熱電池電壓異常波動(dòng)技術(shù)分析及改進(jìn)*

趙宇宏，胡小薇

(1.陸軍南京軍代局駐上海地區(qū)軍代室·上海·201109;2.上海空間電源研究所·上?！?00245)

0 引 言

本文試驗(yàn)的熱電池[1-2]由單元電池、固定腳、電源輸出端組成。電源輸出端通過(guò)印制板上的6個(gè)金屬化孔與單元電池蓋上的6個(gè)接線柱錫焊相連。產(chǎn)品外形示意如圖1所示，各接點(diǎn)的電特性要求如圖2所示。

單元電池由電堆、電池殼、保溫材料和電性能輸出端子組成，本試驗(yàn)的單元電池由3組電壓輸出端子組成:+20V組、-20V組、+5V組，在設(shè)計(jì)時(shí)要求電壓平穩(wěn)下降，但是在進(jìn)行低溫試驗(yàn)過(guò)程中，012#產(chǎn)品的3組電壓曲線同步波動(dòng)、相互關(guān)聯(lián)，-20V組、+5V組電壓下降的同時(shí)，+20V組反升，電壓曲線如圖3、圖4所示。+20V組在1.2s時(shí)電壓達(dá)到最高21.7V;-20V組在1.2s時(shí)跌到最低電壓16.8V;+5V組在1.2s時(shí)跌到最低電壓3.3V。

圖1 熱電池外形示意圖Fig.1 Schematic diagram of thermal battery

圖2 電特性示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical characteristics

圖3 012#產(chǎn)品電壓0～150s曲線圖Fig.3 0～150s voltage curve of 012#product

圖4 012#產(chǎn)品電壓曲線0～5s局部放大圖Fig.4 Partial enlargement of 0～5s voltage curve of 012#product

1 原因分析

從產(chǎn)品本身和試驗(yàn)設(shè)備兩方面分析可能發(fā)生故障的原因，認(rèn)為影響電池電壓曲線波動(dòng)的因素主要有:

(1)試驗(yàn)設(shè)備

綜合測(cè)試儀故障，工藝電纜上接點(diǎn)間絕緣不良。

(2)產(chǎn)品本身

印制板上接點(diǎn)間絕緣不良，電池內(nèi)部引流線路絕緣不良，單體電池缺陷。根據(jù)分析建立故障樹，如圖5所示。

圖5 012#產(chǎn)品電壓異常波動(dòng)故障樹Fig.5 Voltage abnormal fluctuation fault tree of 012#product

1.1 試驗(yàn)設(shè)備分析

1.1.1 綜合測(cè)試儀故障分析

熱電池電性能測(cè)試所用測(cè)試設(shè)備為某綜合測(cè)試儀。產(chǎn)品試驗(yàn)前，對(duì)該測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了試驗(yàn)前的計(jì)量確認(rèn)，計(jì)量結(jié)果合格。012#產(chǎn)品放電之前，003#、020#產(chǎn)品已通過(guò)高低溫考核，設(shè)備工作正常。012#產(chǎn)品發(fā)生問(wèn)題后，又對(duì)該設(shè)備進(jìn)行了電壓標(biāo)定，設(shè)備工作正常。因此，可排除綜合測(cè)試儀發(fā)生故障的因素。

1.1.2 工藝電纜接點(diǎn)間絕緣不良分析

012#產(chǎn)品放電結(jié)束后，檢查到工藝電纜插頭與綜合測(cè)試儀對(duì)接插座之間連接正常，無(wú)松動(dòng)。取下工藝電纜，觀察插頭接點(diǎn)表面，無(wú)氧化和出現(xiàn)雜質(zhì)等異?，F(xiàn)象。取下工藝電纜，用TH2681A絕緣電阻測(cè)試儀 (100V檔)測(cè)量工藝電纜各接點(diǎn)之間的絕緣情況，絕緣電阻均大于100MΩ。因此，可排除工藝電纜上接點(diǎn)間絕緣不良的原因。

1.2 產(chǎn)品本身分析

1.2.1 印制板上接點(diǎn)間絕緣不良分析

電源輸出端的印制板與電池蓋之間采用多層云母片進(jìn)行絕緣保護(hù)。在裝配過(guò)程中若操作不當(dāng)，導(dǎo)致印制板和電池蓋之間存在焊錫或多余物，將使得印制板上各接點(diǎn)間絕緣不良，最終導(dǎo)致電壓波動(dòng)。在012#產(chǎn)品放電結(jié)束后拆除印制板，觀察印制板上各接點(diǎn)狀態(tài)和電池蓋上云母片保護(hù)情況，如圖6、圖7所示。印制板上各接點(diǎn)間無(wú)多余物，無(wú)焊錫溶掉等異常情況，電池蓋上云母片完好、無(wú)破損情況。再用TH2681A絕緣電阻測(cè)試儀 (100V檔)測(cè)量印制板各接點(diǎn)間絕緣情況，絕緣電阻均大于100MΩ。綜上所述，可排除印制板上接點(diǎn)間絕緣不良的原因。

圖6 012#產(chǎn)品印制板Fig.6 Printing plate of 012#product

圖7 012#產(chǎn)品電池蓋Fig.7 Battery cover of 012#product

1.2.2 電池內(nèi)部引流線路絕緣不良分析

熱電池通過(guò)內(nèi)部引流線路與電源輸出端連接對(duì)外輸出電能。引流線路主要由電堆上引流條、電池蓋上引流條和卡扣等組成。當(dāng)3組電壓的引流線路間絕緣不良時(shí)，將會(huì)使得電壓曲線發(fā)生波動(dòng)。

(1)電堆上引流條間絕緣不良分析

對(duì)012#產(chǎn)品進(jìn)行X光無(wú)損檢測(cè)和照相，圖片顯示引流條狀態(tài)完好，與電池堆之間間隙清晰，未發(fā)現(xiàn)多余物等異?，F(xiàn)象。

拆除印制板，用FLUKE 45萬(wàn)用表測(cè)量單元電池各接線柱對(duì)殼體、各接線柱之間的電阻，數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，除4#、5#接點(diǎn)之間電阻只有4Ω，其余各接點(diǎn)間電阻均在千歐級(jí)以上，說(shuō)明4#、5#接點(diǎn)之間絕緣不良。

表1 012#單元電池電阻匯總表Tab.1 012#Unit Battery and Resistance Summary

解剖012#產(chǎn)品，檢查3組電壓輸出引流條(電堆引流條)的絕緣保護(hù)狀態(tài)，絕緣保護(hù)完好。剪開固定膠帶，將引流條放平觀察，引線條靠近電堆一側(cè)絕緣保護(hù)完好，引線條內(nèi)側(cè)的電堆表面層次清晰，無(wú)異?，F(xiàn)象。說(shuō)明電堆引流條不存在絕緣不良的可能。

(2)電池蓋上引流條絕緣不良分析

分離組合電池蓋和電池堆，用FLUKE 45萬(wàn)用表測(cè)量電池蓋上引流條間電阻，結(jié)果顯示各引流條間電阻均在千歐級(jí)以上，說(shuō)明電池蓋上引流條不存在絕緣不良的可能。

(3)卡扣間絕緣不良分析

分離組合電池蓋和電池堆，與工藝抽放008#電池解剖后對(duì)比發(fā)現(xiàn)，4#、5#位卡扣之間定位板顏色變黑，定位板下的中孔石棉墊顏色也變黑，如圖8所示。觀察012#產(chǎn)品的中孔石棉墊的外觀，發(fā)現(xiàn)1#、2#、6#位卡扣之間定位板、中孔石棉墊顏色正常。說(shuō)明4#、5#位卡扣間絕緣不良。

圖8 放電后中孔石棉墊外觀對(duì)比圖Fig.8 Comparison of the appearance of the medium size asbestos pad after discharge

綜上所述，電池內(nèi)部引流線路中，4#、5#位卡扣間絕緣不良的原因無(wú)法排除。

1.2.3 單體電池缺陷分析

對(duì)012#故障電池工作電壓曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3組電壓同步波動(dòng)、相互關(guān)聯(lián)。-20V組、+5V組電壓下降的同時(shí)，+20V組反升。

根據(jù)熱電池工作機(jī)理，如果單體電池存在缺陷，放電過(guò)程中電堆內(nèi)部會(huì)瞬間釋放大量熱量，造成電池堆表面部分燒蝕，繼而工作電壓發(fā)生抖動(dòng)。圖9所示為單體電池缺陷造成電壓出現(xiàn)波動(dòng)和下降的典型故障曲線，但-20V組電壓下降時(shí)，+20V組電壓也下降，與012#產(chǎn)品電壓曲線波動(dòng)趨勢(shì)不一致，因此，可排除電池內(nèi)部單體電池缺陷的原因。

圖9 單體電池缺陷典型故障曲線圖Fig.9 Typical failure curve of single battery defect

將012#產(chǎn)品解剖后觀察電池堆外觀，同時(shí)取生產(chǎn)過(guò)程中工藝抽放008#單元電池解剖，對(duì)比電池堆表面狀態(tài)，電堆表面干凈、完整、無(wú)灼燒點(diǎn)，與012#單元電池堆外觀相比無(wú)差別。由故障產(chǎn)品X光成像圖可知，電堆單體電池清晰可辨。同時(shí)根據(jù)電壓曲線特征分析和解剖分析，可排除單體電池缺陷的原因。

綜上所述，從電池本身和外圍兩方面分析可能發(fā)生故障的原因，故障定位在電池內(nèi)部引流線路中4#、5#位卡扣絕緣不良。

2 機(jī)理分析

在熱電池生產(chǎn)過(guò)程中，先將電池蓋上引流條和電堆中引流條并聯(lián)后用卡扣固定，剪去多余部分，再上翻至定位板的開槽中。由于定位板在電池蓋與電堆中間，且只有1mm，卡扣上翻后無(wú)法確認(rèn)其深入內(nèi)部的長(zhǎng)度。如果熱電池內(nèi)部的4#位和5#位卡扣上翻深入過(guò)長(zhǎng) (如圖10所示)，可能造成相鄰卡扣之間的距離過(guò)近;同時(shí)將卡扣壓在定位板和中孔石棉墊之間，導(dǎo)致兩者之間存在縫隙。

圖10 012#產(chǎn)品4#位卡扣X光成像圖Fig.10 X-ray image of 4#snap joint in 012#product

熱電池接收到激活信號(hào)后，電點(diǎn)火頭點(diǎn)爆并引燃位于點(diǎn)火頭下方的高速引燃紙，產(chǎn)生了大量夾帶有高濃度固體顆粒物的氣體，這些高濃度固體顆粒物主要為含鉛、鋯等具有一定導(dǎo)電性的元素。在氣流的作用下，高濃度固體顆粒物會(huì)進(jìn)入定位板和中孔石棉墊之間的縫隙并沉積下來(lái)。沉積到一定量后，引起4#、5#位的絕緣不良，等效電路如圖11所示。

圖11 等效電路圖Fig.11 Equivalent circuit diagram

由于6#、1#位共地，當(dāng)4#、5#位絕緣不良時(shí)，-20V組和+5V組電堆形成25V的回路。以-20V組為例，-20V組的電堆電壓由20V增大為25V，造成-20V組回路電流增大，內(nèi)阻壓降(U內(nèi)阻)和共地線壓降(U共地)也隨之增大，由于-20V組輸出電壓U2=U0-U內(nèi)阻-U共地，因此，U2將隨之降低。+5V組同理。

當(dāng)+20V組和-20V組在恒流階段時(shí)，此時(shí)1'點(diǎn)和1點(diǎn)兩端的電勢(shì)差為0;當(dāng)-20V組負(fù)載電流變大時(shí)，此時(shí)1'點(diǎn)的電勢(shì)大于1點(diǎn)的電勢(shì)。因此，+20V組整個(gè)回路電壓(E)變大，而+20V組的回路電阻R=E/I，I恒定，則R變大;又R=R電池內(nèi)1+R共地+R負(fù)載1，R電池內(nèi)1和R共地恒定不變，因此，R負(fù)載1變大， +20V組輸出電壓U1=IR負(fù)載1， 變大。

在4#、5#位絕緣不良形成的回路中，電能主要在此處轉(zhuǎn)化為熱能，當(dāng)熱量達(dá)到一定值后，部分高濃度固體顆粒沉積物被燒蝕，4#、5#位之間重新斷開，電壓恢復(fù)正常。然后當(dāng)新的高濃度固體顆粒物繼續(xù)沉積到一定量時(shí)，4#、5#位之間再次絕緣不良，電壓也隨之變化，之后高濃度固體顆粒沉積物又被燒蝕，4#、5#位之間重新斷開，電壓恢復(fù)正常，反復(fù)多次。

3 故障復(fù)現(xiàn)

3.1 新裝配產(chǎn)品復(fù)現(xiàn)

為了驗(yàn)證4#、5#位卡扣距離大小對(duì)電池電性能的影響，在定位板的4#、5#位各固定一層鎳帶，控制2個(gè)鎳帶間距離來(lái)模擬卡扣距離。2015年5月27日～5月28日，分別模擬卡扣距離為0.5mm、1mm和2mm的情況，裝配成單元電池進(jìn)行放電，放電曲線如圖12所示。從放電曲線可以看出，0.5mm和1mm情況下電池激活后，3組電壓曲線同步波動(dòng)、相互關(guān)聯(lián)，-20V組、+5V組電壓下降的同時(shí)，+20V組反升。這與故障電池的電壓曲線波動(dòng)相符。而在2mm情況下，電池激活后電壓曲線平穩(wěn)，未發(fā)生任何波動(dòng)。放電結(jié)束后待電池冷卻至常溫，用FLUKE45萬(wàn)用表測(cè)量電池各接線柱對(duì)殼體、各接線柱之間的電阻，結(jié)果顯示0.5mm和1mm模擬電池的4#、5#接點(diǎn)之間電阻分別為3.45Ω和3.8Ω，與故障電池測(cè)量結(jié)果一致;2mm模擬電池各接點(diǎn)間電阻均在千歐級(jí)以上。

圖12 模擬電池電壓曲線圖Fig.12 Simulated battery voltage curve

解剖3個(gè)模擬電池，觀察定位板和中孔石棉墊，發(fā)現(xiàn)0.5mm和1mm模擬電池的4#、5#位卡扣之間定位板顏色和中孔石棉墊顏色均發(fā)黑，這與故障電池解剖現(xiàn)象一致;2mm模擬電池定位板和中孔石棉墊顏色正常，無(wú)燒蝕發(fā)黑現(xiàn)象。說(shuō)明4#、5#位卡扣之間過(guò)近時(shí)，易引起兩者間放電，進(jìn)而引起4#、5#位之間絕緣下降。

3.2 同批產(chǎn)品復(fù)現(xiàn)

對(duì)012#同批未放電的21只產(chǎn)品進(jìn)行X光無(wú)損檢測(cè)，測(cè)量出電池蓋上4#、5#位卡扣之間距離，數(shù)據(jù)如表2所示。取3個(gè)4#、5#位卡扣距離較近的電池 (編號(hào)為013#、023#、026#)進(jìn)行放電試驗(yàn)，放電曲線如圖13所示。從放電曲線可以看出，0.94mm情況下電池被激活后，3組電壓曲線開始出現(xiàn)波動(dòng)，與故障電池的電壓曲線變化相符。1.06mm和1.33mm情況下電池激活后工作正常，電壓曲線平穩(wěn)。用FLUKE45萬(wàn)用表測(cè)量電池各接線柱對(duì)殼體、各接線柱之間的電阻，結(jié)果顯示013#電池的4#、5#接點(diǎn)間電阻為4.2Ω，其余各接點(diǎn)間電阻均在千歐級(jí)以上，這與故障電池測(cè)量結(jié)果一致;023#、026#電池各接點(diǎn)間電阻均在千歐級(jí)以上。

解剖電池，觀察定位板和中孔石棉墊，發(fā)現(xiàn)013#電池的4#、5#位卡扣之間定位板顏色和中孔石棉墊顏色均發(fā)黑，這與故障電池解剖現(xiàn)象一致;023#、026#電池定位板和中孔石棉墊顏色正常，無(wú)燒蝕發(fā)黑現(xiàn)象。

表2 電池蓋上4#、5#位卡扣距離Tab.2 Snap distance at positions 4 and 5 on battery cover

圖13 013#、023#、026#產(chǎn)品電壓曲線圖Fig.13 voltage curves of 013#,023#,and 026#products

綜上所述，通過(guò)抽取故障狀態(tài)接近產(chǎn)品的放電試驗(yàn)表明，當(dāng)4#、5#位卡扣距離過(guò)近時(shí)，兩接點(diǎn)間放電，引起4#、5#位之間絕緣下降，進(jìn)而電壓波動(dòng)，故障得到復(fù)現(xiàn)。

4 采取措施

4.1 設(shè)計(jì)改進(jìn)

將電堆上部的中孔石棉墊改為開槽中孔石棉墊，數(shù)量調(diào)整為5片，安裝時(shí)將卡扣放置在開槽中，將卡扣完全隔離，即將卡扣由原來(lái)的水平放置在定位板中，改為垂直放置在開槽石棉墊中，從而有效增加卡扣之間的距離并使之隔離。再用耐高溫的壓敏絕緣膠帶包裹2～4圈，同時(shí)卡扣外圍還有石棉紙和云母帶的保護(hù)，可以保證卡扣之間、卡扣與殼體之間的絕緣良好。

4.2 工藝完善

在工藝上增加檢驗(yàn)步驟，安裝卡扣后，目測(cè)檢查卡扣位置是否在開槽中孔石棉墊的槽內(nèi)，確?？畚恢脻M足要求。

4.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照上述改進(jìn)方案，生產(chǎn)了8只試驗(yàn)電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)放電試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)量和分組情況如表3所示，放電數(shù)據(jù)如表4所示，電壓曲線如圖14所示。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，采取改進(jìn)措施后，001#、002#、004#、005#、007#、008#電池的輸出電壓曲線平穩(wěn)，工作正常。將003#、006#電池安裝在控制艙內(nèi)進(jìn)行放電，采樣數(shù)據(jù)顯示電壓曲線平穩(wěn)，工作正常，滿足總體使用要求。

表3 試驗(yàn)數(shù)量及分組情況Tab.3 Number of tests and grouping testing

表4 采取改進(jìn)措施后放電試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Discharge test data after taking improvement measures

圖14 改裝后電池電壓曲線Fig.14 Battery voltage curve after modification

放電結(jié)束后，用FLUKE 45萬(wàn)用表測(cè)量電池各接線柱對(duì)殼體、各接線柱之間的電阻，結(jié)果顯示各接點(diǎn)間電阻均在千歐級(jí)以上。對(duì)其中004#、005#電池進(jìn)行X光無(wú)損檢測(cè)和照相，圖片顯示電池內(nèi)部卡扣由開槽中孔石棉墊完全隔開，同時(shí)卡扣無(wú)位移、突出等異?，F(xiàn)象。

解剖004#電池，觀察卡扣位置和開槽中孔石棉墊的表面情況。經(jīng)過(guò)力學(xué)環(huán)境考核后，發(fā)現(xiàn)卡扣未發(fā)生位移、突出等異常情況;開槽中孔石棉墊表面干凈，與未改裝之前相比，表面附著物明顯減少。

綜上，熱電池采用改進(jìn)的措施，消除了故障隱患，提高了產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié) 論

012#熱電池低溫工作電壓異常波動(dòng)的原因是電池內(nèi)部4#接點(diǎn) (-20V輸出)與5#接點(diǎn)(+5V輸出)在裝配時(shí)引流條連接卡扣位置距離過(guò)近，且卡扣造成定位板與中孔石棉墊間存在間隙，致使放電過(guò)程中2個(gè)接點(diǎn)之間絕緣不良。該問(wèn)題的解決對(duì)后續(xù)導(dǎo)彈用熱電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝控制具有重要的指導(dǎo)意義。