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動力電池系統(電芯/BMS/PACK)失效模式分析
更新時間:2017-10-09 瀏覽數:

2017-10-09 電池視界

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。

鋰離子電池失效模式分析表




功能要求

潛在的失效模式

潛在的失效后果

正極片保證電池容量

極片漏箔

容量低

厚度偏厚

電芯直徑偏大,難入殼

制程水分控制差

極片掉料,低電壓

導電劑用量少

內阻大,循環性能差,平臺低

面密度偏大

正負極容量不匹配,循環性能差

壓實密度大

極片斷裂,容量低,低電壓

極片長

電芯直徑偏大,難入殼,負極包不住正極

極片短

容量低

負極片匹配正極容量

極片漏箔

存在嚴重安全隱患

厚度偏厚

電芯直徑偏大,難入殼

制程水分控制差

極片掉料,嚴重影響循環性能

導電劑用量少

內阻大,循環性能差,平臺低

面密度偏大

造成電解液量相對偏少,影響循環性能

面密度偏小

正負極容量不匹配,循環及安全性能差

壓實密度大

容量低

極片長

電芯直徑偏大,難入殼

極片短

負極包不住正極,存在嚴重安全隱患

負極與正極片錯位

負極包不住正極,存在嚴重安全隱患

隔膜把正負極擱開,只讓鋰離子通過

橫向收縮率大

安全可靠性差,熱沖擊測試爆炸

縱向收縮率大

安全可靠性差,熱沖擊測試爆炸

厚度偏厚

電芯偏厚,難入殼

寬度偏窄

短路爆炸

孔隙率偏小

內阻大

電解液用于承載鋰離子,起導電作用

水含量高

化成時電池內壓大,蓋帽反轉,電池報廢;循環型性能差

電導率小于9ms/cm

內阻大,平臺低

過充性能差

過充4.8V爆炸

用量偏少

內阻大,平臺低,成品電池循環衰減快

外殼用于保護極組,容納極組和電解液

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