研究動(dòng)力電池系統的失效模式對提高電池壽命、電動(dòng)車(chē)輛的安全性和可靠性、降低電動(dòng)車(chē)使用成本有至關(guān)重要的意義。本文從動(dòng)力電池系統外在表現失效模式探索和后果進(jìn)行分析并提出相應處理措施。在動(dòng)力電池系統設計時(shí)考慮各種失效模式以提高動(dòng)力電池安全性。

　　

動(dòng)力電池系統通常由電芯、電池管理系統、Pack系統含功能元器件、線(xiàn)束、結構件等相關(guān)組建構成。動(dòng)力電池系統失效模式，可以分為三種不同層級的失效模式，即電芯失效模式、電池管理系統失效模式、Pack系統集成失效模式。

　　

　　

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(diǎn)：

　　

1、電芯內部正負極短路：

　　

電池內短路是由電芯內部引起的，引起電池內短路的原因有很多，可能是由于電芯生產(chǎn)過(guò)程中缺陷導致或是因為長(cháng)期振動(dòng)外力導致電芯變形所致。一旦發(fā)生嚴重內短路，無(wú)法阻止控制，外部保險不起作用，肯定會(huì )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(shí)間通知車(chē)上人員逃生。對于電池內部短路問(wèn)題，目前為止電池廠(chǎng)家沒(méi)有辦法在出廠(chǎng)時(shí)100%將有可能發(fā)生內短路的電芯篩選出來(lái)，只能在后期充分做好檢測以將發(fā)生內短路的概率降低。

　　

2、電池單體漏液：

　　

這是非常危險，也是非常常見(jiàn)的失效模式。電動(dòng)汽車(chē)著(zhù)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、安裝不規范造成密封結構被破壞；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(gè)電池包的絕緣失效，單點(diǎn)絕緣失效問(wèn)題不大，如果有兩點(diǎn)或以上絕緣失效會(huì )發(fā)生外短路。從實(shí)際應用情況來(lái)看，軟包和塑殼電芯相比金屬殼單體更容易發(fā)生漏液情況導致絕緣失效。

　　

3、電池負極析鋰：

　　

電池使用不當，過(guò)充電、低溫充電、大電流充電都會(huì )導致電池負極析鋰。國內大部分廠(chǎng)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(huì )發(fā)生析鋰，0攝氏度以上根據電芯特性只能小電流充電。發(fā)生負極析鋰后，鋰金屬不可還原，導致電池容量不可逆衰減。析鋰達到一定嚴重程度，形成鋰枝晶，刺穿隔膜發(fā)生內短路。所以動(dòng)力電池在使用時(shí)應該嚴禁低溫下進(jìn)行充電。

 

4、電芯脹氣鼓脹：

　　

產(chǎn)生脹氣的原因很多，主要是因為電池內部發(fā)生副反應產(chǎn)生氣體，最為典型的是與水發(fā)生副反應。脹氣問(wèn)題可以通過(guò)在電芯生產(chǎn)過(guò)程嚴格控制水分可以避免。一旦發(fā)生電池脹氣就會(huì )發(fā)生漏液等情況。

　　

以上幾種失效模式是非常嚴重的問(wèn)題，可能會(huì )造成人員傷亡。即使一個(gè)電芯使用1、2年沒(méi)有問(wèn)題，并不代表這個(gè)電芯以后沒(méi)有問(wèn)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(diǎn)：

　　

1、容量一致性差：

　　

動(dòng)力電池的不一致性通常是指一組電池內電池的剩余容量差異過(guò)大、電壓差異過(guò)大，引起電池續航能力變差。引起電池間一致性變差的原因是多個(gè)方面的，包括電池的生產(chǎn)制造工藝，電池的存放時(shí)間長(cháng)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(jìn)行配組。這種方法有一定效果，但無(wú)法根治，電池組使用一段時(shí)間后一致性差的問(wèn)題還會(huì )出現，電池組發(fā)生不一致性問(wèn)題后，如果不能及時(shí)處理，問(wèn)題會(huì )愈加嚴重，甚至會(huì )發(fā)生危險。

　　

2、自放電過(guò)大：

　　

電池制造時(shí)雜質(zhì)造成的微短路所引起的不可逆反應是造成個(gè)別電池自放電偏大的最主要原因。在大多電池生產(chǎn)廠(chǎng)家對電池的自放電微小時(shí)都可忽略，由于電池在長(cháng)時(shí)間的充放電及擱置過(guò)程中，隨環(huán)境條件發(fā)生化學(xué)反應，引起電池大自放電現象，這使電池電量降低，性能低下，不能滿(mǎn)足使用需求。

　　

3、低溫放電容量減少：

　　

隨著(zhù)溫度的降低，電解液低溫性能不好，參與反應不夠，電解液電導率降低而導致電池電阻增大，電壓平臺降低，容量也降低。目前各廠(chǎng)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(dòng)汽車(chē)的使用性能和續駛里程。

　　

4、電池容量衰減：

　　

電池容置衰減主要來(lái)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構規整度下降，負極活性材料上沉積鈍化膜，石墨化程度降低，隔膜孔隙率下降，導致電池電荷傳遞阻抗增大。脫嵌鋰能力下降，從而導致容量的損失。

　　

電池容量衰減是電池不可避免的問(wèn)題。但是目前電池廠(chǎng)家應該首要解決前面安全性失效問(wèn)題和電池一致性問(wèn)題，在這個(gè)基礎上再考慮延長(cháng)電池的循環(huán)壽命。

 

　　

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BMS失效有關(guān)。BMS失效模式也會(huì )造成嚴重的事故有以下幾類(lèi)：

　　

1、BMS電壓檢測失效導致電池過(guò)充電或過(guò)放電：

　　

連接、壓線(xiàn)過(guò)程或接觸不良導致電壓檢測線(xiàn)失效，BMS沒(méi)有電壓信息，充電時(shí)該停止時(shí)沒(méi)有停止。電池過(guò)充會(huì )著(zhù)火、爆炸，磷酸鐵鋰過(guò)充至5V以上大部分只是冒煙，但是三元電池一旦過(guò)充，會(huì )發(fā)生爆炸。

　　

而且，過(guò)充電容易導致鋰離子電池中的電解液分解釋放出氣體，從而導致電池鼓脹，嚴重的話(huà)甚至會(huì )冒煙起火；電池過(guò)放電會(huì )導致電池正極材料分子結構損壞，從而導致充不進(jìn)去電；同時(shí)電池電壓過(guò)低造成電解液分解，干涸發(fā)生析鋰，回到電池內短路問(wèn)題。在系統設計時(shí)應該選用可靠的電壓采集線(xiàn)，在生產(chǎn)過(guò)程中嚴格管控，杜絕電壓采集線(xiàn)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(wú)法計算，偏差大。電流檢測失效可能導致充電電流過(guò)大。充電電流大，電芯內部發(fā)熱大，溫度超過(guò)一定溫度，會(huì )使隔膜固化容量衰減，嚴重影響電池壽命。

　　

3、BMS溫度檢測失效

　　

溫度檢測失效導致電池工作使用溫度過(guò)高，電池發(fā)生不可逆反應，對電池容量、內阻有很大影響。電芯日歷壽命跟溫度直接相關(guān)，45度時(shí)的循環(huán)次數是25度時(shí)的一半，另外溫度過(guò)高電池易發(fā)生鼓脹、漏液，爆炸等問(wèn)題，因此在電池使用過(guò)程中要嚴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熱失控。

　　

4、絕緣監測失效：

　　

在動(dòng)力電池系統發(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)有被檢測出來(lái)，有可能發(fā)生人員觸電。因此BMS系統對監測的傳感器要求應該是最高的，避免監測系統失效可以極大地提高動(dòng)力電池的安全性。

　　

5、電磁兼容問(wèn)題通訊失效：

　　

對BMS系統來(lái)說(shuō)，電磁兼容主要考核它抗電磁干擾能力。電磁干擾會(huì )導致BMS通訊失效，引發(fā)以上幾個(gè)問(wèn)題。

　　

6、SOC估算偏差大：

　　

目前所有BMS廠(chǎng)家普遍存在的問(wèn)題，只偏差大小的差別?；旧夏壳暗臋z驗標準要求都是5%以?xún)?，大部分廠(chǎng)家BMS應該都很難達到，因為實(shí)際使用中SOC誤差會(huì )越來(lái)越大，因為使用環(huán)境更加的復雜，影響精度的條件更多。

　　

　　

1、匯流排的失效：

　　

如果是螺栓連接，在后期使用過(guò)程中，螺栓氧化脫落或振動(dòng)導致螺栓松了都會(huì )導致導體連接處產(chǎn)生大量的熱，極端情況下會(huì )導致動(dòng)力電池著(zhù)火。因此絕大部分動(dòng)力電池系統生產(chǎn)廠(chǎng)家在Pack設計時(shí)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(guò)檢測的手段避免匯流排的失效。

　　

2、動(dòng)力電池系統主回路連接器失效：

　　

動(dòng)力電池系統高壓線(xiàn)通過(guò)連接器與外部高壓系統相連。連接器性能不可靠，在振動(dòng)下發(fā)生虛接，產(chǎn)生高溫燒蝕連接器。一般來(lái)說(shuō)連接器溫度超過(guò)90度就會(huì )發(fā)生連接失效。因此在系統設計時(shí)連接器需要增加高壓互鎖功能，或在連接器附進(jìn)加溫度傳感器，時(shí)刻監測連接器的溫度以防止連接器的失效。

　　

3、高壓接觸器粘黏：

　　

接觸器有一定次數的帶載斷開(kāi)，大部分接觸器在大電流帶載閉合時(shí)燒蝕。在系統設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(guò)流保護失效：

　　

高壓系統部件中的熔斷器的選型匹配，梯度先斷哪個(gè)后斷哪個(gè)需要綜合考慮。振動(dòng)或外部受到碰撞擠壓導致動(dòng)力電池發(fā)生形變，密封失效，IP等級降低，因此在系統設計時(shí)需要考率電池箱結構的碰撞防護。

　　

根據以上動(dòng)力電池系統的各種失效模式，科研人員和電池廠(chǎng)商需要通過(guò)不斷改進(jìn)工藝和技術(shù)提高鋰電池電芯的安全性，BMS系統廠(chǎng)商要充分了解電池的性能，基于動(dòng)力電池的安全設計原則，設計出安全可靠的電池系統，同時(shí)正確的使用是保障電池安全性的最終屏障。使用者要正確使用動(dòng)力電池系統，杜絕機械濫用、熱濫用和電濫用，切實(shí)提高電動(dòng)汽車(chē)的安全性和可靠性。