動(dòng)力電池單體電壓采樣失效分析

凌陽陽　葛俊良　李彬　黃祖朋　邵杰

摘 要：電壓采樣模塊是電池管理系統(tǒng)監(jiān)控動(dòng)力電池健康的重要手段，需要重視并分析電壓采樣常見的失效模式。通過分析失效模式，了解失效機(jī)理，可以從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等源頭抑制故障發(fā)生。文章從分析單體電壓采樣失效模式、采樣失效分析手段出發(fā)，闡述了常見的導(dǎo)致單體電壓采樣失效的原因，并基于日常工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了單體電壓采樣失效的分析手段。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 電壓采樣 采樣失效

Failure Analysis of Voltage Sampling in Power Battery Cell

Ling Yangyang Ge Junliang Li Bin Huang Zupeng Shao Jie

Abstract：The voltage sampling module is an important means for the battery management system to monitor the health of the power battery. It is necessary to pay attention to and analyze the common failure modes of voltage sampling. Through the analysis of the failure modes， the article hopes to understand the failure mechanism， and suppresses the occurrence of failures from the sources such as design and production process. Starting from the analysis of cell voltage sampling failure modes and sampling failure analysis methods， this article explains the common causes of cell voltage sampling failures， and summarizes the cell voltage sampling failure analysis methods based on daily work experience.

Key words：power battery， voltage sampling， sampling failure

1 引言

電池是純電動(dòng)汽車動(dòng)力的唯一來源，電池技術(shù)的好壞直接影響著電動(dòng)汽車的整體性能，包括續(xù)航能力、動(dòng)力性等[1]，因此，電池的安全問題也不容忽視。在車輛使用過程中，為了保證電池的健康使用，動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池單體的電壓，避免電池過充過放。根據(jù)電池管理的控制策略，整車行駛或者是充電的過程中出現(xiàn)電池單體采樣丟失或者采樣異常（電壓過低、過高等），均會(huì)采取一定的故障處理措施如限制電池包輸出功率或者停止充電等。電池包的電池單體采樣模塊涉及電池單體、模組、采樣芯片、線束及其插件等，任一模塊失效都會(huì)導(dǎo)致采樣功能模塊的失效，但主要失效多體現(xiàn)在芯片、線束及插件上。

2 單體電壓采樣失效

動(dòng)力電池組是由很多節(jié)單體電池串并聯(lián)而來的，在動(dòng)力電池使用過程中BMS需要實(shí)時(shí)監(jiān)控單體每一節(jié)單體電池的電壓信息用于SOC計(jì)算、安全監(jiān)控、故障診斷等，當(dāng)單體電壓采樣功能喪失時(shí)，如采集電壓為0、采集電壓比實(shí)際偏高或偏低等與實(shí)際單壓不符等情況，通常把這種喪失規(guī)定功能的狀態(tài)叫做“失效”或者“故障”。

3 單體電壓采樣失效模式

3.1 采集芯片損壞

采集芯片損壞多是因?yàn)檫^芯片電流超過芯片最大耐受電流，導(dǎo)致芯片出現(xiàn)不可逆的損傷，進(jìn)而導(dǎo)致采樣功能失效。所以，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮過電壓的情況，可通過增加TVS管實(shí)現(xiàn)快速過壓保護(hù)，防沖擊。

3.2 菊花鏈通訊故障

目前市場(chǎng)上的單體采樣芯片大多都支持SPI和菊花鏈兩種通信方式。但SPI通信方式需要四通道高速光耦隔離芯片和DC-DC隔離電源，硬件上的成本比較高。菊花鏈通信作為電池管理芯片廠商現(xiàn)階段推出的主要通信方式，可以有效的降低單體電壓采集的成本，只需要使用一個(gè)隔離變壓器便可以實(shí)現(xiàn)兩片芯片間的數(shù)據(jù)通訊[2]。在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，采樣芯片間多會(huì)增加電阻串行于通訊回路中，當(dāng)該通訊回路電阻失效時(shí)，串接在該電阻后的芯片通訊異常，無法將采集到的單體電壓回傳至MCU，從而導(dǎo)致電壓采集丟失，引發(fā)電壓采樣失效。

3.3 線束失效

線束及插件是單體電壓采樣模塊重要部分，且也是較易失效的部分。線束制造大部分采用人工操作，是一種自動(dòng)化程度較低、勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，影響線束標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，因此線束制造過程中的失效是一種隨機(jī)、不可控的失效方式[3]。線束一般由導(dǎo)線、端子、卡扣、接插件等構(gòu)成，線束失效導(dǎo)致單體電壓采樣異常一般有以下幾種模式：

（1）BMS板子端線束插件未接，導(dǎo)致該線束對(duì)應(yīng)的單體電壓值均為0;

（2）BMS板子端線束插件未插緊，車輛運(yùn)行中振動(dòng)顛簸及固定線束扎帶應(yīng)力作用造成偶發(fā)性的阻抗偏大，導(dǎo)致電壓采集異常;

（3）線束端子有膠塵，導(dǎo)致接觸阻抗變大，電壓采樣丟失;

（4）線束鎖定端子彈片變形，電壓采樣丟失，可通過晃動(dòng)接插件復(fù)現(xiàn)故障;

（5）線束接插件退針導(dǎo)致電壓采樣異常，可通過晃動(dòng)接插件復(fù)現(xiàn);

（6）FPC（柔性電路板）斷裂，導(dǎo)致電壓采集在正常采集和虛連接間跳動(dòng)，如圖1;

（7）電池模組上的FPC鎳片焊接失效或漏焊導(dǎo)致電壓采樣異常;

（8）電壓采集線束焊接失效/破損導(dǎo)致電壓采樣跳動(dòng)，該失效多需通過X光檢測(cè)來確認(rèn)失效機(jī)理，如圖2;

3.4 電池組鋁排連接松動(dòng)

當(dāng)串聯(lián)連接電池組的鋁排或銅排不牢固、松動(dòng)時(shí)（如圖3所示），當(dāng)連接不牢固時(shí)，兩個(gè)接觸端點(diǎn)之間會(huì)有一個(gè)接觸電阻，產(chǎn)生一個(gè)電壓降。當(dāng)電池組放電時(shí)，電流經(jīng)過該接觸電阻便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓降，此時(shí)采集芯片采集端的電壓受該壓降的影響，電壓采集偏小，引發(fā)電壓采樣失效。如果該接觸電阻過大，且放電電流又很大的時(shí)候，很可能會(huì)導(dǎo)致采集芯片端的穩(wěn)壓二極管因正向?qū)ㄟ^流燒損，進(jìn)而電壓采樣丟失，采集電壓值為0。

3.5 PCAB板故障

電壓采集子板上涉及多個(gè)零件，如電阻，隔離變壓器等，PCB板子故障、電阻失效（圖4）、隔離變壓器失效、零件焊接失效等也會(huì)導(dǎo)致電壓采樣異常。

4 單體電壓采樣失效分析手段

4.1 收集失效現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

電池包出現(xiàn)單體電壓采樣功能失效的時(shí)候，整車表現(xiàn)多為跛行、切斷高壓、斷開充電。收到故障問題反饋后，需第一時(shí)間到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，通過故障車輛復(fù)現(xiàn)失效現(xiàn)場(chǎng)，收集失效數(shù)據(jù)，分析電池包單體電壓表現(xiàn)。

4.2 確定失效分析方案

通過收集失效現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，初步推測(cè)可能的失效模式和失效機(jī)理。以電池包為主體，圍繞“5W2H”：Who，對(duì)象; When，時(shí)間;Where，地點(diǎn);What，故障現(xiàn)象;Why，原因;How，如何排查;How much，數(shù)量，確定分析方案。

4.3 分析失效機(jī)理

某些引起單體電壓采樣失效的原因，如鋁排松動(dòng)、線束接插件未插、線束接插不到位等，通過拆包，物理排查后即可鎖定失效機(jī)理。但是一些如電阻失效、焊接失效等則需退回故障件，通過拍X光、震動(dòng)測(cè)試、剖切面技術(shù)、鏡檢技術(shù)等分析具體故障原因。當(dāng)失效原因鎖定為模組內(nèi)部故障時(shí)，優(yōu)先進(jìn)行非破壞性分析，破壞性分析只能作為失效分析的補(bǔ)充手段。對(duì)于一些復(fù)雜的失效機(jī)理，在開始分析前還需建立故障樹，逐級(jí)分析排查，最終鎖定失效原因。

4.4 驗(yàn)證失效機(jī)理

當(dāng)鎖定失效機(jī)理后，需要通過特殊的手段，復(fù)現(xiàn)失效模式。如線束焊接失效，需模擬線束焊接失效的操作，當(dāng)使用焊接失效的采樣線束后，單體電壓采樣出現(xiàn)異常。

4.5 確定失效機(jī)理

失效機(jī)理經(jīng)過驗(yàn)證復(fù)現(xiàn)后才能鎖定為引起失效的最終原因。

4.6 提出改進(jìn)措施

明確電壓采樣的失效機(jī)理后，需要從設(shè)計(jì)上、生產(chǎn)工藝上進(jìn)行改進(jìn)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)以抑制外部原因?qū)е碌氖Вㄟ^優(yōu)化產(chǎn)線生產(chǎn)工藝以抑制材料本身或人為引起的失效。只有持續(xù)不斷的改進(jìn)，才能降低失效的概率。

4.7 驗(yàn)證措施

引入改進(jìn)措施后，需要驗(yàn)證一定的樣本數(shù)量，確保措施有效。

4.8 跟蹤關(guān)閉

跟蹤驗(yàn)證措施長(zhǎng)期有效后才能將問題關(guān)閉。

5 結(jié)語

導(dǎo)致電壓采樣失效的原因有很多，文章只是針對(duì)一些易發(fā)生的失效原因進(jìn)行闡述。在分析電壓采樣失效時(shí)，需要遵循科學(xué)的分析手段，形成過程記錄和分析報(bào)告，最終得出失效原因和抑制措施，保障動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全和可靠。

基金項(xiàng)目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)資助項(xiàng)目（桂科AA18242039）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019AD10202）

參考文獻(xiàn)：

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[2]傅萬春. 基于MC33771的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 2018.

[3]高英，杜沛. 汽車線束設(shè)計(jì)失效模式及可靠性研究[C]// 第十六屆河南省汽車工程科技學(xué)術(shù)研討會(huì).