基于PTC陶瓷電阻大容量蓄電池組放電車的故障分析和改進

閆利偉 宋東升 劉冀

（海軍工程大學天津校區(qū)，天津 300450）

大容量蓄電池組進行周期性治療，對其活性物質(zhì)的恢復，消除鈍化現(xiàn)象，恢復容量和使用壽命有重要的作用。在周期性治療過程中，按規(guī)定放電制對蓄電池組進行深度放電，然后再進行正常的充電和再充電，是大容量蓄電池組周期性治療的主要方法。而科學、可靠的放電裝置，不僅能保證大容量蓄電池組能按規(guī)定的放電制要求進行放電，確保治療的順利進行；同時能在放電時根據(jù)蓄電池組電壓變化自動調(diào)節(jié)放電電阻，達到恒流放電，從而能正確的評價蓄電池組的容量，對其性能判定有重要的意義。

文獻[1]中，介紹了一種利用PTC的正溫度系數(shù)所表現(xiàn)出的非線性阻抗特性，控制PTC表面的溫度，間接調(diào)節(jié)PTC的阻抗，實現(xiàn)岸基大容量蓄電池組恒流放電的裝置。其中如何控制PTC表面的溫度，使其阻抗達到理想的值是這種放電車滿足大容量蓄電池組恒流放電要求的核心技術。在此，對控制PTC表面的溫度出現(xiàn)的一種故障進行了分析并做出了改進，本文采用標幺值。

1 現(xiàn)場的事故現(xiàn)象

這種蓄電池放電車在某岸基現(xiàn)場試驗時，設計人員檢查了兩臺放電車無短路和接地現(xiàn)象等故障后，指揮人員下令進行第一次放電試驗；放電開始前蓄電池組開路電壓為1.089，放電開始后，放電車上表記與蓄電池組表記均顯示電池組電壓為1.045，放電開始10 s左右時間后（此時還沒有到風機啟動時間，風機啟動時間為放電開始18 s后），編號為NO1放電車有一根PTC負載爆裂并有火花現(xiàn)象出現(xiàn)，指揮人員下令斷開蓄電池組出口開關。

設計人員仔細檢查了兩臺放電車，在確定不會再次出現(xiàn)爆裂及火花情況后，指揮人員下令進行第二次放電試驗，放電開始后，編號為 NO1放電車顯示初始電流為 1.145，隨后放電電流逐漸減小，最后顯示電流 0.532，電流不再減小；編號為NO2放電車初始顯示電流1.177，隨后放電電流逐漸減小，最后顯示電流 0.613，電流不再減小。兩臺放電車均沒有達到設計要求的恒流放電電流。

2 故障分析

2.1 故障定位

設計人員按照大容量蓄電池組放電車的設計方案對問題原因進行了仔細查找。首先，對所有PTC負載進行了檢查和正常上電試驗，沒有再次出現(xiàn)爆裂及火花現(xiàn)象；其次設計人員與PTC負載生產(chǎn)單位進行溝通，確定本放電車使用的PTC負載設計的最高工作電壓為 1.023，如果工作電壓超過最高電壓上限，將有可能發(fā)生PTC負載被擊穿并發(fā)生爆裂。

按照設計方案要求，放電車在對基準電壓等級電池組進行放電時，將所有PTC負載均勻分為兩組，每組分別安裝在放電車箱體的兩側，然后將這兩組PTC負載進行串聯(lián)，每組PTC負載承擔電壓為蓄電池組基準電壓的一半，即電壓為0.500，因此問題可定位于均勻分配的兩組 PTC電阻沒有按照設計方案的要求均勻分擔蓄電池組的電壓，部分PTC負載上的電壓超過PTC負載最高工作電壓，造成PTC負載被擊穿，發(fā)生爆裂和火花現(xiàn)象；并且由于兩組PTC負載分擔的電壓不同，使每組PTC負載上電壓均不在PTC負載額定工作電壓范圍之內(nèi)，發(fā)熱功率小于額定發(fā)熱功率，導致放出電流小于設計放電電流。

2.2 故障機理

在仔細分析和研究了現(xiàn)場發(fā)生的情況后，設計人員發(fā)現(xiàn)，試驗當日，室外風力為陣風 7～8級左右，由于均勻分配的兩組PTC負載分別安裝在放電車的兩側；有一組PTC負載正對著風向，另一組背對著風向；正對著風向的PTC負載散熱良好，而背對著風向的PTC負載散熱相對較差，造成兩組PTC負載散熱功率相差太大。

由于PTC負載是功率型負載，電阻值隨PTC負載自身的溫度變化而變化，散熱效果較差的一組PTC負載比散熱效果好的一組PTC負載自身溫度高，所以電阻值也高，在串聯(lián)連接方式中，阻值高的電阻分擔的電壓也高，這樣散熱效果差的一組 PTC負載必然承受蓄電池組的大部分電壓，而散熱效果好的一組PTC負載承受蓄電池組小部分電壓。試驗結果表明，發(fā)生爆裂和火花現(xiàn)象的PTC負載正好處于背風一側，該組負載承受的電壓很可能超過PTC負載最高工作電壓，造成極個別耐壓值在1.023左右的PTC負載被擊穿，發(fā)生爆裂和火花現(xiàn)象。

本放電車使用的 PTC負載的額定工作電壓為0.500，正常工作電壓為0.432～0.568，在正常工作電壓范圍內(nèi)時，PTC負載的發(fā)熱功率為標稱設計功率，當工作電壓在正常工作電壓范圍之外時，其發(fā)熱功率將大幅度降低，造成放電電流也大幅度降低。在本次試驗中，兩組串聯(lián)的PTC負載由于受到外界自然風的影響，兩組PTC負載的發(fā)熱功率不相等，電阻值也不相等，造成分壓不均，使兩組PTC負載上的電壓均不在其工作電壓范圍之內(nèi)，其發(fā)熱功率都大幅度降低，放電電流也大幅度降低，使放電電流沒有達到設計放電電流值。

2.3 故障復現(xiàn)

為了驗證以上分析的正確性，設計人員在實驗室模擬了現(xiàn)場情況，將兩根 PTC負載串聯(lián)連接，其中一只PTC負載用風機強制風冷，模擬自然風，另一只PTC負載采用自然冷卻，在串聯(lián)負載上加直流電壓源，如圖 1，電壓源的電壓從 0緩慢上升到1.023，觀察電壓表V1和V2上的電壓，發(fā)現(xiàn)電壓基本全部加在PTC負載Rt2上，PTC負載Rt1上電壓很小。

圖1 一只PTC強制風冷，一只自然冷卻

按照通用型潛艇蓄電池放電監(jiān)測車設計方案，在兩根PTC負載上加相同風量的強制風冷風機，如圖 2，重復以上步驟，發(fā)現(xiàn)電壓表 V1和V2的值基本一致，電壓源電壓上升到1.045甚至1.136時，每根PTC負載上的電壓基本為電源電壓的一半，兩根PTC負載完成了電壓的均分。

在附圖1中，將Rt1和風機撤走，然后將電壓源的電壓從0上升到0.454左右時，電流表顯示從 0上升到最大電流電流值為 0.033，繼續(xù)升高電壓后，電流逐漸減小，到電壓上升到 1.023時，電流表顯示值接近為 0.002，當電壓繼續(xù)上升達到電壓 1.045左右時，電流表顯示電流突然急劇增大，瞬間后QF1發(fā)生短路跳閘，在本實驗中，斷路器的額定電流為 0.161，所以可以斷定是發(fā)生了PTC負載過電壓被擊穿現(xiàn)象。

圖2 兩根PTC負載上加相同風量的強制風冷

通過上述實驗可以確定，此次在某岸基進行放電試驗時發(fā)生的事故是由于設計人員沒有考慮放電車實際使用環(huán)境條件下（強自然風），兩組PTC負載不能實現(xiàn)電壓均分而引起的，證明上述故障機理的分析是正確的。

3 解決措施

在認識到放電試驗失敗的原因后，設計人員重新仔細分析了蓄電池放電車最初的設計方案，為了避免由自然環(huán)境引起兩組 PTC負載上分壓不均，從根本上杜絕 PTC負載過電壓被擊穿現(xiàn)象，設計人員重新選擇了一種新型PTC負載，該新型PTC負載額定工作電壓為基準電壓1.000，最高工作電壓可達 1.704，在 0.409～1.091寬電壓范圍內(nèi)，其發(fā)熱功率均恒定，所以無論蓄電池組電壓是0.500還是1.000，該新型PTC負載均能正常放電；無需再將所有PTC負載分為兩組，也不需要再進行串聯(lián)才能放電。

4 結束語

該新型PTC負載使用后，放電車設計將大為簡化，不再需要兩種電壓等級的電池組輸入銅排，也不需要再進行 0.500和 1.000兩種電壓等級的電壓、電流測量轉換，改進了原設計方案的缺陷，取得了良好的實際效果。

[1]宋東升, 閆利偉, 劉冀. 基于PTC陶瓷電阻的大容量蓄電池組恒流放電. 蓄電池，2009（3）.