动力电池系统失效模式分析

动力电池系统（电芯/BMS/PACK）失效模式分析16-10-20核心提示：随着电动汽车的快速发展，如何解决电动汽车所带来的安全问题，又成为汽车行业新的话题和难点。动力电池系统作为电动汽车的动力来源（或动力来源之一），其安全性和可靠性已成为公众最为关注的焦点。研究动力电池系统的失效模式对提高电池寿命、电动车辆的安全性和可靠性、降低电动车使用成本有至关重要的意义。本文从动力电池系统外在表现失效模式探索和后果进行分析并提出相应处理措施。在动力电池系统设计时考虑各种失效模式以提高动力电池安全性。动力电池系统通常由电芯、电池管理系统、Pack系统含功能元器件、线束、结构件等相关组建构成。动力电池系统失效模式，可以分为三种不同层级的失效模式，即电芯失效模式、电池管理系统失效模式、Pack系统集成失效模式。一、电芯失效模式电芯的失效模式又可分为安全性失效模式和非安全性失效模式。电芯安全性失效主要有以下几点：1、电芯内部正负极短路：电池内短路是由电芯内部引起的，引起电池内短路的原因有很多，可能是由于电芯生产过程中缺陷导致或是因为长期振动外力导致电芯变形所致。一旦发生严重内短路，无法阻止控制，外部保险不起作用，肯定会发生冒烟或燃烧。如果遭遇到该情况，我们能做的就是第一时间通知车上人员逃生。对于电池内部短路问题，目前为止电池厂家没有办法在出厂时100%将有可能发生内短路的电芯筛选出来，只能在后期充分做好检测以将发生内短路的概率降低。2、电池单体漏液：这是非常危险，也是非常常见的失效模式。电动汽车着火的事故很多都是因为电池漏液造成的。电池漏液的有原因有：外力损伤；碰撞、安装不规范造成密封结构被破坏；制造原因：焊接缺陷、封合胶量不足造成密封性能不好等。电池漏液后整个电池包的绝缘失效，单点绝缘失效问题不大，如果有两点或以上绝缘失效会发生外短路。从实际应用情况来看，软包和塑壳电芯相比金属壳单体更容易发生漏液情况导致绝缘失效。3、电池负极析锂：电池使用不当，过充电、低温充电、大电流充电都会导致电池负极析锂。国内大部分厂家生产的磷酸铁锂或三元电池在0摄氏度以下充电都会发生析锂，0摄氏度以上根据电芯特性只能小电流充电。发生负极析锂后，锂金属不可还原，导致电池容量不可逆衰减。析锂达到一定严重程度，形成锂枝晶，刺穿隔膜发生内短路。所以动力电池在使用时应该严禁低温下进行充电。4、电芯胀气鼓胀：产生胀气的原因很多，主要是因为电池内部发生副反应产生气体，最为典型的是与水发生副反应。胀气问题可以通过在电芯生产过程严格控制水分可以避免。一旦发生电池胀气就会发生漏液等情况。以上几种失效模式是非常严重的问题，可能会造成人员伤亡。即使一个电芯使用1、2年没有问题，并不代表这个电芯以后没有问题，使用越久的电池失效的风险越大。电芯的非安全性失效只是影响使用性能，主要有以下几点：1、容量一致性差：动力电池的不一致性通常是指一组电池内电池的剩余容量差异过大、电压差异过大，引起电池续航能力变差。引起电池间一致性变差的原因是多个方面的，包括电池的生产制造工艺，电池的存放时间长短，电池组充放电期间的的温度差异，充放电电流大小等。目前解决方法主要是提高电池的生产制造工艺控制水平，从生产关尽可能保证电池的一致性，使用同一批次电池进行配组。这种方法有一定效果，但无法根治，电池组使用一段时间后一致性差的问题还会出现，电池组发生不一致性问题后，如果不能及时处理，问题会愈加严重，甚至会发生危险。2、自放电过大：电池制造时杂质造成的微短路所引起的不可逆反应是造成个别电池自放电偏大的最主要原因。在大多电池生产厂家对电池的自放电微小时都可忽略，由于电池在长时间的充放电及搁置过程中，随环境条件发生化学反应，引起电池大自放电现象，这使电池电量降低，性能低下，不能满足使用需求。3、低温放电容量减少：随着温度的降低，电解液低温性能不好，参与反应不够，电解液电导率降低而导致电池电阻增大，电压平台降低，容量也降低。目前各厂家电池-20度下的放电容量基本在额定容量的70%~75%。低温下电池放电容量减少，且放电性能差，影响电动汽车的使用性能和续驶里程。4、电池容量衰减：电池容置衰减主要来自于活性锂离子的损失以及电极活性材料的损失。正极活性材料层状结构规整度下降，负极活性材料上沉积钝化膜，石墨化程度降低，隔膜孔隙率下降，导致电池电荷传递阻抗增大。脱嵌锂能力下降，从而导致容量的损失。电池容量衰减是电池不可避免的问题。但是目前电池厂家应该首要解决前面安全性失效问题和电池一致性问题，在这个基础上再考虑延长电池的循环寿命。二、BMS失效模式电池的单体失效不仅和电池本身有关，也和电池管理系统BMS失效有关。BMS失效模式也会造成严重的事故有以下几类：1、BMS电压检测失效导致电池过充电或过放电：连接、压线过程或接触不良导致电压检测线失效，BMS没有电压信息，充电时该停止时没有停止。电池过充会着火、爆炸，磷酸铁锂过充至5V以上大部分只是冒烟，但是三元电池一旦过充，会发生爆炸。而且，过充电容易导致锂离子电池中的电解液分解释放出气体，从而导致电池鼓胀，严重的话甚至会冒烟起火；电池过放电会导致电池正极材料分子结构损坏，从而导致充不进去电；同时电池电压过低造成电解液分解，干涸发生析锂，回到电池内短路问题。在系统设计时应该选用可靠的电压采集线，在生产过程中严格管控，杜绝电压采集线的失效。2、BMS电流检测失效霍尔传感器失效，BMS采集不到电流，SOC无法计算，偏差大。电流检测失效可能导致充电电流过大。充电电流大，电芯内部发热大，温度超过一定温度，会使隔膜固化容量衰减，严重影响电池寿命。3、BMS温度检测失效温度检测失效导致电池工作使用温度过高，电池发生不可逆反应，对电池容量、内阻有很大影响。电芯日历寿命跟温度直接相关，45度时的循环次数是25度时的一半，另外温度过高电池易发生鼓胀、漏液，爆炸等问题，因此在电池使用过程中要严格控制电池的温度在20-45摄氏度之间，除能有效提高电池的使用寿命和可靠性之外还能有效避免电池低温充电析锂造成的短路以及高温热失控。4、绝缘监测失效：在动力电池系统发生变形或漏液的情况下都会发生绝缘失效，如果BMS没有被检测出来，有可能发生人员触电。因此BMS系统对监测的传感器要求应该是最高的，避免监测系统失效可以极大地提高动力电池的安全性。5、电磁兼容问题通讯失效：对BMS系统来说，电磁兼容主要考核它抗电磁干扰能力。电磁干扰会导致BMS通讯失效，引发以上几个问题。6、SOC估算偏差大：目前所有BMS厂家普遍存在的问题，只偏差大小的差别。基本上目前的检验标准要求都是5%以内，大部分厂家BMS应该都很难达到，因为实际使用中SOC误差会越来越大，因为使用环境更加的复杂，影响精度的条件更多。三、Pack系统集成失效模式1、汇流排的失效：如果是螺栓连接，在后期使用过程中，螺栓氧化脱落或振动导致螺栓松了都会导致导体连接处产生大量的热，极端情况下会导致动力电池着火。因此绝大部分动力电池系统生产厂家在Pack设计时电芯与电芯连接或模块与模块连接处采用激光焊接，或在连接处增加温度传感器通过检测的手段避免汇流排的失效。2、动力电池系统主回路连接器失效：动力电池系统高压线通过连接器与外部高压系统相连。连接器性能不可靠，在振动下发生虚接，产生高温烧蚀连接器。一般来说连接器温度超过90度就会发生连接失效。因此在系统设计时连接器需要增加高压互锁功能，或在连接器附进加温度传感器，时刻监测连接器的温度以防止连接器的失效。3、高压接触器粘黏：接触器有一定次数的带载断开，大部分接触器在大电流带载闭合时烧蚀。在系统设计一般采用双继电器方案，按照先后顺序闭合控制以避免高压接触器粘黏。4、熔断器过流保护失效：高压系统部件中的熔断器的选型匹配，梯度先断哪个后断哪个需要综合考虑。振动或外部受到碰撞挤压导致动力电池发生形变，密封失效，IP等级降低，因此在系统设计时需要考率电池箱结构的碰撞防护。根据以上动力电池系统的各种失效模式，科研人员和电池厂商需要通过不断改进工艺和技术提高锂电池电芯的安全性，BMS系统厂商要充分了解电池的性能，基于动力电池的安全设计原则，设计出安全可靠的电池系统，同时正确的使用是保障电池安全性的最终屏障。使用者要正确使用动力电池系统，杜绝机械滥用、热滥用和电滥用，切实提高电动汽车的安全性和可靠性。