一種AUV鋰-亞硫酰氯電池儲存可靠性試驗評估方法

葉浩亮, 陳　濤, 陳遙沛

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一種AUV鋰-亞硫酰氯電池儲存可靠性試驗評估方法

葉浩亮, 陳濤, 陳遙沛

(中國人民解放軍 91388部隊, 廣東湛江, 524022)

針對自主式水下航行器(AUV)鋰-亞硫酰氯電池儲存可靠性考核這一難題, 從厘清指標要求出發, 通過失效機理與影響分析, 確定了影響鋰-亞硫酰氯電池儲存性能的主要因素和主要故障統計項。提出了試驗方案的制定方法,構建了一套完整的鋰-亞硫酰氯電池儲存可靠性試驗評估方法, 并通過工程案例演算,結果表明,該方法較好地解決了鋰-亞硫酰氯電池儲存可靠性考核問題。目前該方法已獲得各相關單位認可,并形成試驗方案,投入到實際工程使用, 可為該電池后續試驗提供參考。

自主式水下航行器(AUV); 鋰-亞硫酰氯電池; 儲存可靠性; 試驗評估

0 引言

鋰-亞硫酰氯電池(Li/SOCl2)以下簡稱鋰亞電池具有比能量高、儲存壽命長、放電平臺電壓穩定和易于操作、幾乎無需維護等優點[1], 在水下自主航行器(autonomous undersea vehicle, AUV)領域有著廣泛的應用, 常用做動力或值更儀表的電源, 是一個關鍵組部件。

早期人們對AUV電池儲存可靠性未提出單獨的要求, 也未進行過專項試驗考核。鋰亞電池在小規模應用場合的優良儲存性能以及大規模成組應用案例和數據的匱乏, 造成人們對AUV鋰亞電池(通常成組規模較大)儲存可靠性上過于樂觀的估計。伴隨著近十多年來國內AUV的蓬勃發展, 早期采用鋰亞電池的AUV型號在使用過程中逐漸暴露出一些問題。例如: 經過儲存后, 出現明顯鈍化、激活時間過長; 電性能參數在其儲存壽命內衰減至不能滿足工作要求; 長期儲存后再使用時電池安全性變差等。這些情況對AUV的可用性、完好性造成了嚴重的直接影響。因此, 如何評估鋰亞電池儲存可靠性是否達到訂購方要求成為一個急需解決的重要問題。

文獻[2]對儲存可靠性指標的考核評定給出了一般方法, 但AUV鋰亞電池規模通常較大, 且價格昂貴, 受限于試驗資源, 常常無法按照一般方法提出的方案進行實施。目前針對鋰亞電池儲存可靠性的考核評估沒有直接適用的標準可以依據, 相關文獻資料上也沒有可現成引用的試驗方法。通過在行業內進行廣泛、深入的調研和對前期AUV訂購方儲存數據的收集整理, 以及在新型AUV試驗中的積極探索, 文中提出了一種AUV鋰亞電池儲存可靠性試驗評估方法。

1 指標形式及其界定

當前AUV鋰亞電池儲存可靠性指標通常按如下方式下達: 電池儲存壽命年, 壽命期內儲存可靠度最低可接受值R, 規定值0(置信度)。有些型號項目還會在專門的可靠性要求中明確儲存期內的主要事件和儲存任務剖面, 并規定大致的儲存環境, 例如倉庫、工房等。

這里的儲存可靠性是指“產品在規定的儲存條件下, 規定的時間內, 完成規定功能的能力”[3]。儲存條件既包括儲存地點的溫度、濕度、空氣環境等外在環境, 也包括包裝運輸、儲存地點等人為條件[4]。儲存時間一般指電池從出廠開始, 直至出倉使用的這段時間。規定的功能是指電池在儲存期末, 能滿足AUV的使用要求且不發生諸如爆炸、燃燒、泄放和漏液等安全性問題。

2 失效機理與影響因素分析

在儲存任務剖面內, 影響鋰亞電池失效的因素很多, 但主要影響因素有如下幾種。

首先, 儲存時間是影響鋰亞電池性能的一個重要因素。鋰亞電池在相同的溫度下儲存時, 儲存時間越長, 電壓滯后效應越嚴重, 電池放電平臺越低, 放電容量也就越低。儲存時間越長, 電池的阻抗越大。

其次, 影響鋰亞電池性能的另一重要因素是儲存溫度。鋰亞電池儲存時間相同時, 儲存溫度越高, 鋰與電解液的反應越劇烈, 儲存后導致電池的電化學極化越嚴重[5], 放電平臺也就越低。電極表面生成的鈍化膜越厚, 導致電壓滯后效應越嚴重, 電池阻抗越大, 電池放電容量越低。

此外, 鋰亞電池在儲存過程中, Li和SOCl2會發生反應生成S2Cl2和SO2等氣體, Li/S2Cl2電池體系的電勢大約為3.92 V, 比鋰亞電池體系的電勢高, 而且氣體的含量會隨著儲存時間的延長和儲存溫度的升高而變大, 電池經過高溫儲存時, 開路電壓會升高[6]。

由上述分析可知, 鋰亞電池在儲存期末容量會下降, 初始電壓滯后會越來越明顯, 內阻、內壓的升高使得使用安全性變差。考慮到在AUV上應用的鋰亞電池通常采用大規模成組的方式, 儲存期末還需要對其絕緣電阻和開路電壓進行檢測, 以確保故障電池在使用前得到甄別剔除。

3 試驗統計方案的制定

對AUV鋰亞電池儲存可靠性進行考核前, 需根據訂購方提出的指標要求對試驗樣本量進行預估。進行樣本量預估方法有2種, 具體如下: 例如指標要求儲存壽命3年, 儲存可靠度最低可接受值0.9, 置信度0.8。

方法1, 通過查詢《GB 4087-2009 數據的統計處理和解釋二項分布可靠度單側置信下限》[7]表A.1, 取=0.80, 當試驗失敗數為0時, 樣本數需要16個才能驗證可靠度達到0.9。當試驗失敗數為1時, 樣本數需要29個。其他情況可以此類推。此處的樣本均要求已存滿儲存壽命。

方法2, 通過等效儲存試驗時間進行轉化。根據《GJB 899A-2009 可靠性鑒定和驗收試驗》可知

式中:為儲存可靠度;為要求的儲存壽命;為失效率;為使用方風險(通常取1-,為置信度);1為平均故障間隔時間(mean time between failure, MTBF)檢驗下限;為故障數;為總試驗時間。

若取最短試驗時間(故障數為0), 即《GJB 899A-2009 可靠性鑒定和驗收試驗》[2]圖A.23(使用方風險=20%的定時試驗統計方案)中方案20-1, 代入前述已知條件可得, MTBF檢驗下限1為28.474年, 總試驗時間為45.827年, 試驗所需樣本數為16個。

由以上分析可以看出, 若試驗資源(樣本數、時間等)充裕, 試驗方案較容易制定。實際工程中, AUV上使用的鋰亞電池規模通常較大, 且價格較貴。給定的試驗資源常常不足以直接驗證產品是否達到可靠性指標要求。這種情況下, 折衷的做法是采用試驗加評估的方法得出可靠性指標的初估值, 以此來作為驗收依據。

試驗加評估的方法可按如下思路進行: 在AUV實航試驗中, 可結合其他試驗項目, 收集電池使用前的儲存時間、使用前后狀態檢測等數據。若條件允許, 應在AUV上加裝電池狀態監測裝置, 用以采集電池實航工作過程數據。針對容量等隨時間退化的因素, 應進行專門的實驗室試驗, 取不同儲存時間的電池樣本檢驗容量, 對容量退化情況進行回歸分析, 得出儲存壽命期末電池容量的估計值。此外還應對電池使用環境邊界進行抽樣試驗, 以充分驗證指標要求。最后, 將不同試驗項目得到的試驗數據統一按照等效儲存試驗時間、故障數進行匯總。

工程實施中應合理統籌進度。鋰亞電池的選型、技術狀態固化等時間節點會領先于AUV整機。一旦電池技術狀態固化, 建議立即開始備樣, 以確保整機轉入定型后, 參試電池樣本儲存時間足夠長。電池備樣通常采用自然儲存, 即將電池儲存在符合其技術規范要求的環境中, 按照其使用維護要求, 進行相關維護, 達到相應的儲存時間。儲存結束后應檢查電池是否膨脹、泄氣、泄露、破裂或燃燒。

若試驗時間緊迫, 可以考慮采用加速儲存的方法, 但應控制加速儲存和自然儲存的樣本比例。一般自然儲存的等效儲存試驗時間應大于加速儲存的等效儲存試驗時間。

鋰亞電池加速儲存方法[8]如下: 電池在55℃±3℃的環境溫度下至少儲存30天(30天相當于室溫條件下儲存1年, 60天相當于2年, 時間不宜長于60天), 儲存期間應連續記錄環境溫度以證實儲存溫度的準確性。加速儲存開始前電池需在20℃±3℃下至少擱置8小時。加速儲存結束后應檢查電池是否膨脹、泄氣、泄露、破裂或燃燒(若有異常, 該樣本的加速儲存終止執行)。

電池儲存可靠性試驗中, 主要統計4類數據, 即電池基本參數(絕緣電阻、開路電壓)、容量、激活時間和初始電壓滯后以及安全性[9]。

4 儲存可靠性評估方法

4.1 基本原則

根據AUV鋰亞電池儲存可靠性要求, 按照上節提出的方法確定試驗統計方案。根據試驗資源預估等效儲存試驗時間, 若時長達到可直接驗證指標的水平, 則直接按指數壽命儲存可靠性評估法計算出AUV鋰亞電池儲存壽命和儲存可靠度。

若時長未達到可直接驗證指標的水平, 則需要先按4.2節方法進行統計分析, 再按4.3節進行綜合分析評定。即先按指數壽命儲存可靠性評估法進行統計分析, 然后對電池組儲存期末容量進行回歸分析評估, 并對被試電池失效模式(從產品設計到歷史數據等相關方面)進行可靠性工程分析評估, 最后得出該失效模式的儲存壽命和儲存可靠度估計值[10]。

當鋰亞電池等效儲存試驗時間小于直接驗證指標的水平時, 試驗結果中關聯責任故障數必須為0, 否則判儲存可靠性指標達不到要求。

4.2 指數壽命儲存可靠性評估方法

失效率置信上限按下式計算

(3)

儲存壽命計算

儲存可靠度計算

4.3 綜合分析評定方法

綜合分析評定主要是利用所能獲得的一切信息, 結合被試電池設計、試驗、管理等環節評審結論對被試電池是否滿足儲存性能指標要求作出結論。考慮到AUV鋰亞電池儲存期末的容量是以性能參數超差為主要失效形式。故采用回歸分析法先針對運載體電池組容量進行儲存可靠性指標評估分析, 然后在此基礎上進行工程分析評估。

回歸分析評估[11]按如下方法進行: 將個不同的儲存時長的電池按升序排列為, 分別在時刻進行放電試驗, 得到個測試值(容量), 其值為。

按下述步驟進行計算。

(7)

(8)

(10)

(11)

(13)

(14)

(16)

計算儲存壽命

儲存可靠度計算

當,(18)

當,(19)

工程分析評估按如下方法進行, 從以下幾方面對AUV鋰亞電池儲存可靠性指標進行分析評估:

1) 利用已有的自然儲存信息進行評定;

2) 根據加速壽命試驗信息進行評定, 在進行此項工作時, 一般應結合自然儲存信息進行對比;

3) 選擇已有的儲存時間較長部件, 進行環境工程, 產品外觀和產品性能評定;

4) 歸納不能滿足儲存性能指標的項目, 確定為滿足AUV鋰亞電池儲存性能要求對這些項目分別所采取的技術措施;

5) 綜合分析儲存性能工程評定所進行的各項工作, 對照研制總要求、研制任務書, 確定是否滿足儲存性能指標要求。

4.4 故障判據

儲存期末對AUV鋰亞電池進行檢測或試驗, 主要故障判據如下。

1) 基本參數

在規定的檢測環境下, 絕緣電阻超差或開路電壓達不到技術條件要求, 記為不合格。

2) 容量試驗

電池儲存期末容量應達到AUV使用要求。出現以下情況時, 均為不合格。

a. 電池放電時間少于相關詳細規范規定的最小放電容量的時間。

b. 在試驗結束前, 電池出現斷路。

c. 電池連續放電容量應不低于其技術條件中規定的儲存末期使用容量。

3) 激活時間與初始放電滯后

電池接上負載后, 電壓上升到相關詳細規范規定的最低工作電壓的時間超過激活時間與初始放電滯后規定值記為不合格。

4) 安全性

整個試驗過程中, 電池不應膨脹、泄氣、泄漏、破裂或燃燒。出現以下情況時, 記為不合格:

a. 任一時刻電池尺寸超差(尺寸變化超過10%);

b. 在擱置、放電或試驗后的任一時刻, 電池出現膨脹、泄氣、泄露、破裂或燃燒。

4.5 故障統計原則

故障統計原則主要包括:

1) 可證實是由于同一原因引起的間歇故障只計為1次故障;

2) 當可證實多種故障模式由同一原因引起時, 整個事件為1次故障;

3) 試驗中出現多重故障(指同時發生2個或2個以上獨立的故障)按發生故障次數進行統計;

4) 在試驗中出現的重復性故障(指同一個故障出現2次或2次以上), 如果采取了糾正措施, 在以后的試驗中不再發生, 且以后這段時間大于第1次出現故障的累計試驗時間, 則確認故障已經消除, 可只計為1次故障;

5) 出現1次導致人員傷亡或產品毀壞的災難故障, 即提前作出拒收判決。

5 工程案例分析

某型AUV鋰亞電池指標要求儲存壽命3年, 儲存可靠度最低可接受值0.8, 置信度0.9。根據指標要求, 運用文中第3章所述方法計算可得, MTBF檢驗下限1為13.444年。零故障時, 總等效儲存試驗時間不小于30.957年可直接驗證指標, 試驗所需樣本數為11個。若故障數為1時, 總等效儲存試驗時間不小于52.294年可直接驗證指標, 試驗所需樣本數為18個。其他情況依次類推。

受研制周期制約, 樣本儲存時間均不超過2年, 儲存時間從出廠時間起算, 到試驗前檢測截止。實航試驗樣本32個, 試驗室試驗樣本15個, 試驗數據如表1和表2所示。

表1 AUV鋰亞電池實航試驗數據

注: 由于AUV未加裝電池狀態監測裝置, 且實航未必每次把電池電量全部用完, 故沒有容量值。通過AUV航程和試驗前后狀態檢測得出電池儲存期末是否合格。

表2 AUV鋰亞電池試驗室試驗數據

通過統計數據可知: AUV鋰亞電池實航試驗等效儲存時間為35.643年, 內場試驗等效儲存時間為17.168年, 總等效儲存時間為52.810年, 故障數為1。按照指數壽命儲存可靠性評估法計算可得: 電池失效率為0.073 65, 儲存壽命為3.030年, 儲存可靠度為0.801 75。電池儲存可靠性指標滿足要求。

進一步, 可將試驗室試驗數據進行回歸分析, 得出電池容量退化情況如圖1所示。

通過回歸分析可知, 在置信水平取0.9時, AUV鋰亞電池(容量失效)儲存壽命T=3.147, AUV鋰亞電池3年末容量估計值為53.25 Ah, AUV鋰亞電池3年末(容量失效)儲存可靠度= 0.985 514。電池容量儲存可靠性滿足指標要求。

6 結束語

文中從AUV鋰亞電池儲存可靠性指標要求出發, 通過失效機理與影響分析, 確定了影響鋰亞電池儲存性能的主要因素和主要故障統計項, 提出了試驗方案的制定方法, 構建了一套完整的鋰亞電池儲存可靠性試驗評估方法, 最后通過工程案例進行了演示計算。結果表明, 該試驗評估方法通過加速試驗和容量回歸分析等手段, 克服了一般性儲存可靠性考核方法受限于試驗資源無法實施的弊端, 較好地解決了鋰亞電池儲存可靠性考核問題。目前該方法已獲得各相關單位認可, 并形成試驗方案, 投入了實際工程使用, 為后續型號試驗提供了參考。

文中提出的方法直接適用于技術工藝成熟、質量穩定的批產電池產品。對于不同批次、不同制備方法生產的鋰亞電池儲存可靠性的需分批進行考核評定。此外, 在試驗資源不足時, 鋰亞電池儲存可靠性的考核評定工作仍然面臨許多挑戰, 如何合理選取和校驗加速儲存試驗的加速因子、如何確保工程分析評估的準確性是下一步需要深入研究的問題。

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(責任編輯: 許 妍)

A Storage Reliability Test and Assessment Method of Lithium-Thionyl Chloride Battery for AUV

YE Hao-liang, CHEN Tao, CHEN Yao-pei

(91388thUnit, The People′s Liberation Army of China, Zhanjiang 524022, China)

To accurately assess the storage reliability of lithium-thionyl chloride battery for an autonomous undersea vehicle(AUV) , the related specifications were comprehensively reviewed, and the failure mechanism and influence factors were analyzed. The main factors influencing the storage performances of the lithium-thionyl chloride battery and the statistic items of failure were hence determined. Moreover, a method for making test plan was put forward, and a complete set of test and assessment method was proposed for the storage reliability of lithium-thionyl chloride battery. Engineering example shows that the proposed method can satisfy reliability assessment of lithium-thionyl chloride battery storage. This method has been approved by the relevant units and has been written into the test program for application.

autonomous undersea vehicle(AUV); lithium-thionyl chloride battery; storage reliability; test and assessment

TJ630.89; TB114.37

A

2096-3920(2017)01-0076-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.008

2016-12-08;

2017-01-12.

葉浩亮(1982-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水下裝備試驗總體技術.

[引用格式]葉浩亮, 陳濤, 陳遙沛. 一種AUV鋰-亞硫酰氯電池儲存可靠性試驗評估方法. 水下無人系統學報, 2017, 25 (1): 76-81.