動力電池

動力電池危害模式和風險降低分析方法HMRMA（一）

第一電動大牛作者 129Lab 2017-09-25 08:35

本文聊一下動力電池的危害模式和風險降低分析（Hazard Modes & Risk Mitigation Analysis，HMRMA）方法。

HMRMA一般遵循以下三個原則：

1. 風險評估和降低需要對風險進行量化

2. HMRMA需要包括所有感知、控制、保護方式，以及對最高等級系統的影響

3. HMRMA在所有層級（電芯、模塊、電池包、整車）的設計過程中不可或缺的工具

HMRMA方法主要包括兩個步驟：

第一步：識別危害、估算相關風險

第二步：檢測和控制風險

這里主要介紹第一步里面涉及的一些概念定義。

危害模式（Hazard Modes）

“危害”定義為由內部或外部激發的事件，該事件可能導致材料受損，嚴重時會危害到壽命。在可充點能兩存儲系統中，這些危害一般可以歸納為四類（如下表所示）：

a) 電氣危害Electrical Hazard。例如短路、過充電，這些都屬由外部激發的危害。微短路，這屬于由電芯內部造成的危害。

b) 熱危害Thermal Hazard。例如升溫過高、起火等。這可以是由內部或外部激發。

c) 機械危害Mechanical Hazard。例如擠壓、針刺、跌落。

d) 系統危害System Hazard。對電池之外的系統造成危害。例如，接地故障、高壓連接斷開。

嚴重度（Severity）

危害的嚴重度用0-7中的一個整數表示。對一個特定的危害，需要根據觀察的反應或效果判斷嚴重度。這些效果包括了在極端情況下的爆炸、釋放出超過OSHA暴露限值的有毒物質（Level 7），也包括最簡單情況是失去某些功能，這些功能是可以重新恢復的。

下表總結了嚴重度等級，用S表示。這里的S主要是采納了EUCAR標準。這個EUCAR評判系統最初被同來確定電芯級別的危害嚴重度。但是在HMRMA中，經過一些調整之后，它被擴展應用到所有層級：電芯、模塊、電池包、整車系統。目前這個EUCAR危害的評判標準已經被大多數廠家所使用。

置信水平（Likelihood Level）

用1-10其中一個正數表示在整個壽命期間危害的發生率（Rate of Occurrence，ROO）。一般電池壽命設計要求在10-15年，或16萬-24萬km（USABC）。

需要注意的是，ROO的確定需要采用統計，考慮統計數據的誤差和一定的置信水平。用L表示置信水平，L含義類似于FMEA中的用法。通常，歷史數據有助于選擇置信水平。例如，在擠壓這個機械危害例子中，整車在整個壽命期間的碰撞事故的統計數據是可以得到的，這些數據可以用來選擇合適的L。在一些缺少統計數據的情況下，經過受訓之后的工程推測得到的L對于開始一個HMRMA過程也是可以的。在這個過程中，當收集到的數據增多時，可以相應的調整L。下表是整個壽命中L隨著ROO變化的函數，用ppm或%表示。

置信水平跟嚴重度不一樣，不需要一定是一個整數。如果ROO在兩個整數之間，使用分數是允許的。L=0對應了ROO=0，說明危害不可能發生，不需要考慮風險分析。

危害風險值和風險空間（Hazard Risk Number and the Risk Space）

嚴重度S和置信水平L的乘積是危害風險值HRN（Hazard Risk Number）：HRN=S*L。

當特定危害的嚴重度S增加時，置信水平L必須降低，這樣才能得到可接受的HRN。如果將這個可接受的HRN用R0表示，則可以用一個第一象限的雙曲線來表示經常性風險（constant-risk）曲線：S*L=R0。

S-L圖構成的二維圖也叫風險空間（Risk Space），constant-risk雙曲線將風險空間劃分為兩個區域：低風險區、高風險區，如下圖所示。

風險空間邊界（Risk Space Boundaries）

在風險空間，除了高風險和低風險的邊界之外，在關系到所有危害的風險空間區域還有一些限值。例如，對于一個嚴重度很高的危害，即使置信水平較低，也是不可接受的，需要設置一個限值S=SL。同樣的，發生率ROO高、嚴重度S低至1的危害會導致不可靠的產品，因此需要設置一個置信水平限制L=LL。這兩個沿著constant-risk雙曲線設定的限值把低風險區進一步限定在下圖的陰影區域。