熱電池電壓異常波動技術分析及改進*

趙宇宏，胡小薇

(1.陸軍南京軍代局駐上海地區軍代室·上海·201109;2.上?？臻g電源研究所·上海·200245)

0 引 言

本文試驗的熱電池[1-2]由單元電池、固定腳、電源輸出端組成。電源輸出端通過印制板上的6個金屬化孔與單元電池蓋上的6個接線柱錫焊相連。產品外形示意如圖1所示，各接點的電特性要求如圖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，本試驗的單元電池由3組電壓輸出端子組成:+20V組、-20V組、+5V組，在設計時要求電壓平穩下降，但是在進行低溫試驗過程中，012#產品的3組電壓曲線同步波動、相互關聯，-20V組、+5V組電壓下降的同時，+20V組反升，電壓曲線如圖3、圖4所示。+20V組在1.2s時電壓達到最高21.7V;-20V組在1.2s時跌到最低電壓16.8V;+5V組在1.2s時跌到最低電壓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#產品電壓0～150s曲線圖Fig.3 0～150s voltage curve of 012#product

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

1 原因分析

從產品本身和試驗設備兩方面分析可能發生故障的原因，認為影響電池電壓曲線波動的因素主要有:

(1)試驗設備

綜合測試儀故障，工藝電纜上接點間絕緣不良。

(2)產品本身

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

圖5 012#產品電壓異常波動故障樹Fig.5 Voltage abnormal fluctuation fault tree of 012#product

1.1 試驗設備分析

1.1.1 綜合測試儀故障分析

熱電池電性能測試所用測試設備為某綜合測試儀。產品試驗前，對該測試設備進行了試驗前的計量確認，計量結果合格。012#產品放電之前，003#、020#產品已通過高低溫考核，設備工作正常。012#產品發生問題后，又對該設備進行了電壓標定，設備工作正常。因此，可排除綜合測試儀發生故障的因素。

1.1.2 工藝電纜接點間絕緣不良分析

012#產品放電結束后，檢查到工藝電纜插頭與綜合測試儀對接插座之間連接正常，無松動。取下工藝電纜，觀察插頭接點表面，無氧化和出現雜質等異?，F象。取下工藝電纜，用TH2681A絕緣電阻測試儀 (100V檔)測量工藝電纜各接點之間的絕緣情況，絕緣電阻均大于100MΩ。因此，可排除工藝電纜上接點間絕緣不良的原因。

1.2 產品本身分析

1.2.1 印制板上接點間絕緣不良分析

電源輸出端的印制板與電池蓋之間采用多層云母片進行絕緣保護。在裝配過程中若操作不當，導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間絕緣不良，最終導致電壓波動。在012#產品放電結束后拆除印制板，觀察印制板上各接點狀態和電池蓋上云母片保護情況，如圖6、圖7所示。印制板上各接點間無多余物，無焊錫溶掉等異常情況，電池蓋上云母片完好、無破損情況。再用TH2681A絕緣電阻測試儀 (100V檔)測量印制板各接點間絕緣情況，絕緣電阻均大于100MΩ。綜上所述，可排除印制板上接點間絕緣不良的原因。

圖6 012#產品印制板Fig.6 Printing plate of 012#product

圖7 012#產品電池蓋Fig.7 Battery cover of 012#product

1.2.2 電池內部引流線路絕緣不良分析

熱電池通過內部引流線路與電源輸出端連接對外輸出電能。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3組電壓的引流線路間絕緣不良時，將會使得電壓曲線發生波動。

(1)電堆上引流條間絕緣不良分析

對012#產品進行X光無損檢測和照相，圖片顯示引流條狀態完好，與電池堆之間間隙清晰，未發現多余物等異?，F象。

拆除印制板，用FLUKE 45萬用表測量單元電池各接線柱對殼體、各接線柱之間的電阻，數據如表1所示。測試數據表明，除4#、5#接點之間電阻只有4Ω，其余各接點間電阻均在千歐級以上，說明4#、5#接點之間絕緣不良。

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

解剖012#產品，檢查3組電壓輸出引流條(電堆引流條)的絕緣保護狀態，絕緣保護完好。剪開固定膠帶，將引流條放平觀察，引線條靠近電堆一側絕緣保護完好，引線條內側的電堆表面層次清晰，無異常現象。說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 45萬用表測量電池蓋上引流條間電阻，結果顯示各引流條間電阻均在千歐級以上，說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#電池解剖后對比發現，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#產品的中孔石棉墊的外觀，發現1#、2#、6#位卡扣之間定位板、中孔石棉墊顏色正常。說明4#、5#位卡扣間絕緣不良。

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

綜上所述，電池內部引流線路中，4#、5#位卡扣間絕緣不良的原因無法排除。

1.2.3 單體電池缺陷分析

對012#故障電池工作電壓曲線進行分析，發現3組電壓同步波動、相互關聯。-20V組、+5V組電壓下降的同時，+20V組反升。

根據熱電池工作機理，如果單體電池存在缺陷，放電過程中電堆內部會瞬間釋放大量熱量，造成電池堆表面部分燒蝕，繼而工作電壓發生抖動。圖9所示為單體電池缺陷造成電壓出現波動和下降的典型故障曲線，但-20V組電壓下降時，+20V組電壓也下降，與012#產品電壓曲線波動趨勢不一致，因此，可排除電池內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#產品解剖后觀察電池堆外觀，同時取生產過程中工藝抽放008#單元電池解剖，對比電池堆表面狀態，電堆表面干凈、完整、無灼燒點，與012#單元電池堆外觀相比無差別。由故障產品X光成像圖可知，電堆單體電池清晰可辨。同時根據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生故障的原因，故障定位在電池內部引流線路中4#、5#位卡扣絕緣不良。

2 機理分析

在熱電池生產過程中，先將電池蓋上引流條和電堆中引流條并聯后用卡扣固定，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，卡扣上翻后無法確認其深入內部的長度。如果熱電池內部的4#位和5#位卡扣上翻深入過長 (如圖10所示)，可能造成相鄰卡扣之間的距離過近;同時將卡扣壓在定位板和中孔石棉墊之間，導致兩者之間存在縫隙。

圖10 012#產品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后，電點火頭點爆并引燃位于點火頭下方的高速引燃紙，產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、鋯等具有一定導電性的元素。在氣流的作用下，高濃度固體顆粒物會進入定位板和中孔石棉墊之間的縫隙并沉積下來。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4#、5#位絕緣不良時，-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，內阻壓降(U內阻)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內阻-U共地，因此，U2將隨之降低。+5V組同理。

當+20V組和-20V組在恒流階段時，此時1'點和1點兩端的電勢差為0;當-20V組負載電流變大時，此時1'點的電勢大于1點的電勢。因此，+20V組整個回路電壓(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1+R共地+R負載1，R電池內1和R共地恒定不變，因此，R負載1變大， +20V組輸出電壓U1=IR負載1， 變大。

在4#、5#位絕緣不良形成的回路中，電能主要在此處轉化為熱能，當熱量達到一定值后，部分高濃度固體顆粒沉積物被燒蝕，4#、5#位之間重新斷開，電壓恢復正常。然后當新的高濃度固體顆粒物繼續沉積到一定量時，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，電壓恢復正常，反復多次。

3 故障復現

3.1 新裝配產品復現

為了驗證4#、5#位卡扣距離大小對電池電性能的影響，在定位板的4#、5#位各固定一層鎳帶，控制2個鎳帶間距離來模擬卡扣距離。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、相互關聯，-20V組、+5V組電壓下降的同時，+20V組反升。這與故障電池的電壓曲線波動相符。而在2mm情況下，電池激活后電壓曲線平穩，未發生任何波動。放電結束后待電池冷卻至常溫，用FLUKE45萬用表測量電池各接線柱對殼體、各接線柱之間的電阻，結果顯示0.5mm和1mm模擬電池的4#、5#接點之間電阻分別為3.45Ω和3.8Ω，與故障電池測量結果一致;2mm模擬電池各接點間電阻均在千歐級以上。

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

解剖3個模擬電池，觀察定位板和中孔石棉墊，發現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黑，這與故障電池解剖現象一致;2mm模擬電池定位板和中孔石棉墊顏色正常，無燒蝕發黑現象。說明4#、5#位卡扣之間過近時，易引起兩者間放電，進而引起4#、5#位之間絕緣下降。

3.2 同批產品復現

對012#同批未放電的21只產品進行X光無損檢測，測量出電池蓋上4#、5#位卡扣之間距離，數據如表2所示。取3個4#、5#位卡扣距離較近的電池 (編號為013#、023#、026#)進行放電試驗，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波動，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。用FLUKE45萬用表測量電池各接線柱對殼體、各接線柱之間的電阻，結果顯示013#電池的4#、5#接點間電阻為4.2Ω，其余各接點間電阻均在千歐級以上，這與故障電池測量結果一致;023#、026#電池各接點間電阻均在千歐級以上。

解剖電池，觀察定位板和中孔石棉墊，發現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黑，這與故障電池解剖現象一致;023#、026#電池定位板和中孔石棉墊顏色正常，無燒蝕發黑現象。

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#產品電壓曲線圖Fig.13 voltage curves of 013#,023#,and 026#products

綜上所述，通過抽取故障狀態接近產品的放電試驗表明，當4#、5#位卡扣距離過近時，兩接點間放電，引起4#、5#位之間絕緣下降，進而電壓波動，故障得到復現。

4 采取措施

4.1 設計改進

將電堆上部的中孔石棉墊改為開槽中孔石棉墊，數量調整為5片，安裝時將卡扣放置在開槽中，將卡扣完全隔離，即將卡扣由原來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，同時卡扣外圍還有石棉紙和云母帶的保護，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

在工藝上增加檢驗步驟，安裝卡扣后，目測檢查卡扣位置是否在開槽中孔石棉墊的槽內，確保卡扣位置滿足要求。

4.3 試驗驗證

按照上述改進方案，生產了8只試驗電池進行動態放電試驗，試驗數量和分組情況如表3所示，放電數據如表4所示，電壓曲線如圖14所示。試驗數據顯示，采取改進措施后，001#、002#、004#、005#、007#、008#電池的輸出電壓曲線平穩，工作正常。將003#、006#電池安裝在控制艙內進行放電，采樣數據顯示電壓曲線平穩，工作正常，滿足總體使用要求。

表3 試驗數量及分組情況Tab.3 Number of tests and grouping testing

表4 采取改進措施后放電試驗數據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

放電結束后，用FLUKE 45萬用表測量電池各接線柱對殼體、各接線柱之間的電阻，結果顯示各接點間電阻均在千歐級以上。對其中004#、005#電池進行X光無損檢測和照相，圖片顯示電池內部卡扣由開槽中孔石棉墊完全隔開，同時卡扣無位移、突出等異?，F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。經過力學環境考核后，發現卡扣未發生位移、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，熱電池采用改進的措施，消除了故障隱患，提高了產品的可靠性。

5 結 論

012#熱電池低溫工作電壓異常波動的原因是電池內部4#接點 (-20V輸出)與5#接點(+5V輸出)在裝配時引流條連接卡扣位置距離過近，且卡扣造成定位板與中孔石棉墊間存在間隙，致使放電過程中2個接點之間絕緣不良。該問題的解決對后續導彈用熱電池的結構設計及工藝控制具有重要的指導意義。