如何合理地開展電池包壽命與可靠性工作

電池系統(tǒng)壽命/可靠性的評(píng)估是一個(gè)相對(duì)難的話題，涉及到的面比較多，尤其是搞產(chǎn)品而非科研研究，需要站在科學(xué)的基礎(chǔ)上解決實(shí)現(xiàn)工程的問題。

要能更好地理解和進(jìn)行電池系統(tǒng)的壽命/可靠性評(píng)估工作，需要四方面的知識(shí)：（1）電芯，主要是老化，容量衰減等基本原理；（2）可靠性數(shù)學(xué)基本知識(shí)，主要是威布爾等壽命函數(shù)，可修/不可修產(chǎn)品壽命建模；（3）電池包結(jié)構(gòu)、熱、電氣等設(shè)計(jì)；（4）汽車可靠性工程。

缺少任何一個(gè)，都容易走偏。比如搞電芯的只顧著電化學(xué)機(jī)理研究；搞數(shù)學(xué)的只顧著數(shù)學(xué)模型；搞電池包的缺乏對(duì)前端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和后端應(yīng)用工況的一手素材；搞汽車的很少深入下去，基本把電池包當(dāng)成個(gè)零部件整體；合作起來也不那么順利，相互看不懂。

每個(gè)角度都是對(duì)的，但因?yàn)楦黝I(lǐng)域缺少很多相通的“語(yǔ)言”，因此往往形成不了相對(duì)全面和有效的方法。

而且，隨著大數(shù)據(jù)的越發(fā)普及，可靠性的評(píng)估也出現(xiàn)了新的趨勢(shì)。

一

從電芯的角度來看，它的可靠性/壽命在很大程度上等同于兩個(gè)方面：容量、安全。容量主要是指容量的衰減，這影響到整車的性能，也影響到整車的質(zhì)保，所以很大一部分工作或是研究的方法是針對(duì)容量衰減的。電芯領(lǐng)域建立了一系列針對(duì)容量衰減的研究，基本都可以歸納為某種加速壽命模型，類似如下。

通過加速壽命模型的參數(shù)，將時(shí)間，溫度，電化學(xué)體系等不同因子考慮進(jìn)來。本質(zhì)是一種基于電化學(xué)原理的數(shù)據(jù)擬合，這個(gè)擬合可以解釋看到的（測(cè)試數(shù)據(jù)），也可以基于已有數(shù)據(jù)對(duì)未來進(jìn)行預(yù)測(cè)（什么時(shí)候容量衰減到70%）。注意，這里的數(shù)據(jù)擬合不是單純的“數(shù)字?jǐn)M合”，而是有其相應(yīng)的電化學(xué)基理，因此，這個(gè)建模是可以指導(dǎo)電芯設(shè)計(jì)改進(jìn)的，因此它能夠知道某個(gè)具體因子的具體影響。

安全比較容易理解，主要是研究電芯內(nèi)部如何導(dǎo)致起火爆炸，即故障/失效機(jī)理。

搞電芯的朋友需要明白一個(gè)事實(shí)：電芯是一種不可維修產(chǎn)品！而電池包，汽車是一種可維修產(chǎn)品！電芯的壽命就是一次，發(fā)生故障，失效了，就必須整體換掉，無法再使用；而電池包，汽車在相當(dāng)多的故障情況下，經(jīng)過維修，還是可以繼續(xù)工作的。對(duì)于電芯來說，沒有MTBF（mean time between failure，平均故障間隔時(shí)間）的概念，只有MTTF（mean time tofailure，平均失效前時(shí)間）。

所以，不能用電芯的數(shù)學(xué)模型來套電池包或是整車，電芯的模型只是它們的一部分。

很多情況下，可以用電芯的模型來預(yù)計(jì)PACK的壽命，是基于這樣一種假設(shè)：電芯是PACK所有零部件中壽命最短的，而電芯一旦失效，往往不能更換，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)包報(bào)廢。但這不是必然的，Tesla的并聯(lián)設(shè)計(jì)，當(dāng)個(gè)別電芯失效，其鋁絲焊接斷開，電芯被隔離，整車依據(jù)可以“帶病工作”，只是性能受損。

電芯壽命/可靠性的最理要的價(jià)值在于：對(duì)外，論證在質(zhì)保期內(nèi)容量的衰減滿足整車企業(yè)的要求；識(shí)別電芯安全機(jī)理，協(xié)助整車做好功能安全防護(hù)。對(duì)內(nèi)，提供電芯持續(xù)改進(jìn)的科學(xué)依據(jù)和方法。

二

從電池包/PACK的角度，可靠性更多地意味著整個(gè)產(chǎn)品較少的發(fā)生故障。除了電芯，整個(gè)包還有很多機(jī)械結(jié)構(gòu)，電氣部件，熱管理部件。它們都有自己的失效機(jī)理和模式，又相互影響，在建模時(shí)，會(huì)有耦合的問題。

對(duì)電池包進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，很難基于各零部件的機(jī)理，這些機(jī)理往往是無法獲得的。這時(shí)，有兩種方法來進(jìn)行處理：一是簡(jiǎn)化電池包的模型，對(duì)關(guān)鍵的部件進(jìn)行建模；二是，直接把電池包作為一個(gè)黑盒子，只看電池包的故障數(shù)據(jù)，單純的對(duì)“數(shù)字”擬合，這個(gè)方法數(shù)據(jù)容易獲得，同時(shí)可以預(yù)測(cè)電池包發(fā)生故障，需要維修的概率，次數(shù)，對(duì)整車企業(yè)來說，是有巨大價(jià)值的。

單純數(shù)字建模的問題在于，你可能知道發(fā)生了多少次故障，但你無法預(yù)計(jì)是哪個(gè)部件發(fā)生故障，整車企業(yè)無法備貨，這種統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，只能后續(xù)通過大數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)一步挖掘，才能發(fā)揮更好的價(jià)值。

電池包層面的可靠性評(píng)估，更多的價(jià)值在于可靠性工程層面，即，解決零部件失效概率，改進(jìn)設(shè)計(jì)。

電池包人員需要做：第一，確定電池包各零部的失效分布；第二，確定各零部件故障發(fā)生的機(jī)理；第三，針對(duì)每個(gè)零部件制定一個(gè)設(shè)計(jì)優(yōu)化計(jì)劃，將失效降低至目標(biāo)水平；第四，確定可能導(dǎo)致電芯發(fā)生安全事故的機(jī)理，提供相應(yīng)的解決方案。

需要注意的是，在電芯發(fā)生壽命問題之前，絕大多數(shù)的電池包可靠性問題，是電池包一方需要解決的工程問題，這個(gè)階段更多的是技術(shù)問題，而非“數(shù)學(xué)模型問題”。

三

從整車的角度，電池包的可靠性意味著：一，容量衰減；二，電池包層面的故障。正好是電芯與PACK人員各個(gè)工作重點(diǎn)的合集。在更多場(chǎng)合，整車遇到的可靠性問題，屬于非電芯的PACK問題，他們?cè)趯?duì)PACK可靠性的理解更趨同些。

但是整車企業(yè)具備更多的優(yōu)勢(shì)和視角：他們對(duì)車的使用理解更透徹，掌握的數(shù)據(jù)更全面，看待問題的角度更宏觀。整車具備了從頂層（故障現(xiàn)象的數(shù)據(jù)），向底層（故障機(jī)理）去逆向挖掘的能力和資源，這得益于大數(shù)據(jù)技術(shù)，如下圖奔馳的嘗試。這種自上而下的探索需要上游的配合，否則就需要建立強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，和巨量的資金投入。

四

從可靠性人員的角度，電池包可靠性往往只是又一個(gè)“可修復(fù)產(chǎn)品”，他們有很多種模型，工程方法，試驗(yàn)手段來指導(dǎo)研究，他們對(duì)于如何來建模，如何去做可靠性工程，如何進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)，更具理論功底和方法論。這是他們的優(yōu)勢(shì)，其劣勢(shì)也很明顯：很難深入理解產(chǎn)品和技術(shù)。

在現(xiàn)實(shí)的工作中，往往是哪一方強(qiáng)勢(shì)，哪一方來主導(dǎo)整個(gè)可靠性的工作模式和方向。可靠性問題首先是一個(gè)系統(tǒng)問題，需要一個(gè)可以調(diào)動(dòng)各方資源的人來統(tǒng)籌，它最終需要解決的是產(chǎn)品實(shí)實(shí)在在的失效問題，而不是如何來更好地做匯報(bào)：可靠性其實(shí)并不虛。