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动力电池系统失效模式分析及控制策略
来源:起点电动网 发布时间:2019-09-29

动力电池系统质量好坏,对电动汽车整体质量的影响是十分关键的。目前动力电池品质不高,依然是电动汽车的短板,主要表现在2个方面:

(a) 一是,动力电池生命周期不能与电动汽车的生命周期同步;

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(b) 二是,动力安全事故发生概率,,尤其是动力电池自行烧燃没有完全杜绝,还没有达到传统汽车质量控制标准。电动汽车自行燃烧,见图3。

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下面介绍,如何来保证动力电池生产品质。

一、什么失效模式分析介绍

FMEA 是英文 Failure Mode and Effect Analysis的首字母缩写, 中文一般叫“潜在失效模式和后果分析”。

(a)失效:“效”的意思是“功能有效”,“失效”字面含义可以理解为失去部分(全部)“功能失效”。

(b)模式:是解决某一类问题的方法论。把解决某类问题的方法总结归纳到理论高度,那就是模式。模式是一种指导,有助于完成任务,达到事半功倍的效果。

(c)失效模式:重点关注失效模式,后果是由本层失效导致的上层的失效模式。

二、失效模式分析的目的

通俗的理解,失效模式分析:

(a) 是指找到产品功能部分失效(比如,笔产生的墨迹断断续续)或全部丧失(比如,笔不能产生墨迹)的原因以及失效导致后果,进而给出解决功能失效的措施。

(b)产品某些功能,是用户不期望的功能,如:风扇产生的噪音。

FMEA的目是预防失效模式的发生。FMEA能有预防失效模式发生吗?提倡在项目早期就开始FMEA。如果在项目快结束的时候做FMEA,其预防作用几乎没有了。如果初学者,练习、练习还是可以的。

通过FMEA能找到高风险的失效模式,就可以制定出预防措施和检测措施来。如何降低风险,运用FMEA,在工程上已经是比较成熟和通用做法。失效模式分析法也是汽车和零部件企业工程技术人员必须要掌握的分析方法。

三、FMEA应用五步法

FMEA的重点是失效模式,产品功能失效原因很多,必须找全了,才能叫“失效模式分析”。没有经过正规培训的人,通常是拿一张白纸,(如图3所示)把自己能想到的失效可能要素写下来。这个方法是通常的方法。但是不是科学的方法。他不严谨,实际上实施过程中,必然会遗漏失效要素。如果重要的失效要素被遗漏了,一定可能导致设计失败,或者后期花费很大代价去修复。

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一种可行的、经过实践检验的方法就是FMEA VDA标准定义的FMEA五步法,其中的步骤1至步骤3可以帮助我们找全一个产品的失效模式。

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下面是FMEA五步法:

步骤1:建立结构;

步骤2:从结构导出功能;

步骤3:从功能导出失效;

步骤4:优化风险项;

步骤5:降低其风险。

其中,步骤1至步骤3,是识别风险项,可以找全一个产品的失效模式。

四、教学案例:中性笔FMEA五步法应用

中性笔的功能大家是很比较清楚的,中性笔结构比较简单,适宜讲解。

中性笔基本功能是能写字,中性笔是产品,是商品。用户买的是中性笔功能。笔是写字的工具,能用来写字,这个就是功能、效用。

因为功能、效用比较抽象。但是对产品而言,产品的结构可以体现产品的功能和效用。结构是比较实在的,可以细分。每一个结构单元,是有功能的。将产品结构进行一层、一层地列出也是比较容易的,同时能做到不遗漏、不重复。

步骤1分解产品内部结构

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(i)中性笔,有三个子部件,笔帽、笔杆、笔芯。

(ii)每个子部件,根据分析的深度可以继续向下分解,比如笔帽还可以分解为笔帽筒、笔帽夹等等.

(ii)假设笔芯是向某个供应商直接购买的,就不继续分解了,即可以理解找“全”了。

(原理上可以分得比较细,是“系统论”理论的应用。实际上)分到什么程度也是控制的)

步骤2:从结构导出功能

功能是依赖结构来实现的,比如产生墨迹,这个功能是由笔芯实现的。结构中的每一个单元都有功能,比如笔帽就算一个结构单元。

没有功能的单元,会增加产品的成本,会降低笔的利润,必须剔除。所以说从产品的结构导出产品的产品功能。

以蓝色字体的中性笔为例,从结构里导出其全部的功能,如图6所示。

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步骤3:从功能导出失效

失效可以很容易地用功能来定义。即失效指:(a)功能部分失效;(b)功能全部失效;(c)产生了用户不期望的功能) 。

如果蓝色字体笔,写出的是红色字体即为失效,失效网 如图7所示。

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(注意:这里也是信息论的应用,系统论过渡了信息论,可以系统论应用导致了信息论的应用)。

步骤4: 风险分析

接下来要找到高风险、需要重点关注的潜在失效。为了找到高风险项目,需要给每个潜在失效的风险打分。

FMEA用严重度(Severity)、发生度(Occurrence)和探测度(Detection)三个指标来评估风险。

(a)严重度表示失效模式导致的后果有多么严重。分值越大,后果越严重。失效模式的严重度是从其后果继承来的。

(b)发生度表示失效模式发生的概率。分值越大,发生概率越大。预防措施是降低失效模式发生概率的措施。

(c)失效模式的探测度表示失效模式发生后可以被探测到的概率。分值越大,失效不被探测到的概率越大。检测措施是检测到失效发生的措施,提高失效模式被检测到的概率。

在评估风险时,需要给每个失效模式确定严重度、发生度和探测度的分值。工程上确定分值划分方法是,每一个指标分为1分到10分。分值越大,风险越高。

具体评估风险的方法有两种:

方法1: 把严重度(S),发生度(O)和探测度(D)相乘,得到一个数,叫RPN(Risk Priority Number)。举例见

表1    评估风险的方法一

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过去是用这个方法,目前不再提倡了,主要理由是,如果RPN值越大的失效模式风险就越大,但实际情况并非如此。实际上,电池自行燃烧比电池不耐用的风险比较大。但是也一种思路和方法。

方法2: 严重度和发生度组成的风险矩阵。

风险(risk)可以用事件的后果的严重度(severity)和事件本身发生的概率(probability)来评估。严重度越大,概率越高的失效,风险就越大。

S和O制定的风险矩阵,将S和O值的100中组合分为3类,高风险(红色)、中风险(黄色)、低风险(绿色),如图8所示。

风险矩阵式比较好的评估失效模式风险方法。

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根据图8中的SO风险矩阵,当前为高风险的失效项目。如图9所示。

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步骤5: 优化

需要重点关注的潜在失效,步骤5就是想办法降低风险。

(说明:一般失效的严重度是由上层失效模式继承得到,不能被降低,能够被降低的是发生度和检测度。)

五、失效模式分析不仅方法论,同时也工具

汽车的零部件上万个,每一零部件组成,都是有由功能的,零部件有一定功能,同样存在失效的风险。目前对风险描述有三个度:(a)严重度、(b)发生度、(c)探测度。

这里的意思,失效模式分析结构越复杂,其分析工作越大,目前人工失效模式分析,越来越困难。普片采用计算机软件,例如APIS IQ FMEA。这个软件是付费的。通常FMEA分为3个阶段的应用。:

第一阶段: 设计阶段的失效模式分析

(a)初步构想基础上,逐项检讨系统的构造、机能上的问题点及预防策略;

(b)基于零件的构造、机能上的问题点及预防策略的检讨;

(c)对于数个零件组或零件组之间可能存在的问题点作检讨。

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(完成第一阶段的失效模式分析后,可以结束工程图设计。)

第二阶段 试验计划订定阶段的失效模式分析

(a)针对试验对象的选定及试验的目的、方法的检讨;

(b)试验法有效的运用及新评价方法的检讨;

(c)试验之后的追踪和有效性的持续运用。 

(完成第二阶段失效模式分析后,可以结束试验计划设计。

第三阶段 制程工艺阶段的FMEA

(a)制程工艺设计阶段中,被预测为不良制程及预防策略的检讨。

(b))制程工艺设计阶段中,为了防止不良品发生,而必须加以管理之特性的选定,或管理重点之检讨。

(c)有无订定期间追踪的效益。

(完成第三阶段失效模式分析后,方可以开展生产了。)

目前在汽车企业普遍都开展了三个阶段的失效模式分析。

FMEA应用注意事项:

FMEA适合分析单点失效,不适合分析多点失效。

(a)要充分收集失效模式分析检讨对象的信息

在收集资料上要把握,不要轻言放弃可能的因素。事前收集好对象产品、制程、机能等的相关资讯情报,对于分析有很大的帮助。

(b) 参与分析检讨的人员要足够

要集思广益,一定的人数参与是必要的,专业技术和质量管理人员是必须要参加的。

(c)专案检视失效模式分析是十分重要的。

建立一套模式化的分析流程,有布置,有实施、有检查。

六、动力电池系统失效模式分析

动力电池系统由a)动力电池模块;b)结构系统;c)电气系统;d)热管理系统;e)BMS及功能元器件、线束、结构件等相关组件构成。其中,Pack系统如图10所示、动力电池模块如图11所示。

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目前动力电池系统失效模式分析,一般可以分为电池芯失效模式、电池管理系统失效模式、Pack系统集成失效模式三大类。

1.电池芯失效模式。电池芯的失效模式又分:为安全性失效模式和非安全性失效模式。

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1)电池芯安全性失效

(1)电池芯内部正负极短路

从电池芯内部结构(如图13所示)来看,能是由于电池芯生产过程中缺陷导致或是因为长期振动外力导致电池芯变形所致。

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(2)电池单体漏液。原因有:

(a)外力损伤碰撞、安装不规范造成密封结构被破坏;

(b)制造原因:焊接缺陷、缝合较量不足造成密封性能不好等。

电池漏液发生度比较高。目前软包和塑壳电池芯相比,属壳单体更容易发生漏液情况导致绝缘失效。

(c)电池负极析锂。目前,磷酸铁锂或三元电池在0摄氏度以下充电都会发生析锂。

(i)过充电、低温充电、大电流充电都会导致电池负极析锂;

(ii)发生负极析锂后,导致电池容量不可逆衰减。;

(iii)析锂达到一定严重程度,形成锂枝晶,刺穿隔膜发生内短路。

2)电池芯的非安全性失效

(1)动力电池的不一致性: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。

(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。

(3)低温放电容量减少:温度降低,电解液参与反应不够,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。

(目前动力电池-20度下的放电容量基本在额定容量的70%~75%)

(4)电池容量衰减: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。

2.BMS失效模式

1)BMS电压检测失效。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,导致电池过充电或过放电;

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2)BMS电流检测失效霍尔传感器失效,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。

3)BMS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。

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。

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。电磁兼容测试设备如图15所示。

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6)SOC估算偏差大:估算模式目前有一定的问题。目前BMS厂家普遍存在的问题,只偏差大小的差别。

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3.Pack系统集成失效模式,Pack系统如图所示。

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1)汇流排的失效

目前有采用螺栓连接工艺,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。目前绝大部分动力电池系统生产厂家在Pack设计时,电池芯与电池芯连接或模块与模块连接处采用激光焊接。(汇流排如图14所示。)

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2)动力电池系统主回路连接器失效

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。连接器温度超过90度就会发生连接失效(如图15所示)。

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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。高压配电系统如图16。

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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,梯度线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。如图17 所示。

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七、动力电池系统提高质量的改进措施

根据上面的失效模式,重点关注(a)严重度、(b)发生度、(c)探测度分值高的项目,找到高风险的失效模式。具体有:

1) 使用者要正确使用车辆,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。动力电池热管理系统如图18所示。

2) 操作上,严格控制过度的充电,对所谓快充,技术要保证措施。充电电流大,电池芯内部发热大,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。规程如图所示。

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3)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。

3)在系统设计时连接器需要增加高压互锁功能,或在连接器附近加温度传感器,时刻监测连接器的温度以防止连接器的失效。满足国标要求是电动汽车线束,如图20所示。

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4)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。

5)在系统设计时需要考虑电池箱结构的碰撞防护,如图21所示。

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6) 电池使用环境温度控制在-10度到45度之间,理想温度在25度。

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动力电池是电动汽车的核心部件,质量如何保证呢?主要有下面几点:

a)上车的零部件及总成件,必须是车规级产品,所谓车规级产品,是他是品质,必须保证9年或10年以上,必须有效。

b)汽车是道路路上运动型产品,防震动、防水、防尘、防电磁干扰,等级必须有关国家(行业)汽车的标准。

C)工程技术人员必须学懂失效模式分析法,有条件的应配配备相应软件,且能应用自如。

d)质量管理体系对失效模式分析,要有制度上的安排,人力、财力上安排到位。

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e)失效模式分析技术含量高,对新进来的工程技术人员要进行专业培养。

f)失效模式分析结果,企业知识成果的积累过程。

关键词标签:动力电池|新能源汽车|雷洪钧

起点电动网

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