动力电池

动力电池危害模式和风险降低分析方法HMRMA（一）

第一电动大牛作者 129Lab 2017-09-25 08:35

本文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。

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 Risk Number）：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。