BMS及动力电池电芯失效分析

lilino

什么是电池管理系统（BMS）
# t2 E$ p/ W! C! a1 U* l7 A  C! z8 l    二次电池存在下面的一些缺点，如存储能量少、寿命短、串并联使用问题、使用安全性、电池电量估算困难等。电池的性能是很复杂的，不同类型的电池特性亦相差很大。 电池管理系统（BMS）主要就是为了能够提高电池的利用率，防止电池出现过充电和过放电，延长电池的使用寿命，监控电池的状态。随着电池管理系统的发展，也会增添其他的功能。 一般而言电动汽车电池管理系统要实现以下几个功能：首先，准确估测动力电池组的荷电状态，即电池剩余电量，保证SOC维持在合理的范围内，防止由于过充电或过放电对电池的损伤，从而随时预报混合动力汽车储能电池还剩余多少能量或者储能电池的荷电状态。 其次，动态监测动力电池组的工作状态。在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。 同时能够及时给出电池状况，挑选出有问题的电池，保持整组电池运行的可靠性和高效性，使剩余电量估计模型的实现成为可能。除此以外，还要建立每块电池的使用历史档案，为进一步优化和开发新型电、充电器、电动机等提供资料，为离线分析系统故障提供依据。 最后，实现单体电池间的均衡，即为单体电池均衡充电，使电池组中各个电池都达到均衡一致的状态。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。
    电芯安全失效分析及技术保障措施
    1.电芯内部正负极短路，生产设备保障能力是关键
7 f$ ^8 G9 H% z0 p    直接原因：电芯生产过程中有缺陷导致或因为长期振动外力使电芯变形所致。
    失效分析：生产过程中电芯内部正负极短路缺陷的剔除，是由生产线有关设备来保证的，如果设备保证不了，会出现批量产品质量问题。这对电池生产厂家而言是基本要求。我国已经对动力电池厂家实施了目录管理，基本可以保证合规的电池厂家不会出现批量产品质量问题。
/ Q' L% G' ?+ ~9 Y- t, ~6 ~    安全技术措施：将不合格的（电芯内部正负极短路）电芯筛选出来，其目标值是大于99.999%的。
3 }; j, T$ v3 r" d5 ]. [# r% H( d$ V  D* H    危险度：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。但是在电池生产厂家有充足保障能力下，发生的概率是很低的，即使发生了，整车生产厂家，自动灭火装置一定要发挥保障作用的。
9 G4 h! q+ k& L  e    2.电池单体漏液，执行工艺纪律到位是关键
; p' @2 n, `- I    直接原因：外力损伤；碰撞、安装不规范造成密封结构被破坏；焊接缺陷、封合胶量不足造成密封性能不好等。
    失效分析：与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。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。
    安全技术措施：严格工艺纪律，提高生产自动化水平。
7 G& P* f) _# G* V, M2 Y1 z    危险度：非常危险；电池漏液造成车着火事故的概率比电芯内部正负极短路概率要大几个数量级，这种外短路，外部保险要发挥作用的。
    3.电芯胀气鼓胀，生产现场环境（空气）指标达标是关键
) Y0 o! {4 v  e; }) k  M4 O6 ]+ V    直接原因：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。
    失效分析：生产线环境偏离规定要求。
    安全技术措施：在电芯生产过程严格控制水分，即可避免。
2 V0 |1 O0 }) ?$ ~    危险度：一旦发生电池胀气就会发生漏液等情况。这是产品生产质量中较为严重的质量问题，制定预防措施即可，同时严禁不合格的产品出厂。
; f" a  e' z( A- Y! u" E& l    4.容量一致性差，自动化生产线是关键
. v& g  Q5 L( r3 F3 G) u    直接原因：电池生产制造工艺技术能力不足，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。
9 C* f) }0 R1 `; O7 \    失效分析：一致性有具体技术指标，一旦低于指标规定，表明生产线质量保障体系问题严重，必须要进行改进措施，提高产品容量一致性是一个持续提高的过程。
    安全技术措施：加强过程管理、评审的措施，持续提高企业质量管理体系的能力。
    危险度：危险不会立刻发生。容量一致性差，厂家要及时进行质量改进，同时严禁不合格的产品出厂。
  B, @. L9 {" Y    电池管理系统（BMS）安全失效模式分析及技术保障措施
7 w  g6 t- b. x4 ?- x, Q& |) ], G    1.电压检测线失效及措施
    现象：电池过充，导致着火、爆炸；磷酸铁锂过充至5V以上大部分会冒烟，而三元电池一旦过充，会发生爆炸。
    原因：BMS电压（连接、压线过程或接触不良）电压检测线失效，导致电池过充电或过放电，充电或过放电造成。
# V+ c' d, Y! N9 K0 d) G; l    a）电解液分解释放出气体，从而导致电池鼓胀，严重的话甚至会冒烟起火；
    b）电池过放电会导致电池正极材料分子结构损坏，从而导致充不进去电；
    c）电池电压过低造成电解液分解，干涸发生析锂，引起电池内短路。
    措施：技术上选用高可靠性电压采集线，杜绝采集线接触不到位；管理上制定充电措施制度，责任落实到人。
* H0 W5 q! U" j% Z$ J. z0 Q    2.电流检测失效及措施
    现象：BMS采集不到电流，SOC无法计算，偏差大。
    原因：霍尔传感器失效，充电电流大，电芯内部发热大，会使隔膜固化容量衰减。
- v$ H# P2 N1 z+ L+ L8 p2 n! x    措施：选用高质量的霍尔传感器，确保安装质量合格。
    3.温度检测失效及措施
    现象：电池工作使用温度过高，易发生鼓胀、漏液，爆炸。
3 n* x) i6 l4 J3 J7 F+ B( O7 ]    原因：温度检测失效。
    措施：严格控制电池的工作温度在20-45摄氏度之间，避免电池低温充电析锂造成的短路以及高温热失控。
    4.绝缘监测失效及措施
    现象：可能发生人员触电。
    原因：动力电池发生变形或漏液的情况下都会发生绝缘失效。
    措施：对监测的传感器，必须要选用高质量、高可靠的产品。
! y- C" s* r% ?4 U' P  m    5.其他失效及措施
    （1）SOC估算偏差大，目前的检验标准要求都是5%以内，实际上难度较大。要持续提高精度。
7 _8 v/ H2 x7 z, r) H& j    （2）电磁兼容的抗电磁干扰能力不足，导致BMS通讯失效，如何保障到位，还有一定难度。产品同时要通过第三方强制检测。
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在电池充放电过程中，实时采集电动汽车蓄电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压，防止电池发生过充电或过放电现象。