動力電池單體電壓采樣失效分析

2021-04-09 05:50:35凌陽陽葛俊良李彬黃祖朋邵杰

時代汽車 2021年6期

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監控動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，了解失效機理，可以從設計、生產工藝等源頭抑制故障發生。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，闡述了常見的導致單體電壓采樣失效的原因，并基于日常工作經驗總結了單體電壓采樣失效的分析手段。

關鍵詞：動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

電池是純電動汽車動力的唯一來源，電池技術的好壞直接影響著電動汽車的整體性能，包括續航能力、動力性等[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，動力蓄電池管理系統會實時監控電池單體的電壓，避免電池過充過放。根據電池管理的控制策略，整車行駛或者是充電的過程中出現電池單體采樣丟失或者采樣異常（電壓過低、過高等），均會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，任一模塊失效都會導致采樣功能模塊的失效，但主要失效多體現在芯片、線束及插件上。

2 單體電壓采樣失效

動力電池組是由很多節單體電池串并聯而來的，在動力電池使用過程中BMS需要實時監控單體每一節單體電池的電壓信息用于SOC計算、安全監控、故障診斷等，當單體電壓采樣功能喪失時，如采集電壓為0、采集電壓比實際偏高或偏低等與實際單壓不符等情況，通常把這種喪失規定功能的狀態叫做“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為過芯片電流超過芯片最大耐受電流，導致芯片出現不可逆的損傷，進而導致采樣功能失效。所以，在設計電路時需要考慮過電壓的情況，可通過增加TVS管實現快速過壓保護，防沖擊。

3.2 菊花鏈通訊故障

目前市場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，只需要使用一個隔離變壓器便可以實現兩片芯片間的數據通訊[2]。在進行電路設計時，采樣芯片間多會增加電阻串行于通訊回路中，當該通訊回路電阻失效時，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，從而導致電壓采集丟失，引發電壓采樣失效。

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，是一種自動化程度較低、勞動密集型產業，影響線束標準化生產，因此線束制造過程中的失效是一種隨機、不可控的失效方式[3]。線束一般由導線、端子、卡扣、接插件等構成，線束失效導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，導致該線束對應的單體電壓值均為0;

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

（3）線束端子有膠塵，導致接觸阻抗變大，電壓采樣丟失;

（4）線束鎖定端子彈片變形，電壓采樣丟失，可通過晃動接插件復現故障;

（5）線束接插件退針導致電壓采樣異常，可通過晃動接插件復現;

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

（7）電池模組上的FPC鎳片焊接失效或漏焊導致電壓采樣異常;

（8）電壓采集線束焊接失效/破損導致電壓采樣跳動，該失效多需通過X光檢測來確認失效機理，如圖2;

3.4 電池組鋁排連接松動

當串聯連接電池組的鋁排或銅排不牢固、松動時（如圖3所示），當連接不牢固時，兩個接觸端點之間會有一個接觸電阻，產生一個電壓降。當電池組放電時，電流經過該接觸電阻便會產生一個電壓降，此時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候，很可能會導致采集芯片端的穩壓二極管因正向導通過流燒損，進而電壓采樣丟失，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導致電壓采樣異常。

4 單體電壓采樣失效分析手段

4.1 收集失效現場數據

電池包出現單體電壓采樣功能失效的時候，整車表現多為跛行、切斷高壓、斷開充電。收到故障問題反饋后，需第一時間到達現場，通過故障車輛復現失效現場，收集失效數據，分析電池包單體電壓表現。

4.2 確定失效分析方案

通過收集失效現場的數據，初步推測可能的失效模式和失效機理。以電池包為主體，圍繞“5W2H”：Who，對象; When，時間;Where，地點;What，故障現象;Why，原因;How，如何排查;How much，數量，確定分析方案。

4.3 分析失效機理

某些引起單體電壓采樣失效的原因，如鋁排松動、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、震動測試、剖切面技術、鏡檢技術等分析具體故障原因。當失效原因鎖定為模組內部故障時，優先進行非破壞性分析，破壞性分析只能作為失效分析的補充手段。對于一些復雜的失效機理，在開始分析前還需建立故障樹，逐級分析排查，最終鎖定失效原因。

4.4 驗證失效機理

當鎖定失效機理后，需要通過特殊的手段，復現失效模式。如線束焊接失效，需模擬線束焊接失效的操作，當使用焊接失效的采樣線束后，單體電壓采樣出現異常。

4.5 確定失效機理

失效機理經過驗證復現后才能鎖定為引起失效的最終原因。

4.6 提出改進措施

明確電壓采樣的失效機理后，需要從設計上、生產工藝上進行改進。通過優化設計以抑制外部原因導致的失效，通過優化產線生產工藝以抑制材料本身或人為引起的失效。只有持續不斷的改進，才能降低失效的概率。

4.7 驗證措施

引入改進措施后，需要驗證一定的樣本數量，確保措施有效。

4.8 跟蹤關閉

跟蹤驗證措施長期有效后才能將問題關閉。

5 結語

導致電壓采樣失效的原因有很多，文章只是針對一些易發生的失效原因進行闡述。在分析電壓采樣失效時，需要遵循科學的分析手段，形成過程記錄和分析報告，最終得出失效原因和抑制措施，保障動力電池系統的安全和可靠。