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1、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。放 电电子设备工作整机工作推进器系统工作电子设备单元锂电池组航行推进单元应急电源放 电放 电图5-1 锂离子电池组功能层次示意图单体电池电连接电连接单体电池电连接锂电池组电子设备单
2、元应急电源航行推进单元15串模块(51F301)单体电池2并模块(5103)8串模块(51F302)电池组检测板模块监测板图5-2 锂离子电池组的结构层次关系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5-1。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
3、。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、51F302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
4、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。 勤务保障阶段 使用阶段购买包装任务剖面运输使用检测运输贮存维护运输发送报废图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+60） 温度（-30+6
5、0）温度（+4）图5-4 锂电池组的任务剖面示意图从以上可以看出，对51F3电池组使用和生存的环境特性有：温度变化、湿度、压力、振动、冲击、碰撞。在任务剖面内锂电池组的工作时间6 h。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。航行推进动力单元电子设备动力单元应急电源附件单元模块监测板电池组检测板图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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、四类：类（灾难的）故障模式使人员伤亡或设备毁坏；类（致命的）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；类（临界的）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；类（轻度的）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：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
11、，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
12、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：类（致命的）或类（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：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：类（临界的）和类（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
13、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：类（临界的）和类（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：类（临界的）和类（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：类（临界的）或类（轻度的）；当电池组
14、检测板无法检测或无法通讯时，任务将被迫中止，损失程度：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：类（临界的）或类（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：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)= pt j=、51F3电池组的危害度：Cr(j)=ni 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故障影响损失程度故障影响概
