电芯寿命等同动力电池系统可靠性?其实你错了!

捷能科技

电动汽车动力电池系统(PACK)的可靠性在研发过程中,经常为同事所提及,有人也会等同于寿命,有人也会讲是耐久性,有人也会说是质保期,当然也有的讲到是失效率相关,是平均无故障间隔时间(MTBF)等等。

以上的叫法均有其特殊意义,只是所关心的重点不同。这里面涉及到几个常用、易混淆的术语,如寿命、耐久性、质保期、可靠性、失效率、平均无故障间隔时间(MTBF)。在理解这些术语前,有个问题大家可以思考下:电动汽车的可靠性与传统汽车的可靠性有区别吗?

本质上是没有区别的,就像你谈论诺基亚手机与智能手机的可靠性一样。除去动力技术的不同,传统汽车与电动汽车在很多方面都是相通的。

我们看下这几个术语的定义:

使用寿命,是指新车开始使用直至报废为止的使用延续时间(或里程)。使用期限分为技术使用期限、经济使用期限与合理使用期限。

质量保证期是指保证该商品使用者实现购买该商品目的和要求的合理预期,即质量保障的时间,也即合理使用寿命,很明显质保期在数值上≤使用寿命,我们常听说的动力电池要能做到5年10万公里或8年24万公里(以先到为准),指的就是质保期。关于质保期还有个易混的概念即保修期,这二者区别在于质保期内零件免费更换,保修期内免费维修,在数值上一般保修期小于等于质保期,也有终生保修的,属特例。

耐久性,是指汽车进入极限技术状态之前,经预防性维修(不更换主要总成和大修)维持工作能力的性能。使用寿命与耐久性都是对产品寿命的描述指标,很多情况下,二者可以等同,从数值上来看,耐久性≤使用寿命。耐久性一般大于质保期,这从定义上就可以看出,如果产品不能维持规定工作能力,必定在相关零部件上出现了问题。

耐久性体现在维持规定工作能力性能的时间跨度,比如对于动力电池,我们知道在容量低于80%时,就要求退役,但低于80%时,车子仍然可以继续使用。所不同的是,车子的性能变化了,直接的表现就是续驶里程降低。这种现象,不同的车子到达电池容量80%的时间是不同的,时间早的就可以说该车的耐久性不好,时间晚的就可以说是耐久性好。当然,如果将容量到达80%就定义为动力电池的寿命,那二者相同。

以上是PACK中,较容易理解耐久性的一个例子。其实,耐久性最初始于对机械产品的研究,由于机械产品的失效通常都是应力应变长时间作用累积而造成,因此,耐久性是一个渐变指标,这与电池SOC的衰退类似,与时间因素强相关。

可靠性是指电动汽车在规定的使用条件下和规定的时间内,完成规定功能的能力。这里有四个关键因素:汽车产品、规定条件、规定时间、规定功能。

汽车产品指汽车整车、总成或关键零部件,如PACK。

可靠性也是描述一种时间跨度内的能力,如果说狭义的质量是时间点的概念(产品在出货那个时刻是否是OK的),那么可靠性则是一段时间内的质量。

可靠性的另一个属性是故障,所有的可靠性活动都是围绕“故障”展开的,离开“故障”谈可靠性是没有意义的,它所研究的主要就是产品的故障规律、机理,以及相关的改进、验证活动。从这点来看,可靠性与使用寿命、质保期不是一个纬度的概念,与耐久性有共同之处(耐久性本身也与故障相关)。

那么,如何来用数字表征一个产品的可靠性呢?即可靠性指标是什么。

这就是大家常听到的“平均无故障工作时间(MTBF)、失效率”。

先说MTBF(Mean time between failures,在理论上,这个只能用于描述可修产品,如汽车;对电芯来讲,电芯是不可修产品,因电芯如果坏了就没法修复了),平均无故障工作时间,通俗地讲就是多少个产品、在多长时间内、发生了多少个故障。如1台电动大巴,在外运行30天,共发生的2起故障,则MTBF=1*30/2=15天;若100辆车,在外运行30天,共发生了200起故障,则MTBF=100*30/200=15。这种估计不严谨,但实用。

上面讲了,MTBF是对可修产品而言的,对电芯来讲是没有意义的。但PACK是可修产品,所以可以使用。一些客户要求整车的首次故障不低于5000公里或1000公里,这个首次故障(可以看成MTBF的特例,即到第1个故障的统计规律),该需求可转化为时间分解到动力电池的需求中,这样便于设计。

另一个是,失效率(这个是极有争议的概念,这里不具体区别可修产品,不可修产品),只以大家通常理解的意思说明:即一段时间内,产品发生故障的频率。

与MTBF类似,这个指标,也必须要:

(1)指定具体的产品批次,即哪些车;

(2)指定具体的时间,如是6个月的,12个月的,还是3年的;

(3)规定具体的故障,即哪些现象发生的,可以视作故障,这个很重要,直接决定统计项目。

根据故障的危害程度不同,汽车故障通常分类:

1)致命故障。指危及人身安全、引起主要总成报废、造成重大经济损失、对周围环境造成严重危害的故障。

2)严重故障。指引起主要零部件或总成损坏、影响行驶安全、不能用易损备件和随车工具在短时间(30min)内排除的故障。

3)一般故障。指不影响行驶安全的非主要零部件故障,可用易损备件和随车工具在短时间(30min)内排除。

4)轻微故障。指对汽车正常运行基本没有影响,不需要更换零部件,可用随车工具(5min内)较容易排除的故障。

PACK在进行统计时,可依照此分类建立起PACK的故障类别,比如起火、爆炸是一类,冒烟、烧融是一类,一些影响动力电池性能的是一类,如各类报警,异常等等,这个没有明确的分法,根据各企业的习惯来进行即可。

对于之前的100辆车,30天,200起故障,失效率为200/100*30=0.067/天。细心的读者,可以发现,它是MTBF的倒数,其中缘由在此不展开,也是不严谨的,但实用。

这几个概念说到这里,似乎有个很重要的东西一直没有扯上关系:电芯的寿命!

是的,每当客户讲到PACK可靠性时,大家都要谈到电芯的寿命,为什么?

一,把电芯寿命与PACK可靠性等同,甚至是PACK寿命等同都是错误的,二者不是同一类产品,电芯是不可修产品,PACK是可修的。

二,那为什么电芯寿命这么重要?短板原则!因为如果电芯的寿命都不能满足客户要求的话,那么PACK可靠性一定不能满足,并且电芯一旦坏了,出现问题,哪怕是一个,那么整个PACK有可能都没法用。而PACK中的其它零部件,技术比较成熟,可靠性、寿命一般都会远满足PACK,或是它们可以很方便的更换。这就是为何模块化设计、可维护性设计如此重要,如BMW i3的模组是可以很容易更换的,这样当某个电芯坏了,可以把模组直接换掉,而不用换整个PACK,正是这些东西的存在,才使PACK是“可修的”。

这个寿命时间是很重要的,它不仅决定了5年10万公里或8年12万公里是否可以实现,更是决定了一个PACK企业日后是否可以赢利(即售后服务成本的多少),通常企业要在早期故障期之后才把产品卖出去(避免大量早期故障在客户处曝露出来),把产品的质保期设定在产品进入损耗期之前,这样,在质保期内少出故障(少维护成本),在质保期过后,产品多出故障(向客户高额收费),这是很多老外产品能够赚取高额利润的一个手段。

PACK的可靠性工作是个系统工程,以上算是概念的梳理,这些东西搞明白了,才能进行下一步的工作:PACK的故障模式统计分析、各类故障机理分析、各零部件故障模式与故障机理分析、故障的测试与论证、改进措施等等,设计、生产等各环节的工作展开。

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捷能科技 大牛作者

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