杨梦华
（青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛266520）
0 引言
在低碳化、信息化、智能化的发展背景下，我国新能源汽车产业蓬勃发展。2020 年10 月，中国汽车工程学会牵头编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》，对未来发展指明了新的方向[1]。然而，电池问题仍是新能源汽车起火爆炸事故的主要原因，安全技术矛盾逐渐突出[2]。如何准确评价动力电池的安全现状，避免因电池故障导致安全事故发生，对推动新能源汽车安全具有重要意义。
目前，针对动力电池组故障研究较少，多数故障诊断方法基于硬件冗余和模型。Gu等[3]基于径向基函数（Radial Basis Function,RBF）神经网络设计出多种故障诊断系统，Xia 等[4]基于随机反向搜索（Randomized Backward Search, RBS）神经网络和反向传播（Back Propagation,BP）神经网络设计出一种获得故障诊断结果的方法，但未形成一套完整的故障诊断技术，且较少结合现行国家标准考虑动力电池外的影响因素。
因此，本文结合国内现行标准对动力电池进行可靠性分析，并结合分析结果提出针对性措施，对新能源汽车安全可靠发展提供参考依据。
1 新能源汽车典型事故类型分析
随着新能源汽车保有量的持续增加，因动力电池模块导致的事故逐年上升[5]，部分典型事故如表1 所示。
表1 2012—2022年新能源汽车典型事故
从典型事故案例分析得出，电池故障是新能源汽车火灾事故的主要原因之一。为此，从电池自身及外部件分析其典型故障类型。
1.1 电池自身运行故障
（1）过充故障
在充电过程中，由于充电故障或动力电池管理系统异常，导致部分电池单体处于过充状态，内部化学反应累积损耗，电池组热管理失控，产气量积聚，进而导致事故发生[6]。
（2）过放故障
当动力电池管理系统设计不合理、使用年限过长、电池组各模块间电流不均衡的特殊情况下，电池达到放电截止电压时未停止放电，且自放电速率持续增加，容量发生损耗或出现热稳定失衡状态，进而影响电池使用耐受性[7]。
（3）内短路故障
在电池制造过程中工艺不当，电极表面不光滑，导致隔膜刺破；或使用过程中电池受到高温、冲击等影响，造成隔膜失效[8]，都会导致动力电池正负极意外接触。据试验数据显示，高容量电池内短路风险更高[9]。
（4）外短路故障
当动力电池受到碰撞、浸水、泄露情况都会造成外短路现象[10]发生。由于外短路过程中外部负载电阻过小，瞬间电流过大，电池单体放热剧烈，产生的热量传播到周围单体，引发热失控现象[11]。
（5）过热故障
当过充、过放、短路、冷却系统失常故障发生时，电池会出现温度异常，阻抗增加，循环寿命减少，温度持续升高会增加热失控风险[12]，甚至发生燃烧爆炸事故。
（6）热失控故障
动力电池长期使用造成老化及突发事件可能会造成热失控事故发生。热失控诱因主要包括机械滥用、电滥用、热滥用3 种[13]。热失控状态下，动力电池内部副反应持续发生，释放大量热和气体，同时形成链式反应影响整车安全性能。
1.2 电池外部器件故障
（1）传感器故障
依靠灵敏的传感器可采集到可靠的电流、电压、温度数据，其中电流传感器故障会直接影响SOC 和多状态估计的准确性[14]，温度和电压传感器故障会导致热管理失控或均衡误差。
（2）电池连接件故障
随着车辆驾驶使用和外界工况复杂变化，电池端子之间的连接可能会松动或被腐蚀，进而导致连接故障。当电池间出现虚接情况，电池输出功率会出现不足，电阻增加并导致焦耳热失控，进而造成安全事故。
（3）冷却系统故障
动力电池通过冷却系统及时散出电池反应产生的热量，如果冷却系统故障，无法及时将电池内部产热散出，导致电池无法在正常温度范围内运行，当电池单体温度达到危险临界点时，会引发副反应连锁进行，导致热失控，进而引发燃烧爆炸事故。
2 动力电池故障原因分析与快速分析技术建模
2.1 动力电池故障成因分析
结合现行国家标准，总结动力电池故障原因技术（Fast Technology for Analysis,FTA）分析可能导致动力电池故障的主要原因，本文依据的具体标准如下，具体事故原因如表2所示。
表2 动力电池故障原因分析
（1）《锂电池组危险货物危险特性检验安全规范》GB 19521.11—2005[15]；
（2）《原电池 第4 部分：锂电池的安全要求》GB 8897.4—2008[16]；
（3）《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及及试验方法》GB/T 31484—2015[17]；
（4）《电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法》GB/T 31486—2015[18]；
（5）《电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸》GB/T 34013—2017[19]；
（6）《锂离子电池生产设备通用技术要求》GB/T 38331—2019[20]；
（7）《电动汽车灾害事故应急救援指南》GB/T 38283—2019[21]；
（8）《城市公共设施电动汽车充换电设施运营管理服务规范》GB/T 37293—2019[22]；
（9）《城市公共设施电动汽车充换电设施安全技术防范系统要求》GB/T 37295—2019[23]；
（10）《电动汽车安全要求》GB 18384—2020[24]；
（11）《燃料电池电动汽车 安全要求》GB/T 24549—2020[25]；
（12）《电动汽车用电池管理系统功能安全要求及试验方法》GB/T 39086—2020[26]；
（13）《电动汽车用动力蓄电池安全要求》GB 38031—2020[27]；
（14）《原电池第1部分：总则》GB/T 8897.1—2021[28]；
（15）《电动汽车用电池管理系统技术条件》GB/T 38661—2020[29]；
（16）《电力变压器冷却系统PLC 控制装置技术要求》GB/T 37761—2019[30]。
2.2 动力电池故障树构建
故障树分析[31]是对系统进行可靠性分析的主要方法之一。结合上述动力电池主要故障及其原因构建动力电池故障树，具体如图1所示。
图1 动力电池故障树
3 动力电池故障层次分析模型构建与分析
3.1 动力电池故障层次分析模型构建
运用层次分析法（Analystic Hierarchy Process,AHP）结合故障分析原因，以动力电池故障为目标层，将下层故障作为准则层，细化原因作为方案层，构建动力电池故障层次分析模型，具体模型如图2所示。
图2 动力电池故障层次分析模型
3.2 动力电池故障评估指标权重计算
在层次分析模型的基础上，运用两两比较的方法，构造判断矩阵，收集专家打分结果，对指标进行矩阵构造和量化处理，其中，wi表示所求故障的权重值；λmax表示故障判断矩阵的最大特征值。以专家1 打分结果为例进行分析，详见表3。
表3 动力电池故障判断矩阵
通过对动力电池故障判断矩阵计算分析发现，内短路故障所占权重最大，达0.338 1，超过全部故障的33%；外短路故障所占权重次之，达0.287 0，近33%；过充事故所占权重次之，达0.134 6；其余5 种故障所占权重之和达0.240 3。结合动力电池故障树分析可知，所占权重最高内短路故障、外短路故障、过充故障3类故障属于热失控故障，因此预防动力电池故障关键在于防止动力电池热失控的发生。
通过对内短路故障判断矩阵计算分析发现，挤压所占权重最大，达0.316 3，近全部故障的33%；振动冲击所占权重次之，达0.224 7，近25%；热冲击所占权重次之，达0.167 8；其余6 种故障所占权重之和达0.291 1。结合动力电池故障树分析可知，所占权重最高的挤压、振动冲击、热冲击3类故障属于特殊事件，因此预防内短路故障关键在于防止特殊事件的发生，详见表4。
表4 内短路故障判断矩阵
通过对外短路故障判断矩阵计算分析发现，撞击或碰撞所占权重最大，达0.652 7，近全部故障的66%；浸水所占权重次之，达0.285 1，近33%；外部短路保护失效所占权重次之，达0.062 3。结合动力电池故障树分析可知，预防外短路故障关键在于防止撞击事故的发生，详见表5。
表5 外短路故障判断矩阵
通过对过放故障判断矩阵计算分析发现，人员放电操作失误所占权重最大，达0.498 8，约占全部故障的50%；过流放电保护失效所占权重次之，达0.203 4，近25%；放电电流与电压管理失效所占权重次之，达0.126 6；低电量提示失效所占权重达0.044 6。结合动力电池故障树分析可知，预防过放故障关键在于加强驾驶员及工作技术人员的充电操作技术，详见表6。
表6 过放故障判断矩阵
通过对连接故障判断矩阵计算分析发现，人员操作异常所占权重最大，达0.431 0，约占全部故障的50%；充换电设备设施异常所占权重次之，达0.323 5，约占33%；其余2 种故障所占权重之和达0.245 6。结合动力电池故障树分析可知，预防连接故障关键在于加强工作技术人员的连接操作技术，详见表7。
表7 连接故障判断矩阵
通过对冷却系统故障判断矩阵计算分析发现，碰撞等导致机械性能异常所占权重最大，达0.543 6，超过全部故障的50%；监控或告警系统异常所占权重次之，达0.184 6，约占20%；其余3 种故障所占权重之和达0.271 9。结合动力电池故障树分析可知，预防冷却系统故障关键在于防止碰撞事故发生，详见表8。
表8 冷却系统故障判断矩阵
通过对消防故障判断矩阵计算分析发现，应急措施采取不当所占权重最大，达0.511 5，超过全部故障的50%；人员安全及消防意识不到位所占权重次之，达0.229 9，约占25%；其余3 种故障所占权重之和达0.258 6。结合动力电池故障树分析可知，预防消防故障关键在于加强应急管理培训，减少应急措施采取不当的情况，详见表9。
表9 消防故障判断矩阵
通过对过充故障判断矩阵计算分析发现，人员充电作业操作不当所占权重最大，达0.354 8，超过全部故障的33%；过充电保护失效所占权重次之，达0.322 5，约占33%；其余3 种故障所占权重之和达0.322 7。结合动力电池故障树分析可知，预防过充故障关键在于加强工作技术人员的充电操作技术，详见表10。
表10 过充故障判断矩阵
通过对过热故障判断矩阵计算分析发现，热滥用所占权重最大，达0.471 1，约占全部故障的50%；过热防护失效所占权重次之，达0.224 6，约占33%；其余3种故障所占权重之和达0.304 3。结合动力电池故障树分析可知，预防过热故障关键在于防止热滥用现象的发生，详见表11。
表11 过热故障判断矩阵
4 动力电池可靠性优化建议
综合分析计算5 位专家提交的判断矩阵，取各指标平均值作为最终权重，并进行归一化处理。通过对权重更进一步分析发现，影响动力电池故障基础原因可从“人”、“机”、“环”、“管”4 方面进一步归纳。综合5 位专家打分结果，最终确定指标权重如表12所示。
表12 动力电池故障指标权重
从影响动力电池故障因素分析，机器因素所占权重高达0.846 5，超过整体的80%；人为因素所占权重次之，达0.081 0。因此要预防动力电池故障要尽量防止机器本身出现故障，避免碰撞、挤压、浸水等特殊事件的发生，提高故障保护性能。
5 结束语
本文基于FTA 和AHP 对动力电池故障进行深入分析，主要结论如下：
（1）结合2012—2022 年典型新能源汽车事故，概况动力电池主要故障类型，利用16 项国内外现行标准，深入分析导致故障的主要成因，构建动力电池故障树模型，为动力电池安全研究提供理论依据。
（2）构建动力电池故障层次分析模型，收集专家打分数据，计算各指标权重，明确各故障最危险影响因素，定位内短路故障、外短路故障、过充故障为动力电池安全最薄弱环节。
（3）基于FTA 和AHP 可靠性分析结果，从“人”、“机”、“环”、“管”4方面提出提高动力电池可靠性的关键在于提高机器本身安全性能。
