锂电池故障的原因和预防策略

作者：：

玛丽

1.什么是锂电池故障？

锂电池 失效是指锂离子电池由于各种原因无法保持设计性能或达到预期寿命的情况。这种失效可能表现为容量下降、内阻增大、充电速度减慢、循环寿命缩短、一致性差、自放电以及热失控、膨胀、电解液泄漏、镀锂、短路和膨胀变形等安全风险。

2.锂电池故障原因

(1) 充电周期计数

锂离子电池的寿命与充电循环次数有关。经过一定次数的循环后，电池容量会下降，从而导致失效。

(2) 过度充电和过度放电

长时间过度充电或过度放电会导致电池内部发生化学变化，从而降低其性能。

(3) 高温环境

高温加速电池内部的化学反应，导致老化和性能下降。

(4) 物理损坏

电池的物理损坏，如撞击或挤压，可能会导致内部短路或损坏，从而导致故障。

3.锂电池失效的机理

(1) 锂离子迁移

在充放电循环过程中，锂离子会在正负电极之间迁移，导致电极材料结构发生变化，从而降低电池性能。

(2) 电解质降解

电解质降解会导致电池内部发生不稳定的化学反应，从而影响电池的循环寿命。

(3) 形成固体电解质界面（SEI 膜）

在充放电循环过程中，锂离子电池中会形成固态电解质界面。随着循环次数的增加，这种界面的持续形成会增加电阻，从而降低电池性能。

4.锂电池的失效模式

电池系统的失效模式主要包括容量衰减、内阻增加和极化。根据电池系统的结构和组成，可将失效模式分为三个不同层次：电池单元失效模式、电池管理系统（BMS）失效模式和电池组系统集成失效模式。

A.电池故障模式

电池的失效模式可分为安全失效模式和非安全失效模式。电池的安全失效模式主要包括

(1) 电池内部短路

电池生产过程中的缺陷或长期振动和外力都会造成电池变形，最终导致内部短路。一旦发生严重的内部短路，将无法控制，外部保护措施也将失效，烟雾或燃烧将不可避免地发生。

(2) 电池单元泄漏

外部损坏、碰撞、安装不当导致密封结构损坏、焊接缺陷、密封胶不足等都可能导致电池漏液。电池漏液后，整个电池组的绝缘会失效，当出现多个绝缘失效点时，就会发生外部短路。

(3) 电池负极镀锂

电池使用不当、过度充电、低温充电和大电流充电都会导致电池负极镀锂。负极上出现锂镀层后，金属锂无法还原，从而导致不可逆的容量衰减。当锂电镀层达到一定程度时，就会形成锂枝晶，刺穿隔膜，造成内部短路。因此，使用锂离子电池时应严禁在低温下充电。

(4) 细胞膨胀和肿胀

发生膨胀的原因有很多，例如电池内部副反应产生的气体会导致电池膨胀。可以通过严格控制电池生产过程中的水分含量来控制膨胀问题。一旦电池膨胀，就可能出现泄漏和其他问题。

电池的安全失效风险相对较高。相比之下，非安全失效只会造成性能问题，如温度一致性差、过度自放电、低温放电容量降低和容量衰减。

B.BMS 故障模式

(1) BMS 电压检测故障导致蓄电池过充电或过放电

在连接或加压过程中，连接不良或接触不良会导致电压检测线失效，BMS 没有电压信息，因此充电不会在应该停止的时候停止。电池过充可能会引起火灾和爆炸。大多数磷酸铁锂电池只有在过充电超过 5V 时才会冒烟，但钴酸锂电池一旦过充电，就可能发生爆炸。

此外，过度充电容易导致锂离子电池中的电解液分解，造成电池膨胀。严重时可能会冒烟起火。电池过度放电会损坏电池正极材料的分子结构，从而导致电池无法充电。同时，过低的电池电压会导致电解液分解和干燥，造成镀锂和电池内部短路。在设计系统时，应选择可靠的电压采集线，并在生产过程中严格控制，防止电压采集线出现故障。

(2) BMS 电流检测故障

霍尔传感器故障会导致 BMS 无法收集电流，也就无法计算 SOC，从而导致偏差过大。电流检测失灵可能导致充电电流过大。过大的充电电流会导致电池内部过热，温度超过一定温度后会导致隔膜凝固，容量降低，严重影响电池寿命。

(3) BMS 温度检测故障

温度检测失灵会导致电池工作温度过高，电池内部发生不可逆反应，对电池容量和内阻造成很大影响。电池的日历寿命与温度直接相关。45°C 时的循环次数是 25°C 时的一半。此外，高温容易造成电池膨胀、泄漏、爆炸等。因此，电池在使用过程中应将温度严格控制在 20-45°C 之间，这样不仅能有效提高电池的使用寿命和可靠性，还能有效避免电池低温充电时因镀锂造成的短路和高温热失控。

(4) 绝缘监测故障

动力电池系统变形或泄漏时会导致绝缘失效。如果未被 BMS 检测到，可能会导致人员触电。因此，对 BMS 系统监控的传感器的要求应该是最高的，避免监控系统失灵可以大大提高动力电池的安全性。

(5) 电磁兼容性通信失效

对于 BMS 系统而言，电磁兼容性主要测试其抗电磁干扰的能力。电磁干扰会导致 BMS 通信失败，从而引发上述问题。

(6) SOC 估算偏差较大

目前，SOC 普遍存在偏差。一般检验标准要求偏差小于 5%。由于使用环境的复杂性，大多数厂家的 BMS 应该很难达到，实际使用 SOC 误差会越来越大。

C.包装系统集成失败模式

(1) 母线故障

如果是螺栓连接，在后期使用过程中，螺栓的氧化脱落或震动会导致螺栓松动，从而使导体连接处产生大量热量，极端情况下会导致动力电池起火。

(2) 动力电池系统主电路连接器故障

动力电池系统的高压线通过连接器与外部高压系统相连。连接器性能不可靠，在振动下会出现虚接，导致连接器高温烧蚀。一般情况下，连接器温度超过 90 度，就会出现连接故障。因此，在系统设计中，连接器需要具备高压互锁功能，或者在连接器上增加温度传感器，随时监控连接器的温度，防止连接器失效。

(3) 高压接触器的附着力

接触器有一定数量的负载断路器，当接触器在大电流下闭合时，大部分断路器会烧蚀。在系统设计中，一般采用双继电器方案依次闭合控制，以避免高压接触器粘连。

(4) 熔断器的过流保护失效

高压系统元件中熔断器的选择和匹配需要综合考虑。振动或外部碰撞、挤压会导致动力电池变形、密封失效、IP 值降低。因此，在系统设计中应注意电池箱结构的防撞保护。

5.锂电池故障的预防和处理方法

(1) 正确充电和放电

避免过度充电和过度放电，采取适当的充电和放电策略，延缓电池老化。

(2) 温度控制

避免将电池置于高温环境中，以减缓电池老化速度。

(3) 使用电池管理系统（BMS）

BMS 可以监控电池的状态，提前发现问题，并采取措施保护电池免受过度充电、过度放电和其他影响。

(4) 使用电池管理系统