吳理丁

(成都建中鋰電池有限公司，四川成都 610200)

水下機(jī)器人的工作質(zhì)量某種程度上取決于配套的動力能源質(zhì)量水平，選用一次鋰電池組作為動力電源，可使水下機(jī)器人同時具有體積小、質(zhì)量輕、容量大和貯存壽命長等多項(xiàng)優(yōu)勢。作為電源的一次鋰電池組工作可靠度將直接影響到水下機(jī)器人的安全工作和經(jīng)濟(jì)效益，所以對電池組設(shè)計和制造的可靠性水平進(jìn)行深入分析與研究，對提高水下機(jī)器人的整體性能水平具有重要的意義。

1 單體電池的選擇與電池安全可靠性分析

1.1 單體電池電化學(xué)體系和電池型號的選擇

水下機(jī)器人電源需要同時具備體積小、質(zhì)量輕、安全性高和貯存時間長等特點(diǎn)。在一次鋰電池的電化學(xué)體系中可以有多種選擇，不同的電化學(xué)體系有著不同的特性偏重。Li/SO2體系電池既可以兼顧到體積小、質(zhì)量輕、容量大和貯存時間長的要求，又具有很好的安全性，基本可以確保不會發(fā)生電池爆炸和燃燒的現(xiàn)象。因此，本文選擇的單體電池為Li/SO2體系、型號為WR38500 的單體電池。該電池的外形尺寸為Φ38 mm×H50.0 mm，電池電壓為2.0～3.0 V，電池容量為7 600 mAh，電池質(zhì)量為110 g。

1.2 單體電池的安全可靠性分析

1.2.1 單體電池的失效定義

一次鋰電池的安全可靠性研究主要是對電池在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)安全地完成規(guī)定功能的能力的研究，換句話說是對電池各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)失效率的研究。電池的可靠性與其工作條件密切相關(guān)，一般來講，工作溫度越低(或越高)，負(fù)荷越大，貯存時間越長，產(chǎn)品的可靠性越低。因此必須對產(chǎn)品在什么情況下定義為不可靠、發(fā)生失效進(jìn)行規(guī)定。單體電池各種類型致命失效規(guī)定為：容量不足，即產(chǎn)品在貯存期內(nèi)因制造缺陷發(fā)生自放電，導(dǎo)致容量不足；電池漏液，即電池殼蓋焊接缺陷、密封絕緣子破損或安全裝置失效，導(dǎo)致電池漏液；電池爆炸，即電池隔膜破損或電池裝配缺陷，導(dǎo)致內(nèi)部短路，引發(fā)電池爆炸；異常失效，即電池工作環(huán)境出現(xiàn)異常(高溫、高壓)或過放電。

1.2.2 單體電池的失效故障樹分析與可靠性試驗(yàn)

建中鋰電池廠20 多年來為各種不同的需求設(shè)計、制造了許多不同用途的電源。為了評價分析電池產(chǎn)品的可靠性，除進(jìn)行電池失效故障樹分析、可靠性試驗(yàn)外，還收集了大量的配備到用戶各種不同設(shè)備上的電池存貯、使用信息，力爭摸清產(chǎn)品在各種條件下工作或貯存后的可靠性水平，得到了電池的真實(shí)可靠性數(shù)據(jù)。

根據(jù)GB7829-87[1]，首先進(jìn)行電池失效的定性分析，尋找導(dǎo)致電池失效的原因以及這些原因形成的綜合因素，即找出電池失效作為頂事件發(fā)生的所有故障模式；其次對各種故障模式進(jìn)行定量分析，即根據(jù)所有底事件發(fā)生的概率求出頂事件發(fā)生的概率。圖1 為單體電池失效頂事件以及失效模式的失效故障樹分析。

圖1 鋰電池失效模式及失效故障樹分析

從近30 萬只WR38500 電池中隨機(jī)抽樣561 只產(chǎn)品，其中293 只電池進(jìn)行了短路和加熱安全性能試驗(yàn)，268 只電池進(jìn)行了電性能試驗(yàn)。

WR38500 電池的安全性能試驗(yàn)中的電池短路試驗(yàn)均正常泄氣；加熱試驗(yàn)從電池安全刻傷處泄氣，均未發(fā)生爆炸、燃燒；滿足國軍標(biāo)規(guī)定，試驗(yàn)結(jié)果為100%合格。根據(jù)國外統(tǒng)計資料[2]，Li/SO2單體鋰電池在正常使用時發(fā)生爆炸的概率為1.35×10－6，屬于極小概率事件。

WR38500 電池的電性能檢測條件是：恒流2 A 放電至截止電壓2.0 V，容量≥7 600 mAh。按照文獻(xiàn)[3]的理論，對268只電池的容量檢驗(yàn)結(jié)果[4]進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計結(jié)果為：最小容量為7 820 mAh，最大容量為9 118 mAh。對268 個容量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析后，得出容量均值X與容量方差σ 為：

由以上數(shù)據(jù)可知：電池的容量基本滿足正態(tài)分布[5]，且容量散差均在3σ 范圍內(nèi)。正態(tài)分布可靠度R(t)與失效率λ(t)計算公式為：

根據(jù)可靠度R(t)與失效率λ(t)計算公式，計算出單體電池的容量可靠度R(7 600 mAh)為0.999 032 4，失效率λ(7 600 mAh)為1.463 76×10－5/h。

2 電池模塊與電池組的設(shè)計

由于電池組整體的電壓高、容量大，必須采用模塊化組合的方式將其分解成若干個電池模塊，具體要求為：一是能方便搬運(yùn)、貯存，二是能快速組合、更換。為使電池組在規(guī)定的貯存時間(5 年)內(nèi)保持整體電性能滿足要求，按照電池在貯存后容量損耗不大于文獻(xiàn)[6]規(guī)定的10%，每個電池模塊采用15%冗余容量的設(shè)計理念；盡量采用少串聯(lián)、多并聯(lián)的連接方式，從而提高產(chǎn)品總體可靠度。

因此，按照電池組的總體容量需求，在僅需要36 只電池并聯(lián)即可滿足容量要求的基礎(chǔ)上，考慮到確?？煽慷刃枰?5%的冗余量，將電池并聯(lián)數(shù)提高為42 只。根據(jù)電池組總體輸出電壓需求，串聯(lián)的電池模塊設(shè)計為18 個，分解到每個電池模塊的電池串聯(lián)數(shù)為6 只。

2.1 電池模塊設(shè)計

按照6 只電池串聯(lián)后再42 只并聯(lián)的方式組合，構(gòu)成18 V、320 Ah 的電池模塊，每個模塊中有252 只WR38500 單體電池。為提升電池模塊的安全可靠性，每個串聯(lián)支路上串聯(lián)加裝過流保險管(PTC)熱保險和二極管，防止過流和反向充電；在電池模塊輸出端口將42 個支路并聯(lián)起來，以提高電池模塊的可靠性。電池模塊的串并聯(lián)原理圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路示意圖

2.2 鋰電池組設(shè)計

通過連接器將18 個上述電池模塊串聯(lián)組成電池組，整體電池組電源的輸出電壓為320 V，容量為320 Ah，電池組的單體電池總數(shù)為4 536 只。電池組的組合原理圖如圖3 所示。

圖3 電池組18個模塊串聯(lián)電路示意圖

3 電池模塊和電池組的可靠性預(yù)測與分析

根據(jù)前文得出單體電池的容量可靠度以及電子元器件串、并聯(lián)可靠度的計算原理，可分別為電池模塊和電池組計算可靠度。

串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度與各組成單元的可靠度之間的關(guān)系是：

并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度與各單元的可靠度的關(guān)系是：

3.1 電池模塊可靠性設(shè)計與估算

各種電子元器件的失效率可以在相關(guān)可靠性手冊[7]上查到，將其乘以電池組對應(yīng)的工作時間(38 h)，可以得出電池模塊的可靠度。

一個二極管的失效率λ二級管=2.73×10－10/h，那么固有的工作可靠度為：

一個過流保險管的失效率λ過流保險=3.89×10－7/h，其固有的工作可靠度為：

單體電池因制造過程中造成的缺陷失效率λ單電池=7×10－5/h，單體電池的制造可靠度為R電池制造=1－7×10－5=0.999 93。一個焊接裝配點(diǎn)的可靠度為R焊點(diǎn)=0.999 99。

從電池模塊設(shè)計方案可知，每個模塊有42 個支路，使用了42 個二極管和過流保險，共252 個焊點(diǎn)。

將以上各元器件的可靠度、焊點(diǎn)的可靠度匯總，將1.2.2節(jié)中計算出的單體電池可靠度分別代入可靠度的計算公式，可得出電池模塊的可靠度為：

3.2 整體電池組的可靠性分析

在得出電池模塊可靠度的基礎(chǔ)上，就可計算出電池組的可靠度。整個電池組的可靠度為：

從以上的計算結(jié)果可以看出，水下機(jī)器人配套鋰電池組的可靠度達(dá)到設(shè)計指標(biāo)≥0.99 的要求。

4 電池組失效模式分析與試制過程中的可靠性措施

4.1 電池組失效模式分析

盡管鋰電池組的安全可靠性經(jīng)過計算、分析得出較高的結(jié)果，失效發(fā)生的概率極小，但還是需要對所有可能出現(xiàn)的失效模式進(jìn)行分析，從而可以采取相應(yīng)的防范措施。具體的失效模式和危害有以下幾種：

(1)電池模塊之間的連接線接觸不良或斷開，導(dǎo)致不能正常給機(jī)器人供電，使設(shè)備無法正常工作；

(2)某個電池單元的PTC 或二極管斷路，導(dǎo)致該電池單元不能正常供電，從而導(dǎo)致電池組的總能量下降；

(3)單體電池以外的線路短路，造成過流保險管動作，切斷該電池單元的電路，降低了電池組的整體輸出能量；

(4)電池組內(nèi)部溫度過高，造成過熱保護(hù)期間動作，切斷電源，導(dǎo)致并聯(lián)放電支路減少，能量下降；

(5)電池的不一致性導(dǎo)致個別電池過放，發(fā)生泄氣，造成此電路斷開，并在電池組盒體內(nèi)釋放出有害液體和氣味；

(6)二極管短路，不能起到保護(hù)作用，在電池組放電后期出現(xiàn)電池充電現(xiàn)象，導(dǎo)致電池泄氣，或可能有極小概率的電池爆炸現(xiàn)象發(fā)生；

(7)單體電池漏液，加之電池組殼體密封不好，電解液外漏，造成設(shè)備腐蝕，釋放出有害氣體。

4.2 鋰電池組長期儲存后失效故障樹與數(shù)據(jù)分析

產(chǎn)品長期存儲后的性能更能反應(yīng)出電池組的可靠性水平。本文廣泛地收集了在不同環(huán)境下長期儲存后的電池組失效數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行不同項(xiàng)目的檢測，以推算出電池組在存儲后的實(shí)際可靠性水平。電池組失效故障樹如圖4 所示。

圖4 水下機(jī)器人電池組故障樹

4.3 電池組試制過程中的可靠性措施

針對以上電池組的失效模式，在設(shè)計研制階段擬采用以下措施保證產(chǎn)品的高質(zhì)量及安全可靠性。

(1)安全性、可靠性設(shè)計，除了前面提到的安全可靠性設(shè)計思路，還增加了電路連接采用雙點(diǎn)雙線，印制電路板(PCB)上的元器件焊接后，用絕緣清漆浸漬，并用GD414 硅膠將元器件固定，電池組外殼考慮密封等相關(guān)措施。

(2)嚴(yán)格各種原材料、元器件用前檢驗(yàn)，設(shè)計時，對各種保護(hù)元器件盡量選用航天產(chǎn)品目錄中的型號；在各種原材料、元器件進(jìn)廠后或使用前，嚴(yán)格進(jìn)行老化檢驗(yàn)及篩選，確保其質(zhì)量。

(3)嚴(yán)格生產(chǎn)過程中工藝紀(jì)律，鋰電池的某些關(guān)鍵性能指標(biāo)(如容量)是不能100%靠檢驗(yàn)得出的，在生產(chǎn)過程中必須嚴(yán)格遵守工藝紀(jì)律。在單體電池生產(chǎn)前，組織參與此項(xiàng)工作的人員重新學(xué)習(xí)工藝文件，講清任務(wù)的重要性；在生產(chǎn)過程中，研制組人員跟蹤、監(jiān)督。

(4)單體電池嚴(yán)格檢驗(yàn)篩選，用于電池組裝配的單體電池必須經(jīng)過嚴(yán)格的高溫存儲，這樣可以使有焊接缺陷的電池暴露出來，然后對電池進(jìn)行檢驗(yàn)篩選，挑選出開路電壓、負(fù)載電壓及內(nèi)阻相近的電池。

(5)確保電池組裝配過程質(zhì)量，編制電池組裝配工藝規(guī)程，在正式組裝產(chǎn)品前，試裝出一個樣件，從而可以幫助修訂、完善裝配工藝規(guī)程。正式生產(chǎn)時，安排專人負(fù)責(zé)電池組的裝配，專人負(fù)責(zé)裝配過程的監(jiān)督、檢驗(yàn)，確保裝配質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文的水下機(jī)器人電池組設(shè)計方案是由18 個電池模塊串聯(lián)組成的，電池模塊的串聯(lián)方式為快速插拔連接器；整個電池組內(nèi)共有4 536 只電池。電池組的外觀、尺寸、質(zhì)量及各項(xiàng)電性能滿足指標(biāo)要求。每個電池模塊由252 只WR38500單體電池經(jīng)過串聯(lián)和并聯(lián)組成，共有42 個支路并聯(lián)，每個支路由6 只電池串聯(lián)組成，裝配在一個密閉的注塑盒體內(nèi)，可以進(jìn)行快速的故障檢測定位及模塊更換。電池模塊中的每個支路裝有防過流保護(hù)器件和防反向充電二極管的安全保護(hù)電子元器件，使電池組的安全性得到了提高；其安全性預(yù)測分析數(shù)據(jù)為0.999 648，滿足設(shè)計指標(biāo)≥0.99 的要求。通過對電池組幾種失效模式的分析，提出了產(chǎn)品研制過程中應(yīng)采取的可靠性措施，從而可以確保對電池組生產(chǎn)過程中的不可靠性因素的防范。

致謝：本設(shè)計方案和測試結(jié)果均在公司項(xiàng)目組協(xié)助下共同完成，在此表示感謝。