一種大型鋰電池組設計及安全可靠性預測分析

吳理丁

(成都建中鋰電池有限公司，四川成都 610200)

水下機器人的工作質量某種程度上取決于配套的動力能源質量水平，選用一次鋰電池組作為動力電源，可使水下機器人同時具有體積小、質量輕、容量大和貯存壽命長等多項優勢。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器人的安全工作和經濟效益，所以對電池組設計和制造的可靠性水平進行深入分析與研究，對提高水下機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 單體電池電化學體系和電池型號的選擇

水下機器人電源需要同時具備體積小、質量輕、安全性高和貯存時間長等特點。在一次鋰電池的電化學體系中可以有多種選擇，不同的電化學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生電池爆炸和燃燒的現象。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定的條件和規定的時間內安全地完成規定功能的能力的研究，換句話說是對電池各項技術指標失效率的研究。電池的可靠性與其工作條件密切相關，一般來講，工作溫度越低(或越高)，負荷越大，貯存時間越長，產品的可靠性越低。因此必須對產品在什么情況下定義為不可靠、發生失效進行規定。單體電池各種類型致命失效規定為：容量不足，即產品在貯存期內因制造缺陷發生自放電，導致容量不足；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，導致電池漏液；電池爆炸，即電池隔膜破損或電池裝配缺陷，導致內部短路，引發電池爆炸；異常失效，即電池工作環境出現異常(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

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

根據GB7829-87[1]，首先進行電池失效的定性分析，尋找導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生的所有故障模式；其次對各種故障模式進行定量分析，即根據所有底事件發生的概率求出頂事件發生的概率。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 電池中隨機抽樣561 只產品，其中293 只電池進行了短路和加熱安全性能試驗，268 只電池進行了電性能試驗。

WR38500 電池的安全性能試驗中的電池短路試驗均正常泄氣；加熱試驗從電池安全刻傷處泄氣，均未發生爆炸、燃燒；滿足國軍標規定，試驗結果為100%合格。根據國外統計資料[2]，Li/SO2單體鋰電池在正常使用時發生爆炸的概率為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[3]的理論，對268只電池的容量檢驗結果[4]進行統計。統計結果為：最小容量為7 820 mAh，最大容量為9 118 mAh。對268 個容量數據進行統計分析后，得出容量均值X與容量方差σ 為：

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

根據可靠度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、貯存，二是能快速組合、更換。為使電池組在規定的貯存時間(5 年)內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[6]規定的10%，每個電池模塊采用15%冗余容量的設計理念；盡量采用少串聯、多并聯的連接方式，從而提高產品總體可靠度。

因此，按照電池組的總體容量需求，在僅需要36 只電池并聯即可滿足容量要求的基礎上，考慮到確保可靠度需要15%的冗余量，將電池并聯數提高為42 只。根據電池組總體輸出電壓需求，串聯的電池模塊設計為18 個，分解到每個電池模塊的電池串聯數為6 只。

2.1 電池模塊設計

按照6 只電池串聯后再42 只并聯的方式組合，構成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，每個串聯支路上串聯加裝過流保險管(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 個支路并聯起來，以提高電池模塊的可靠性。電池模塊的串并聯原理圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路示意圖

2.2 鋰電池組設計

通過連接器將18 個上述電池模塊串聯組成電池組，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個模塊串聯電路示意圖

3 電池模塊和電池組的可靠性預測與分析

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

串聯系統的可靠度與各組成單元的可靠度之間的關系是：

并聯系統的可靠度與各單元的可靠度的關系是：

3.1 電池模塊可靠性設計與估算

各種電子元器件的失效率可以在相關可靠性手冊[7]上查到，將其乘以電池組對應的工作時間(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。一個焊接裝配點的可靠度為R焊點=0.999 99。

從電池模塊設計方案可知，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。

將以上各元器件的可靠度、焊點的可靠度匯總，將1.2.2節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：

從以上的計算結果可以看出，水下機器人配套鋰電池組的可靠度達到設計指標≥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過計算、分析得出較高的結果，失效發生的概率極小，但還是需要對所有可能出現的失效模式進行分析，從而可以采取相應的防范措施。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，導致不能正常給機器人供電，使設備無法正常工作；

(2)某個電池單元的PTC 或二極管斷路，導致該電池單元不能正常供電，從而導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)電池組內部溫度過高，造成過熱保護期間動作，切斷電源，導致并聯放電支路減少，能量下降；

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

(6)二極管短路，不能起到保護作用，在電池組放電后期出現電池充電現象，導致電池泄氣，或可能有極小概率的電池爆炸現象發生；

(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據分析

產品長期存儲后的性能更能反應出電池組的可靠性水平。本文廣泛地收集了在不同環境下長期儲存后的電池組失效數據，對其進行不同項目的檢測，以推算出電池組在存儲后的實際可靠性水平。電池組失效故障樹如圖4 所示。

圖4 水下機器人電池組故障樹

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，在設計研制階段擬采用以下措施保證產品的高質量及安全可靠性。

(1)安全性、可靠性設計，除了前面提到的安全可靠性設計思路，還增加了電路連接采用雙點雙線，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措施。

(2)嚴格各種原材料、元器件用前檢驗，設計時，對各種保護元器件盡量選用航天產品目錄中的型號；在各種原材料、元器件進廠后或使用前，嚴格進行老化檢驗及篩選，確保其質量。

(3)嚴格生產過程中工藝紀律，鋰電池的某些關鍵性能指標(如容量)是不能100%靠檢驗得出的，在生產過程中必須嚴格遵守工藝紀律。在單體電池生產前，組織參與此項工作的人員重新學習工藝文件，講清任務的重要性；在生產過程中，研制組人員跟蹤、監督。

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

(5)確保電池組裝配過程質量，編制電池組裝配工藝規程，在正式組裝產品前，試裝出一個樣件，從而可以幫助修訂、完善裝配工藝規程。正式生產時，安排專人負責電池組的裝配，專人負責裝配過程的監督、檢驗，確保裝配質量。

5 結論

本文的水下機器人電池組設計方案是由18 個電池模塊串聯組成的，電池模塊的串聯方式為快速插拔連接器；整個電池組內共有4 536 只電池。電池組的外觀、尺寸、質量及各項電性能滿足指標要求。每個電池模塊由252 只WR38500單體電池經過串聯和并聯組成，共有42 個支路并聯，每個支路由6 只電池串聯組成，裝配在一個密閉的注塑盒體內，可以進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器件和防反向充電二極管的安全保護電子元器件，使電池組的安全性得到了提高；其安全性預測分析數據為0.999 648，滿足設計指標≥0.99 的要求。通過對電池組幾種失效模式的分析，提出了產品研制過程中應采取的可靠性措施，從而可以確保對電池組生產過程中的不可靠性因素的防范。

致謝：本設計方案和測試結果均在公司項目組協助下共同完成，在此表示感謝。