動力電池系統(電芯/BMS/PACK)失效模式分析!

隨著電動汽車的快速發展,如何解決電動汽車所帶來的安全問題,又成為汽車行業新的話題和難點。動力電池系統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注的焦點。

  研究動力電池系統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重要的意義。本文從動力電池系統外在表現失效模式探索和后果進行分析并提出相應處理措施。在動力電池系統設計時考慮各種失效模式以提高動力電池安全性。

  動力電池系統通常由電芯、電池管理系統、Pack系統含功能元器件、線束、結構件等相關組建構成。動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。

  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過程中缺陷導致或是因為長期振動外力導致電芯變形所致。一旦發生嚴重內短路,無法阻止控制,外部保險不起作用,肯定會發生冒煙或燃燒。

  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%將有可能發生內短路的電芯篩選出來,只能在后期充分做好檢測以將發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生外短路。從實際應用情況來看,軟包和塑殼電芯相比金屬殼單體更容易發生漏液情況導致絕緣失效。

  3、電池負極析鋰:

  電池使用不當,過充電、低溫充電、大電流充電都會導致電池負極析鋰。國內大部分廠家生產的磷酸鐵鋰或三元電池在0攝氏度以下充電都會發生析鋰,0攝氏度以上根據電芯特性只能小電流充電。發生負極析鋰后,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,刺穿隔膜發生內短路。所以動力電池在使用時應該嚴禁低溫下進行充電。

  4、電芯脹氣鼓脹:

  產生脹氣的原因很多,主要是因為電池內部發生副反應產生氣體,最為典型的是與水發生副反應。脹氣問題可以通過在電芯生產過程嚴格控制水分可以避免。一旦發生電池脹氣就會發生漏液等情況。

  以上幾種失效模式是非常嚴重的問題,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:

  動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大、電壓差異過大,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方面的,包括電池的生產制造工藝,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制造工藝控制水平,從生產關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,電池組發生不一致性問題后,如果不能及時處理,問題會愈加嚴重,甚至會發生危險。

  2、自放電過大:

  電池制造時雜質造成的微短路所引起的不可逆反應是造成個別電池自放電偏大的最主要原因。在大多電池生產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,隨環境條件發生化學反應,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題。但是目前電池廠家應該首要解決前面安全性失效問題和電池一致性問題,在這個基礎上再考慮延長電池的循環壽命。

  二、BMS失效模式

  電池的單體失效不僅和電池本身有關,也和電池管理系統BMS失效有關。BMS失效模式也會造成嚴重的事故有以下幾類:

  1、BMS電壓檢測失效導致電池過充電或過放電:

  連接、壓線過程或接觸不良導致電壓檢測線失效,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,會發生爆炸。

  而且,過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,嚴重的話甚至會冒煙起火;電池過放電會導致電池正極材料分子結構損壞,從而導致充不進去電;同時電池電壓過低造成電解液分解,干涸發生析鋰,回到電池內短路問題。在系統設計時應該選用可靠的電壓采集線,在生產過程中嚴格管控,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致充電電流過大。充電電流大,電芯內部發熱大,溫度超過一定溫度,會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高,電池發生不可逆反應,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,45度時的循環次數是25度時的一半,另外溫度過高電池易發生鼓脹、漏液,爆炸等問題,因此在電池使用過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:

  在動力電池系統發生變形或漏液的情況下都會發生絕緣失效,如果BMS沒有被檢測出來,有可能發生人員觸電。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力電池的安全性。

  5、電磁兼容問題通訊失效:

  對BMS系統來說,電磁兼容主要考核它抗電磁干擾能力。電磁干擾會導致BMS通訊失效,引發以上幾個問題。

  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。基本上目前的檢驗標準要求都是5%以內,大部分廠家BMS應該都很難達到,因為實際使用中SOC誤差會越來越大,因為使用環境更加的復雜,影響精度的條件更多。

  三、Pack系統集成失效模式

  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致螺栓松了都會導致導體連接處產生大量的熱,極端情況下會導致動力電池著火。因此絕大部分動力電池系統生產廠家在Pack設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、動力電池系統主回路連接器失效:

  動力電池系統高壓線通過連接器與外部高壓系統相連。連接器性能不可靠,在振動下發生虛接,產生高溫燒蝕連接器。一般來說連接器溫度超過90度就會發生連接失效。因此在系統設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,大部分接觸器在大電流帶載閉合時燒蝕。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,梯度先斷哪個后斷哪個需要綜合考慮。振動或外部受到碰撞擠壓導致動力電池發生形變,密封失效,IP等級降低,因此在系統設計時需要考率電池箱結構的碰撞防護。

  根據以上動力電池系統的各種失效模式,科研人員和電池廠商需要通過不斷改進工藝和技術提高鋰電池電芯的安全性,BMS系統廠商要充分了解電池的性能,基于動力電池的安全設計原則,設計出安全可靠的電池系統,同時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力電池系統,杜絕機械濫用、熱濫用和電濫用,切實提高電動汽車的安全性和可靠性。


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