化学电源可靠性分析

化学电源可靠性分析兰汉金（广东省石油化工职业技术学校，广州510320）摘 要：本文根据电池各主要部件的逻辑关系，建立了单块电池的可靠性模型。

结合化学电源的使用效果，完成了化学电源的故障模式研究和电池故障树（FTA）分析和故障模式影响及危害分析(FMECA)。

关键词：化学电源可靠性分析中图分类号：TM912.1 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2008）05-0317-04A Reliability Analysis of the Chemical Power SourceLan Hanjin(Guangdong petroleum & Polytechnic College, Guanzhou 510320, China)Abstract:According to the logic relationship of the main parts of the battery. This paper establishes the reliability mode of the single cell. It also makes the failure mode researches, FTA analysis and Failure Mode Effect and Criticality Analysis (FMECA) based on practical use of the chemical power source.Key words:chemical power source; reliability; analysis1引言可靠性分析是指对系统或设备的可靠性特征和水平的分析[1]。

通过可靠性分析，我们可以了解系统和设备的可靠性水平、故障形式及其影响，找出系统和设备的可靠性薄弱环节，为改进系统和设备的可靠性和研制新设备制定可靠性指标提供依据。

系统可靠性分析的主要方法是可靠性框图法。

可靠性框图又称可靠性逻辑图[2]，是表示系统中各部分之间的功能关系的。

一般情况下，我们是根据系统的原理图来画可靠性框图的。

故障树分析法就是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、软件、环境、人为因素等等）进行分析，画出逻辑框图（即故障树），从而确定系统故障原因的各种可能组合方式及其发生概率[3]，以计算系统故障概率，采取相应纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。

故障模式影响及危害分析FMECA(Failure Mode Effect and Criticality Analysis，简称FMECA) 是在产品设计过程中，通过对产品各组成单元潜在的各种故障模式及其对产品功能的影响。

产生后果的严重程度进行分析，提出可能采取的预防措施[4]，以提高产品可靠性的一种设计方法。

由此可见，FMECA的目的是为了事先发现潜在的设计弱点，即弄清产品中的关键，(危险零件)并将其分级，提出减小零件致命度的措施和更改设计的建议。

2 化学电源可靠性分析2.1 建立单块电池可靠性模型产品工程设计总是先建立总体框图，然后根据框图逐步开发工程的详细设计。

产品的结构可靠性模型也可用一种可靠性框图表示。

它是将设备或系统与组成它们的各单元之间的任务可靠性的角度，用方框图将其逻辑关系表达出来，并用对应的数学模型加以描述[5]。

可靠性框图与工程图或电路图是不同的，可靠性框图，各单元之间全是串联结构。

串联结构图特点是：任何一个单元失效，系统或设备就出收稿日期：2008-04-10作者简介：兰汉金(1965- )，女，硕士，高级工程师。

主要研究方向：化学工程。

317318现故障。

因此，这种可靠性模型的系统可靠度是比较低的。

在工程设计中，有时为了提高系统的可靠度，常常不得不采用并联模型、串并联模型、并串联模型或其它更复杂的模型。

可靠性框图及数学模型：编制系统的可靠性框图应注意以下四条基本原则： （1）可靠性框图中的每一个方框都是能完成某一功能的功能块。

它可以是一个分系统、也可以是一台设备、一个单元电路、一个部件或一个元器件。

（2）可靠性框图中，除特殊情况外，一般每一个方框图发生的故障都是相互独立的。

也就是说，图中任何一个方框图发生故障与其它方框图是否出现故障无关。

（3）系统可靠性框图完全是针对系统本身而言的，一般不涉及人的因素。

（4）可靠性框图描述的各单元之间的可靠性逻辑关系，并没有涉及每个单元的复杂程度，工作环境的严酷程度以及工作时间的长短等其它因素。

下面简单介绍几种常用的可靠性框图的数学模型。

R nR n R 2R 2R 1R 1并串联模型串并联模型并联模型串联模型R 1R 2R nR n R 1R 2R 1R 2R nR n R 2R 1）（为串并联模型的数学模型）（并联模型的数学模型为）（串联模型的数学模型为3 )](1[1)(:2 )](1[1)( :1 )()( :21211t R t Rs t R t Rs t R t Rs i ni i n i i ni ===−−=−−==πππ）（为：并串联模型的数学模型4 })](1[1{)( 21t R t Rs i ni −−==π以上式中Rs(t)表示系统的可靠度，R i (t)，(i=1,2,3…,n)表示第i 个单元的可靠度。

其它的还有等待系统模型、表决系统模型、复杂系统模型等，这里不详细介绍。

可靠性完全相同的各单元组成不同的可靠性结构模型，其系统可靠度各不相同。

在实际产品设计中，根据电路功能的性质，大多数必须采用串联模式。

在必要的场合若需要采用并联等贮备设计来提高可靠性，也必须持慎重态度，应与体积、重量、维护、成本等因素综合考虑。

建立单块铅蓄电池的可靠性模型：铅蓄电池是由外壳、隔板、正极群、负极群、电解液组成的。

从可靠性逻辑关系来看，它们应当是串联模型[6]，即：R1R2R3R4R5电池可靠度Rs ＝R 1×R 2×R 3×R 4×R 5 。

电池的外壳是用来贮存电解液和支撑极板的。

它必须具有防止泄漏、耐腐蚀性、坚固和耐高温等条件，它失效时整块电池也就不能工作。

隔板是为了防止正、负极板接触而造成短路，在两块极板之间插放的隔离物。

一旦隔板失效，则短路发生自放电，整块电池也就出现故障。

正极群、负极群是电池的核心部分，如果它们之一失效，整块电池无法工作。

电解液是电池的重要组成部分，当电解液失效，整块电池也就出现故障。

综上所述，单块蓄电池的可靠性模型串联模型，其中任何一个单元失效，则整块电池出现故障。

2.2 蓄电池故障树及FMECA 分析 2.2.1 故障树故障树分析法具有以下特点： （1）它具有很大的灵活性，即不是局限于对系统可靠性工作一般的分析，而是可以分析系统的各种故障状态。

（2）FTA 法是一种图形演绎方法，是故障事件在一定条件下的逻辑推理方法，找出系统的薄弱环节。

（3）进行FTA 过程，也是一个对系统更深入认319识的过程。

它要求分析人员把握系统的内在联系，弄清各种潜在因素对故障发生影响的途径及程度，因而许多问题在分析过程中就发现和解决了，从而提高了系统的可靠性。

（4）故障树建成后，对不曾参与系统设计的维修人员来说，相当于一个形象管理，维修指南，因而对培训使用系统的人员更有意义。

蓄电池故障树分析符号及其意义：：表示底事件以上各级的故障事件； ：底事件或基本事件；：省略事件或发生概率很小的事件； ：与门；只有输入事件Bi 同时发生，输出事件A 才发生；：或门；如果任何一个或几个输入事件发生，则输出事件A 发生Bi 。

建立FTA 步骤： （1）顶事件选择：顶事件的选择可以参考其它系统发生过的事件，也可以在初步故障分析的基础上，选择关键的事件进行分析。

（2）建造、简化故障树：故障树要反映出系统故障的内在联系，同时应能使人一目了然，形象地掌握这种联系并按此进行正确的分析。

合理确定系统的边界建立逻辑关系等效的简化故障树。

（3）故障树分析：如果每一原始故障的概率已知或者可以估计，那么就可以算出故障树最后故障的发生概率。

（4）输出通过“或门”出现故障的概率近似于输入出现故障的总和；输出通过“与门”出现故障的概率等于输出出现各种故障的概率的积。

由于出现故障的概率一般都很小，为10-3或更小，所以分支的“与”门越多，那一支成为最后故障的主要原因的可能性就越小。

因此，最后故障主要受产生故障概率最高的各种基本故障的控制，而且只通过“或”门与最后故障有联系。

容量低于额定值而引起蓄电池寿命终止的概率最大。

2.2.2 蓄电池FMECA 及FMECA 表 FMECA 的基本步骤如下： （1）定义产品及其功能要求，绘制功能逻辑和可靠性框图； （2）确定分析的范围和等级，列出每个零件的所有失效模式、失效原因和影响，并估计各种失效模式的严酷度（致命度）和失效概率； （3）研究如何检查各种失效模式的方法；（4）针对各种失效模式及原因，特别是关键零件或工艺，提出可能的预防措施，进行必要的设计更改；（5）填写FMECA 表。

由单块电池可靠性模型已知：铅蓄电池是由外壳、隔板、正极群、电解液组成的。

从可靠性逻辑关系上看，它们应当是串联模型，其中任何一个单元失效，则整块电池出现故障。

即：R 1R 2R 3R 4R 5电池可靠度Rs ＝R1×R2×R3×R4×R5 。

蓄电池的FMECA 见表1。

3 结论3.1蓄电池的可靠性模型是串联模型，其中任何一个单元失效，则整块电池出现故障。

3.2结合化学电源的使用效果，完成了化学电源的故障模式研究、电池故障树（FTA ）分析，建立了FMECA 表。

它们都是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素（包括硬件、蓄电池故障树析氧量高电池失效外壳破裂铅绒短路极群失效过分搅拌充电不足容量< 80%极板硫酸盐花温度高长期未充电过充电严重极群未绝缘板栅断裂极板变形过充电严重设计欠佳使用不当正极严重脱粉320软件、环境、人为因素等等）进行分析，发现潜在的设计弱点，提出可能采取的预防措施，以提高产品可靠性的一种设计方法。

表1 蓄电池的FMECA失效效应 名称 失效模式失效原因局部最终 失效检测概率严酷度 预防措施 外壳外壳破裂意外碰撞材质达不到要求，工艺上混有杂质局部漏液电解 液枯竭绝缘电阻低，目测损坏部位 极小II 类（致命的）减少碰撞、设计上材质、工艺严格要求隔板 击穿破裂穿孔 绝缘电阻不够，工艺不合格、活性物质刺穿 容量下降容量 低于80％ 吊检观察故障部位 较大III 类（临界的）选用合适的材料，严格装配工艺正 负 极 群 极板硫酸盐化 铅绒短路 水冷、搅拌不当、温升、未常维护、使用期到隔板绝缘电阻不够、工艺不合格、电解液中有杂质落入 容量下降容量 低于80％ 无正常电压、吊检观察分析 较大II 类（致命的）设计工艺制作严格规范要求、使用时按使用规范要求电解液比重不正常容量不够电解液中混有杂质容量下降容量 不够分析电解液杂质Fe 、Al较大II 类（致命的）使用前分析过程中测量参考文献:[1]. 杨为民.可靠性、维修性、保障性总论.北京：国防工业出版社, 1996, 43~52.[2]. 国防科工委军用标准化中心. 可靠性模型的建立和可靠性预计实施指南, 1994, 5~12.[3]. 国防科工委军用标准化中心. FMECA 故障树分析实施指南, 1994, 60~70.[4]. 陆廷孝主编.可靠性设计与分析. 北京: 国防工业出版社, 1996, 183～185.[5]. 马运义.可靠性技术的应用. 上海：华东师范大学出版社, 1996, 70～78.[6]. 焦桐顺编. 化学电源.北京: 电子工业出版社, 1986,82～87.═══════════════════════════════[短讯]《船电技术》杂志由双月刊更改为月刊为了更充分利用《船电技术》这一平台，更好地满足广大作者和读者的要求，同时也是为了《船电技术》本身的发展壮大，经新闻出版局审核批准，从2009年起《船电技术》由双月刊变为月刊。