱方式，合理的流場(chǎng)環(huán)境，可靠的測(cè)溫元件、控制電路與散熱執(zhí)行器。3.1電氣失效針對(duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部的電子電氣系統(tǒng)而言，電氣安全是首要考慮的因素。高壓系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)尤為重要，在高壓線路上需要配置手動(dòng)維修開(kāi)關(guān)，自動(dòng)斷路器、動(dòng)力控制繼電器、系統(tǒng)互鎖和高壓熔斷器。高壓電氣的失效主要集中在電子器件的損壞、失效。短路器、熔斷器能在單體電流過(guò)大時(shí)永久切斷電路，為電池組提供不可逆的一次保護(hù)。因此高壓電氣在設(shè)計(jì)、布置需要充分考慮電動(dòng)汽車的使用過(guò)程。3.2結(jié)構(gòu)失效電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要指整個(gè)箱體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件，確保在各種機(jī)械載荷和夕卜部因素作用下，動(dòng)力電池包的特性不會(huì)發(fā)生大的變化，消除產(chǎn)品潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。密封性失效。水汽對(duì)汽車會(huì)產(chǎn)生侵蝕，因此會(huì)使得高壓的正極與負(fù)極之間出現(xiàn)絕緣電阻變小甚至短路的情況，最終可能會(huì)導(dǎo)致電池出現(xiàn)燃燒、漏液、爆炸等情況。電池系統(tǒng)箱體必須保證密封防水，防止由于進(jìn)水而導(dǎo)致電路短路，電池箱體防護(hù)等級(jí)要求達(dá)到IP67，這個(gè)防護(hù)等級(jí)要求貫穿電池系統(tǒng)整個(gè)生命周期，尤其是電池系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間使用、振動(dòng)等情況。結(jié)構(gòu)性失效。電池箱體內(nèi)需要有電池及電池模塊專門(mén)的固定裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且要根據(jù)電池箱體的散熱情況設(shè)置通風(fēng)散熱通道。在使用中失效，電池易受振動(dòng)，導(dǎo)致和其他金屬部件接觸發(fā)生短路，或模塊間連接的匯流排、采樣線束斷裂導(dǎo)致出現(xiàn)故障及安全風(fēng)險(xiǎn)。3.3改善及對(duì)策電氣設(shè)計(jì)合理。根據(jù)電氣原理圖，選擇可靠、安全的電子器件，加強(qiáng)短路保護(hù)器的安裝、高壓互鎖回路以及絕緣電阻檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化。采用合理的密封結(jié)構(gòu)，包括密封墊圈材料、限位結(jié)構(gòu)，提高密封墊圈的可靠性；通過(guò)尺寸鏈、公差計(jì)算，設(shè)計(jì)合理的電池、模塊固定結(jié)構(gòu)。綜上所述，電動(dòng)汽車是當(dāng)前汽車行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)，在進(jìn)行汽車開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要加強(qiáng)對(duì)電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而不斷提高電池系統(tǒng)的安全、可靠性?！鞠嚓P(guān)文獻(xiàn)】TANL,ZHANGL,SUNQN，etal.CapacitylossinducedbylithiumdepositionatgraphiteanodeforLiFePO4/graphitecellcyclin-gatdifferenttemperatures[J].ElectrochimActa，2013，111:802-808.唐致遠(yuǎn)，阮艷莉.鋰離子電池容量衰減機(jī)理的研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展,2015,17(1):1-7.LIUP,WANGJ,HICKS-GARNERJ,etal.AgingmechanismsofLiFePO4batteriesdeducedbye