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动力电池系统(电芯/BMS/PACK)失效模式分析
更新时间:2017-10-09 浏览数:

2017-10-09 电池视界

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12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。

锂离子电池失效模式分析表




功能要求

潜在的失效模式

潜在的失效后果

正极片保证电池容量

极片漏箔

容量低

厚度偏厚

电芯直径偏大,难入壳

制程水分控制差

极片掉料,低电压

导电剂用量少

内阻大,循环性能差,平台低

面密度偏大

正负极容量不匹配,循环性能差

压实密度大

极片断裂,容量低,低电压

极片长

电芯直径偏大,难入壳,负极包不住正极

极片短

容量低

负极片匹配正极容量

极片漏箔

存在严重安全隐患

厚度偏厚

电芯直径偏大,难入壳

制程水分控制差

极片掉料,严重影响循环性能

导电剂用量少

内阻大,循环性能差,平台低

面密度偏大

造成电解液量相对偏少,影响循环性能

面密度偏小

正负极容量不匹配,循环及安全性能差

压实密度大

容量低

极片长

电芯直径偏大,难入壳

极片短

负极包不住正极,存在严重安全隐患

负极与正极片错位

负极包不住正极,存在严重安全隐患

隔膜把正负极搁开,只让锂离子通过

横向收缩率大

安全可靠性差,热冲击测试爆炸

纵向收缩率大

安全可靠性差,热冲击测试爆炸

厚度偏厚

电芯偏厚,难入壳

宽度偏窄

短路爆炸

孔隙率偏小

内阻大

电解液用于承载锂离子,起导电作用

水含量高

化成时电池内压大,盖帽反转,电池报废;循环型性能差

电导率小于9ms/cm

内阻大,平台低

过充性能差

过充4.8V爆炸

用量偏少

内阻大,平台低,成品电池循环衰减快

外壳用于保护极组,容纳极组和电解液