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2023年 第9期杨梦华（青岛理工大学机械与汽车工程学院，青岛 266520）【摘要】为保证新能源汽车安全发展，针对其关键部件动力电池展开深入研究，对导致电池故障主要原因进行有效识别，针对性提出优化建议，提高其可靠性。首先，分析动力电池故障主要类别，结合16项国内现行标准规范，基于故障树分析法建立动力电池故障树；其次，基于层次分析法构建动力电池故障层次分析模型，通过专家调查法确定各指标权重；最后，根据计算结果对动力电池提出优化建议，为新能源汽车动力电池可靠性发展提供理论依据和指导建议。关键词：新能源汽车；动力电池；故障树分析法；层次分析法；可靠性中图分类号：U262文献标识码：ADOI:10.19822/ki.1671-6329.20220156Analysis and Optimization of Power Battery Reliability for New EnergyVehiclesYang Menghua（School of Mechanical and Automotive Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266520）【Abstract】In order to ensure the safe development of New Energy Vehicle(NEV),an in-depth study is conducted onthe power batteries to effectively identify the main causes of battery failure and put forward targeted suggestions.Firstly,themain categories of power battery failure are analyzed and a power battery fault tree is established based on the fault tree bycombining 16 existing domestic standards.Secondly,based on the hierarchical analysis method,a power battery faulthierarchy analysis model is constructed and the weights of each index are determined by the expert survey method.Finally,the optimization suggestions for the power battery are made according to the calculation results.The article intends toprovide theoretical basis and guidance suggestions for the development of power battery reliability design of new energyvehicles.Key words:New Energy Vehicles(NEV),Power Battery,FTA,AHP,Reliability新能源汽车动力电池可靠性分析及优化【欢迎引用】杨梦华.新能源汽车动力电池可靠性分析及优化J.汽车文摘,2023(9):28-35.【Cite this paper】YANG M H.Analysis and Optimization of Power Battery Reliability for New Energy VehiclesJ.Automotive Digest(Chinese),2023(9):28-35.0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（RandomizedBackward Search,RBS）神经网络和反向传播（BackPropagation,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。汽车文摘28汽 车 文 摘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。表120122022年新能源汽车典型事故序号12345678910111213141516171819时间2012年5月2013年10月2013年11月2014年2月2014年7月2015年4月2015年11月2016年1月2016年9月2017年2月2018年1月2018年8月2019年3月2019年8月2020年4月2020年5月2021年5月2021年11月2022年3月地点深圳美国美国加拿大美国深圳深圳挪威荷兰广州重庆广州深圳杭州深圳杭州江苏北京深圳车型比亚迪E6特斯拉Model S特斯拉Model S特斯拉Model S特斯拉Model S五洲龙A10比亚迪E6特斯拉Model S特斯拉Model S特斯拉Model X特斯拉Model S力帆650EV北汽威旺407众泰云100陆地方舟Z3理想ONE长安奔奔EV比亚迪秦Pro EV小鹏G3事故现象行驶过程中发生碰撞，起火行驶过程中发生碰撞，起火行驶过程中，自燃静置过程中，自燃撞上路边灯柱，发生起火充电期间，突然起火行驶过程中发生碰撞，起火充电期间，突然起火撞上路边树木，突然起火行驶过程中发生碰撞，起火未充电、未碰撞，自燃静置路边，自燃充电期间，突然燃烧静置期间，起火燃烧充电期间，突然自燃静置期间，突然自燃行驶过程中发生碰撞，起火充电期间，突然自燃静置期间，突然自燃事故原因碰撞碰撞，电池故障电池故障自燃碰撞充电故障碰撞充电故障碰撞碰撞电池故障电池浸水故障充电故障电池碰撞故障充电故障电池短路故障碰撞充电故障自燃Automotive Digest292023年 第9期（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。（1）锂电池组危险货物危险特性检验安全规范GB 19521.11200515；（2）原电池 第 4 部分：锂电池的安全要求 GB8897.4200816；（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 31484201517；（4）电动汽车用动力蓄电池电性能要求及试验方法 GB/T 31486201518；（5）电动汽车用动力蓄电池产品规格尺寸 GB/T 34013201719；（6）锂离子电池生产设备通用技术要求 GB/T38331201920；（7）电动汽车灾害事故应急救援指南 GB/T38283201921；（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 37293201922；（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 37295201923；（10）电动汽车安全要求 GB 18384202024；（11）燃 料 电 池 电 动 汽 车 安 全 要 求GB/T24549202025；（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 39086202026；（13）电动汽车用动力蓄电池安全要求 GB38031202027；（14）原电池第1部分：总则 GB/T 8897.1202128；（15）电动汽车用电池管理系统技术条件 GB/T38661202029；（16）电力变压器冷却系统PLC控制装置技术要求 GB/T 37761201930。故障类型过充过放内短路外短路过热故障表现当电池完成充电后继续进行充电，无保护或保护不及时引发热失控当电池完成放电后继续进行放电，动力电池损坏报废，车辆动力动力电池正负极意外接触，发生泄漏、泄放、破裂、着火、爆炸等危险电池受到外部因素干扰，导致过热、破裂、着火、爆炸等危险当电池温度超过预期后持续升高，无保护或保护不及时引发泄漏、泄放、爆炸、起火等危险分析依据/标准序号和章节（8）8.2（8）8.2（12）A.2（12）A.2（13）8.2（10）5.2（12）A.2（12）A.2（13）8.2（1）5.1（2）6.4（13）8.2（1）5.1（2）6.4（4）6.3（13）8.2（15）5.9（1）5.1（3）5.2（4）6.3（2）6.4（2）6.5（2）6.5（13）8.1（2）附录B（14）4.1（6）7.4（13）8.2（2）6.5（7）8.1（11）B.3（10）5.4（6）7.4（7）8.1（10）6.3（13）8.2（13）8.2（2）6.4（10）5.2（12）A.2（12）A.2（13）8.1,8.2（15）5.9（13）8.2主要原因人员操作不当电池连接件异常充电电流管理失效充电电压管理失效过充电保护失效低电量提示失效放电电压管理失效放电电流管理失效过放电保护失效长时间低气压环境下工作振动冲击电池电容过低热冲击电池安装不正确挤压电池电路设计不合理电池制备工艺存在缺陷过流保护失效撞击或碰撞浸水外部短路保护失效热滥用热事件报警失效充电温度管理失效放电温度管理失效环境温度过高过热防护失效表2动力电池故障原因分析汽车文摘30汽 车 文 摘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。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。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；max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。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0.2911。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。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。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。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。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。热失控传感器失效连接失效冷却系统失效消防措施不及时电池放热连锁反应导致温度不可控地上升，进而导致起火、冒烟、爆炸等危险，释放大量有毒、有害气体影响数据信号采集准确性电池出现虚接情况，充电或放电出现异常无法将电池内部产生的热量及时散出，引发热失控等危险电池发生故障时未及时采取消防措施，危险进一步扩大（12）6.2（12）6.2（12）6.2（12）6.2（15）5.10，6.8（16）4.13（15）5.10，6.8（16）4.13（15）5.10，6.8（16）4.13（15）5.9,6.7（6）7.4（8）5，6（9）4.1（8）7，8（9）8.1（10）5.1（16）4.6（16）4.11（16）6.2（16）6.2（16）6.2（8）7.6（8）7.6（8）7.6（8）7.6（11）B.2电池单体过充电电池单体过放电后充电电池单体过热动力电池系统过热传导干扰辐射干扰静电干扰环境异常通信网络接口协议异常充换电设备设施异常人员操作异常，处理不规范连接器异常监控或告警系统异常冷却器启动异常环境异常碰撞等导致机械性能异常电源异常无法正常通电人员安全及消防意识不到位未定期开展安全检查工作消防设施不健全或无法使用应急措施采取不当报警装置异常未启动Automotive Digest312023年 第9期图1动力电池故障树图2动力电池故障层次分析模型AB1B2B3B4B5B6B7B8一致性比例：0.093 6；对“动力电池故障”的权重：1.000 0；max：8.924 2B111/21/71/91/61/61/51/5B2211/71/91/61/61/51/5B37711/34465B499315565B5661/41/51133B6661/41/51133B7551/61/61/31/311/4B8551/51/51/31/341Wi0.338 10.287 00.026 40.017 70.053 80.053 80.134 60.088 6表4内短路故障判断矩阵B1C11C12C13C14C15C16C17C18C19一致性比例：0.097 0；对“动力电池故障”的权重：0.338 1；max：10.133 5C1117451/31/41/41/72C121/711/231/41/61/81/61/4C131/42141/41/61/61/71/4C141/51/31/411/41/61/71/71/5C15344411/321/44C16466631215C1748671/21/2114C18767741116C191/24451/41/51/41/61Wi0.075 60.224 70.167 80.316 30.043 60.022 80.032 70.021 90.094 5冷却系统故障冷却故障消防故障火灾事故动力电池故障热失控故障过热故障过充故障环境温度过高温 度 设 备 失 效充 电 设 备 失 效热滥用人员充电作业操作不当工 作 人 员 操 作 失 误消 防 设 施 异 常传感器故障冷 却 器 启 动 异 常过放故障动力丧失连接故障放电设备失效过滤故障内短路故障特殊事件外短路故障人员放电作业操作不当过充后放电通信网络接口协议异常充换电设备设施异常人员操作异常连接器异常过放电保护失效放电电流管理失效放电电压管理失效低电量提示失效电池自身或设计存在撞击或碰撞浸水外部短路保护失效监控或报警系统异常环境异常传导干扰辐射干扰静电干扰环境异常碰撞等导致机械性能异常电器异常无法正常通电消防设备不健全或无法使用报警设备不健全或无法使用人员安全及消防意识不到位未定期开展安全监察工作应急措施采取不当电池连接件异常充电电流管理失效充电电压管理失效过充电保护失效充电温度管理失效放电温度管理失效过热防护失效长时间在低气压环境下工作振动冲击热冲击热压电池电容过低电池安装不正确电池电路设计不合理电池制备工艺存在缺陷过滤保护失效长时间在低气压环境下工作C11振动冲击C12热冲击C13挤压C14电池电容过低C15电池安装不正确C16电池电路设计不合理C17电池制备工艺存在缺陷C18过流保护失效C19撞击或碰撞C21浸水C22外部短路保护失效C23人员放电操作不当C31低电量提示失效C32放电电压管理失效C33放电电流管理失效C34过放电保护失效C35通信网络接口协议异常C41充换电设备设施异常C42人员操作异常C43连接器异常C44连接故障B4过放故障B3外短路故障B2内短路故障B2动力电池故障A冷却系统故障B5消防故障B6过充故障B7过热故障B8监控或告警系统异常C51环境异常C52碰撞等导致机械性能异常C53电源异常无法正常通电C54传感器故障C55消防设施不健全或无法使用C61报警装置异常或无法启动C62人员安全及消防意识不到位C63未定期开展安全监察工作C64应急措施采取不当C65人员充电作业操作不当C71电池连接件异常C72充电电流管理失效C73充电电压管理失效C74过充电保护失效C75热滥用C81环境温度过高C82充电温度管理失效C83放电温度管理失效C84过热防护失效C85表3动力电池故障判断矩阵汽车文摘32汽 车 文 摘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。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0.3225，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。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。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5外短路故障判断矩阵B2C21C22C23一致性比例：0.070 7；对“动力电池故障”的权重：0.287 0；max：3.073 5C2111/31/8C22311/6C23861Wi0.652 70.285 10.062 3B3C31C32C33C34C35一致性比例：0.044 1；对“动力电池故障”的权重：0.026 4；max：5.197 5C3111/61/41/41/4C3261445C3341/4112C3441/4112C3541/51/21/21Wi0.498 80.044 60.126 60.126 60.203 4表6过放故障判断矩阵B4C41C42C43C44一致性比例：0.078 9；对“动力电池故障”的权重：0.017 7；max：4.2106C411331/3C421/3121/4C431/31/211/3C443431Wi0.159 10.323 50.431 00.086 5表7连接故障判断矩阵B5C51C52C53C54C55一致性比例：0.080 2；对“动力电池故障”的权重：0.053 8；max：5.359 1C5111/541/21/2C5251833C531/41/811/61/5C5421/3611/4C5521/3541Wi0.184 60.041 70.543 60.14 70.083 2表8冷却系统故障判断矩阵表9消防故障判断矩阵B6C61C62C63C64C65一致性比例：0.081 7；对“动力电池故障”的权重：0.053 8；max：5.366 1C6111/231/36C622131/34C631/31/311/54C6433515C651/61/41/41/51Wi0.114 50.094 20.229 90.049 90.511 5表10过充故障判断矩阵B7C71C72C73C74C75一致性比例：0.066 9；对“动力电池故障”的权重：0.134 6；max：5.299 9C7111/41/21/31/2C7241445C7321/4114C7431/4113C7521/51/41/31Wi0.354 80.051 40.138 70.132 60.322 5表11过热故障判断矩阵B8C81C82C83C84C85一致性比例：0.028 8；对“动力电池故障”的权重：0.088 6；max：5.129 1C8111/51/41/41/3C8251335C8341/3112C8441/3112C8531/51/21/21Wi0.471 10.053 90.125 20.125 20.224 6Automotive Digest332023年 第9期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20122022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。参考文献1 中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图2.0M.北京:机械工程出版社,2020.2 WANG Q S,PING P,ZHAO X J,et al.Thermal runawaycaused fire and explosion of lithium ion batteryJ.Journalof Power Sources,2012,208(24):210-224.3 古昂,张向文.基于RBF神经网络的动力电池故障诊断系统研究J.电源技术,2016,40(10):1943-1945.4 FEI X,MA X,LUO Z,et al.Application of improved D-Sevidence theory in fault diagnosis of lithium batteries inelectric vehiclesJ.CAAI Transactions on Intelligent Systems,2017.5 陈泽宇,熊瑞,孙逢春.电动汽车电池安全事故分析与研究现状J.机械工程学报,2019,55(24):93-104+116.6 HUANG L,ZHANG Z,WANG Z,et al.Thermal runaway behavior during overcharge for large-format Lithium-ion batteries with different packaging patternsJ.Journal of 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