这里聊一下动力电池的危害模式和风险降低分析(Hazard Modes & Risk Mitigation Analysis,HMRMA)方法。HMRMA一般遵循以下三个原则:
1.风险评估和降低需要对风险进行量化
2.HMRMA需要包括所有感知、控制、保护方式,以及对最高等级系统的影响
3.HMRMA在所有层级(电芯、模块、电池包、整车)的设计过程中是不可或缺的工具
HMRMA方法主要包括两个步骤:
第一步:识别危害、估算相关风险
第二步:检测和控制风险
这里主要介绍第一步里面涉及的一些概念定义。
1、危害识别和风险估算
这里需要了解一些关于危害模式的定义
危害模式(Hazard Modes)
“危害”定义为由内部或外部激发的事件,该事件可能导致材料受损,严重时会危害到寿命。在可充点能两存储系统中,这些危害一般可以归纳为四类(如下表所示):
a)电气危害Electrical Hazard。例如短路、过充电,这些都属由外部激发的危害。微短路,这属于由电芯内部造成的危害。
b)热危害Thermal Hazard。例如升温过高、起火等。这可以是由内部或外部激发。
c)机械危害Mechanical Hazard。例如挤压、针刺、跌落。
d)系统危害System Hazard。对电池之外的系统造成危害。例如,接地故障、高压连接断开。
严重度(Severity)
危害的严重度用0-7中的一个整数表示。对一个特定的危害,需要根据观察的反应或效果判断严重度。这些效果包括了在极端情况下的爆炸、释放出超过OSHA暴露限值的有毒物质(Level 7),也包括最简单情况是失去某些功能,这些功能是可以重新恢复的。
下表总结了严重度等级,用S表示。这里的S主要是采纳了EUCAR标准。这个EUCAR评判系统最初被同来确定电芯级别的危害严重度。但是在HMRMA中,经过一些调整之后,它被扩展应用到所有层级:电芯、模块、电池包、整车系统。目前这个EUCAR危害的评判标准已经被大多数厂家所使用。
置信水平(Likelihood Level)
用1-10其中一个正数表示在整个寿命期间危害的发生率(Rate of Occurrence,ROO)。一般电池寿命设计要求在10-15年,或16万-24万km(USABC)。需要注意的是,ROO的确定需要采用统计,考虑统计数据的误差和一定的置信水平。用L表示置信水平,L含义类似于FMEA中的用法。通常,历史数据有助于选择置信水平。例如,在挤压这个机械危害例子中,整车在整个寿命期间的碰撞事故的统计数据是可以得到的,这些数据可以用来选择合适的L。在一些缺少统计数据的情况下,经过受训之后的工程推测得到的L对于开始一个HMRMA过程也是可以的。在这个过程中,当收集到的数据增多时,可以相应的调整L。下表是整个寿命中L随着ROO变化的函数,用ppm或%表示。
置信水平跟严重度不一样,不需要一定是一个整数。如果ROO在两个整数之间,使用分数是允许的。L=0对应了ROO=0,说明危害不可能发生,不需要考虑风险分析。
危害风险值和风险空间(Hazard Risk Number and the Risk Space)
严重度S和置信水平L的乘积是危害风险值HRN(Hazard RiskNumber):HRN=S*L。当特定危害的严重度S增加时,置信水平L必须降低,这样才能得到可接受的HRN。如果将这个可接受的HRN用R0表示,则可以用一个第一象限的双曲线来表示经常性风险(constant-risk)曲线:S*L=R0。S-L图构成的二维图也叫风险空间(Risk Space),constant-risk双曲线将风险空间划分为两个区域:低风险区、高风险区,如下图所示。
风险空间边界(Risk Space Boundaries)
在风险空间,除了高风险和低风险的边界之外,在关系到所有危害的风险空间区域还有一些限值。例如,对于一个严重度很高的危害,即使置信水平较低,也是不可接受的,需要设置一个限值S=SL。同样的,发生率ROO高、严重度S低至1的危害会导致不可靠的产品,因此需要设置一个置信水平限制L=LL。这两个沿着constant-risk双曲线设定的限值把低风险区进一步限定在下图的阴影区域。
