锂离子电池组的故障模式影响及危害性分析.docx
《锂离子电池组的故障模式影响及危害性分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锂离子电池组的故障模式影响及危害性分析.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
锂离子电池组的故障模式影响及危害性分析
1锂离子电池组的故障模式、影响及危害性分析
1.1电池组系统定义1.1.1约定层次的划分
锂离子电池组系统分为：
航行推进动力单元、电子设备动力单元、应急电源、电池组检
测板和模块监测板，其中应急电源由锂/亚硫酰氯单体电池组成。
航行推进动力单元由6个51F301模块串联组成，电子设备动力单元由2个51F302模块并联组成，应急电源由1个5103模块组成。
51F3功能层次关系的对应关系见图5-1和结构层次关系见图5-2。
5-1o
依据锂离子电池组系统结构层次关系图，锂离子电池组约定层次的划分见表
表5-1电池组约定层次的划分
序号
约定层次
层次名称
1
初始约定层次
航行推进单元、电子设备动力单元、应急电源、电缆组件、电池组检测板、模块监测板
2
第二约定层次
51F301模块、
51F302模块、5103模块
3
最低约定层次
单体电池、二极管、传感器、焊点、
1.1.2约定层次的任务功能和工作方式
初始约定层锂离子电池组的任务功能是给推进系统提供能源，使主载体完成预定的各项任务。
航行推进动力单元通过放电的方式给推进系统提供33.2kWh的功率容量，电子设备
单元通过放电的方式给控制和导航系统提供4.74kWh的功率容量。
电池组检测板完成检测
航行推进动力单元、电子设备动力单元的总电压和总电流、过流保护的功能，模块监测板完成对单体电池的电压、温度的检测。
第二约定层次51F301模块、5仆302模块、5103模块的任务功能是输出能源，通过放电的方式完成初始约定层次对其要求的输出功率容量。
51F301模块需要输出5.54KWh，
51F302模块需要输出2.37KWh，5103模块需要输出630Wh。
最低约定层次单体电池任务功能是输出能源，通过放电的方式完成第二约定层次对其要求的输出功率容量，单体电池需要输出0.369KWh。
最低约定层次串联二极管任务功能是单向导通和反向截止作用；
最低约定层次焊点任务功能是焊接和导电。
最低约定层次传感器任务功能是测量各个单体电池的温度、电压及其支路的总电压、总电流。
1.1.3环境剖面和工作时间
锂离子电池组的环境剖面分析和对其环境条件预计，必须基于电池组的寿命剖面分析和任务剖面分析。
电池组的寿命剖面见图5-3
图5-3锂电池组的寿命剖面时间
锂电池组的任务剖面见图5-4
地面（2〜5h）地面（2〜
5h）
水下（＞6h）
温度（-30C〜+60C）
温度（-30C〜+60C）
温度（+4C）
图5-4锂电池组的任务剖面示意图
从以上可以看出，对5仆3电池组使用和生存的环境特性有：
温度变化、湿度、压力、
1.1.4方框图
锂电池组的方框图分原理方框图和可靠性方框图，见图5-5
图5-5
1.2故障模式分析1.2.1故障判据
1、初始约定层次故障判据
51F3电池组主要功能由航行推进动力单元、电子设备动力单元、电池组检测板、模块监测板、电缆组件完成。
（1）航行推进单元
a）功率输出不能达到33.2kWh
b）无功率输出
（2）电子设备动力单元
a）功率输出不能达到4.74KWh
b）无功率输出
（3）电池组检测板
a）电压或电流检测值错误
b）检测板无输出
（4）模块监测板
a）电压或温度检测值错误b）监测板无输出
（5）电缆组件
无输出
2、第二约定层次故障判据
（1）51F301模块
a）功率输出不能达到5.54KWh
b）无功率输出
（2）51F302模块
a）功率输出不能达到2.37KWh
b）无功率输出
（3）5103模块
a）功率输出不能达到630Wh
b）无功率输出
3、最低约定层次故障判据
（1）单体电池
a）功率输出不能达到369Wh
b）开路电压低
c）无电压
（2）焊点
支路无电压
（3）串联二极管
二极管断路、短路
（4）传感器
测量结果错误传感器无输出
1.2.2故障模式分析
1、初始约定层次故障模式分析
依据锂离子电池组的故障判据，锂离子电池组的故障模式有四种形式：
爆炸、泄气、无电压、低电压、电池组检测板检测值错误、模块监测板检测值错误。
故障模式所在的阶段和原因见表5-2。
表5-2故障模式所在的阶段和原因
故障模式
发生阶段
原因
爆炸
勤务保障、使用
通过单体电池的故障模式表现
泄气
勤务保障、使用
通过单体电池的故障模式表现
低电压
勤务保障、使用
自放电
无电压
勤务保障、使用
通过模块故障模式表现或连接输出电缆断开
电池组检测板检测值错误
使用
传感器、CPU、测量支路或通讯芯片损坏
模块监测板检测值错误
使用
传感器、CPU、测量支路或通讯芯片损坏
2、第二约定层次故障模式分析
依据第二约定层次故障的故障判据，故障模式有三种形式：
爆炸、泄气、无电压、低电压。
故障模式所在的阶段和原因见表5-3。
表5-3故障模式所在的阶段和原因
故障模式
发生阶段
原
因
爆炸
勤务保障、使用
通过单体电池的故障模式表现
泄气
勤务保障、使用
通过单体电池的故障模式表现
低电压
勤务保障、使用
自放电
无电压
勤务保障、使用
通过单体电池故障模式表现
3、最低约定层次故障模式分析
依据最低约定层次故障的故障判据，故障模式有三种形式：
爆炸、泄气、低电压、无电
压、二极管失效、传感器失效。
故障模式所在的阶段和原因见表5-4
表5-4故障模式所在的阶段和原因
故障模式
发生阶段
原因
爆炸
勤务保障、使用
单体电池外部短路、过充、过放、挤压和超范围使用等
泄气
勤务保障、使用
单体电池密封缺陷、高温
无电压
勤务保障、使用
单体电池失效
低电压
勤务保障、使用
单体电池材料缺陷造成性能降低
二极管失效
勤务保障、使用
超范围使用、到达寿命周期等
传感器失效
勤务保障、使用
超范围使用、到达寿命周期等
1.3影响分析
故障模式的影响分析按约定层次逐层分析。
从故障模式分析看，整个系统的故障模式有五种：
爆炸、泄气、无电压、低电压、检测值错误。
每个约定层次的爆炸、泄气、无电压、低电压故障模式都来自于最低约定层次的单体电池。
检测值错误是由电池组检测板或模块监测板故障产生。
爆炸、泄气、无电压、低电压和检测故障会产生一定的损失，将故障模式的损失程度分成四类：
I类（灾难的）一一故障模式使人员伤亡或设备毁坏；
U类（致命的）一一故障模式使人员严重伤害或设备严重损坏，造成重大经济损失；川类（临界的）一一故障模式使人员轻度伤害或导致任务延误或降级的系统轻度损坏，
有一定经济损失;
W类（轻度的）一一该故障模式不足以导致人员伤害、或系统故障，但不影响锂离子电
池组完成任务，会造成计划外的维护和修理，有一定经济损失。
1.3.1爆炸故障模式影响分析
单体电池爆炸造成其本身不能工作，同时也导致所在的支路、模块以及电池组都无法工
作，甚至有可能出现人员伤亡。
因此，爆炸的损失程度定为：
1类（灾难的）。
为了确保电池组系统不会出现爆炸，在设计上采取有效措施如下：
（1）在单体电池的金属壳体上设计安全阀，将爆炸转化成泄气，降低损失程度；
（2）优化单体电池的结构设计，提高单体电池容量的均匀性，减小内阻以提高工作电压，降低单体电池的发热量；
（3）优化模块的结构设计，使单体电池之间相互间隔，预留散热通道；
（4）依据电池组的充放电规律，设计充放电监控管理系统，防止电池被过充和过放。
1.3.2泄气故障模式影响分析
单体电池泄气造成其本身和所在的模块不能工作，有可能影响其它模块工作。
在51F301模块中的单体电池泄气就导致电池组不能完成功能。
在51F302模块中的单体电池泄气造成该模块不能工作，两个并联的51F302模块中电池同时泄气就导致电池组不能完成功能，而且会造成对其他系统（例如载体壳体、控制系统电缆等）不同程度的腐蚀。
5103模块中的单体电池泄气也影响电池组工作，因此，泄气的损失程度视情况而定：
U类（致命的）或川类（临界的）。
为了保证电池组系统不会出现泄气，除了采用热设计外，在生产过程中进行严格工艺筛
选。
1.3.3无电压故障模式影响分析
电池组无电压直接导致电池组不能完成功能。
因此，电池组无电压的损失程度定为：
川类（临界的）。
51F301模块、两个51F302模块无电压，就导致电池组不能完成功能。
只有一个51F302
模块无电压，系统有可能完成工作。
因此，5101模块、5102模块无电压的损失程度定为：
川类（临界的）和W类（轻度的）。
单体电池无电压造成其本身所在的模块不能工作，对于航行推进能源影响其他模块工作，对于电子设备动力单元不影响其它模块工作。
因此，单体电池无电压的损失程度视情况而定：
川类（临界的）和W类（轻度的）。
1.3.4低电压故障模式影响分析
单体电池电压低造成其本身所在的模块不能工作，对于航行推进能源影响其他模块工作，对于电子设备动力单元不影响其它模块工作。
因此，单体电池无电压的损失程度视情况而定：
川类（临界的）和W类（轻度的）。
1.3.5检测值错误故障分析
电池组检测板负责检测航行推进动力单元和电子设备动力单元的总电压、总电流，电池进行过流保护。
当电池组检测板出现检测错误时，可能导致控制系统的误动作，进而导致航次失败，损失程度视情况而定：
川类（临界的）或W类（轻度的）；当电池组检测板无法检测或无法通讯时，任务将被迫中止，损失程度：
川类（临界的）。
模块监测板负责检测单体电池的电压、温度。
当出现检测错误时，可能导致控制系统的误动作，进而导致航次失败，损失程度视情况而定：
川类（临界的）或W类（轻度的）；当模块监测板无法检测或无法通讯时，任务将被迫中止，损失程度：
川类（临界的）。
1.4危害性分析
依据上述故障模式及影响分析的结果，对爆炸、泄气、无电压、低电压、电池组检测板、模块监测板进行危害性分析。
危害性分析的方法采用危害性矩阵法。
故障模式的危害度：
Cmi（j）=axppoij=i、u、川
5仆3电池组的危害度：
Cr（j）=EniCmi（j）
单体电池的故障影响见表5-6。
产品
名称
故障模
式
故障模
频数比a
故障影响
损失
程度
故障影响
概率B
单体电池
爆炸
0.01
电池组无法工作，甚至有可能出现人员伤亡
I类
1
泄漏
0.1
电池组非正常工作、轻度腐蚀
电池组无法工作、严重腐蚀
川类
n类
0.9
0.1
无电压
0.445
电池组非正常工作
电池组无法工作
"类
川类
0.9
0.1
低电压
0.445
电池组非正常工作
"类
1
模块的故障影响见表5-7
表5-7模块的故障影响
产品
名称
故障模式
故障模频
数比a
故障影响
损失程度
故障影响概率
3
模块
爆炸
0.01
电池组无法工作，甚至有可能出现人员伤亡
I类
1
泄漏
0.1
电池组非正常工作、轻度腐蚀
电池组无法工作、严重腐蚀
川类n类
0.5
0.5
无电压
0.69
电池组无法工作
川类
1
低电压
0.20
电池组无法工作
川类
1
51F3电池组的故障影响见表5-8
表5-8:
5仆3电池组的故障影响
产品
故障模
故障模频
故障影响
损失程
故障影响
名称
式
数比a
度
概率3
电
爆炸
0.01
电池组无法工作，甚至有可能出现人员伤亡
I类
1
池
组
泄气
0.1
电池组非正常工作、轻度腐蚀
电池组无法工作、严重腐蚀
川类n类
0.5
0.5
无电压
0.69
电池组无法工作
川类
1
检测板
检测值
错误
0.1
电池组能量计算错误
电池组无法工作
"类
川类
0.7
0.3
监测板
检测值
错误
0.1
电池过放，性能下降
电池组无法工作
"类
川类
0.7
0.3
锂离子电池组系统出现的故障基本上是由单体电池的故障造成的。
因此，电池组的故障
率可以依据单体电池的故障统计数据来计算。
统计的单体电池总数：
100只，统计的时间为锂电池预计的总寿命单位：
5年（43800h），
出现故障的单体电池在1只。
锂离子电池组工作时间56h计算。
则电池组的故障率：
_7
巾=1/（100-1）/43800=2.31X107
根据可靠性预计得到电池组检测板基本故障率入p1=9.63X10-6；模块监测板的基本故障
、,-6
率Ap2=40.0245X0。
1.5故障模式、影响及危害性分析结果
FMECA表格见附表；关键件、重要件清单见特性分析报告；严重故障模式（I、U）清单见表5-9;单点故障模式清单见表5-10。
表5-9严重故障模式（i、n）清单
序号
故障模式
故障影响
损失程度
1
爆炸
电池组不工作、可能有人员伤亡
I
2
泄漏
电池组不工作，可能有人员受伤
n
表5-10单点故障模式清单
序号
故障模式
故障影响
损失程度
1
爆炸
电池组不工作、可能有人员受伤
I
2
泄气
电池组不工作
n
3
无电压（电池组）
电池组不工作
出
4
无电压（模块）
电池组不工作
出
5
无电压（单体电池）
电池组不工作
出
电池组非正常工作
IV
6
无电压（单体电池）
电池组不工作
IV
7
检测板检测值错误
电池组能量计算错误
V
电池组无法工作
出
8
监测板检测值错误
电池组电压、电流检测错误
V
电池组无法工作
出
9
二极管失效
电池组无法工作
有安全隐患
V
10
传感器失效
电池组检测板无法工作
模块监测板无法工作
川或V
川或V
升级会员 