锂离子电池组的故障模式影响及危害性分析.docx

1、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。5-1 o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

2、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

3、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

4、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（25 h） 地面（25 h）水下（6h）温度（-30 C +60 C）温度（-30 C +60 C）温度（+4 C）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5-51.2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

5、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33.2kWhb） 无功率输出（2） 电子设备动力单元a） 功率输出不能达到4.74KWhb） 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5.54KWhb） 无功率输出（2） 51F302 模块a） 功率输出不能达到2.37KWhb） 无功率输出（3） 5103 模块a） 功率输出不能达到630Whb） 无功率输出3、 最低约定层

6、次故障判据（1 ）单体电池a） 功率输出不能达到369Whb） 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

7、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

8、：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

9、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

10、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

11、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）。51F

12、301 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

13、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（

14、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）= axppoi j=i、u、川5仆3电池组的危害度：Cr（j）= Eni Cmi（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0.90.1无电压0.445电池组非正常工作电池组无法工作类川类0. 90. 1低

15、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0.50.5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151F3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

16、重腐蚀川类 n类0.50.5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0.70.3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0.70.3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（43800 h），出现故障的单体电池在1只。锂离子电池组工作时间56 h计算。则电池组的故障率：_7巾=1/ （100-1 ） /43800 =2.31 X10 7根据可靠性预计得到电池组检测板基本故障率入

17、p1=9.63 X10-6；模块监测板的基本故障、, -6率Ap2 =40.0245 X0。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I2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I2泄气电池组不工作n3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IV6无电压（单体电池）电池组不工作IV7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V10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