化学电源寿命分布研究.pdf

2007 年 第 12 期 广 东 化 工 第 34 卷 总第 176 期 41 化学电源寿命分布研究 兰汉金 广东省石油化工职业技术学校 广东 广州 510320 摘 要 可靠性研究工作贯穿产品的设计 制造 生产直到使用 报废的全过程 因而根据化学电源的特征量的变 化去判断它的可靠性 是研究设计和生产者的责任 也是使用者最为关心的问题 本文通过大量的可靠性实验工作主要 包括小型蓄电池寿命分布试验 原电池寿命分布试验 来研究化学电源寿命分布 研究结果表明蓄电池可靠性寿命分布 服从指数分布 原电池寿命分布服从正态分布 关键词 化学电源 可靠性 寿命分布 实验 A Study on Life Distribution of Chemical Power Source Lan Hanjin Guangdong Petroleum Polytechnic College Guangzhou 510320 China Abstract The reliability study involves the whole process of the design fabrication production utilization and scrapping of the product Therefore it is the design and production researcher s duty and the user s major concern to judge the reliability of the chemical power source according to its diagnostic quantity change This paper dealed with a large number of reliability tests to study life distribution of chemical power source including mainly the tests of the life distribution of the small sized storage battery and those of the life distribution of the primary battery The research findings showed that the life distribution of the storage battery reliability was exponential and that of the primary battery was normal Keywords chemical power source reliability life distribution test 可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定 功能的能力 1 就蓄电池而言 可以用两个主要参数来衡量它 是否具有 完成规定功能的能力 即确定蓄电池的寿命 其一 是电池的容量不低于额定值的 80 其二是电池的折氢量不超 过某一确定值 由于当电池结构和原材料的改进 后一指标已 容易得到确定 那么电池容量就成为判断电池使用寿命的决定 性参数了 1 寿命分布实验 可靠性实验是为了提高或保证产品的可靠性 评价和验证 产品的可靠性而进行的关于产品失效及其影响的各种试验 2 在铅蓄电池标准中规定 抽取一定数量的样品电池在确定的条 件下进行充放电 以此来考核铅蓄电池的耐充放电循环寿命 这种试验是一种既费时又费力的试验 因此 研究和采用正确 的试验方法 不仅有利于保证和提高产品的可靠性 而且能够 大大地节省时间 人力和费用 为分析电池产品寿命特征和失 效规律而进行的可靠性寿命试验 就可以达到上述目的 1 1 小型铅蓄电池寿命分布实验 同一批出厂的铅蓄电池 不论是进行连续充放电循环寿命 试验还是在同样外界条件下实际使用过程中 各个单电池的寿 命都是参差不齐的 都带有随机性 尤其是小型铅蓄电池 其 极片数一般都比较少 单格电池中往往只有几对电极 因而 收稿日期 2007 08 24 作者简介 兰汉金 1965 女 湖北人 硕士 高级工程师 研究方向为化学工程 广 东 化 工 2007 年 第 12 期 42 第 34 卷 总第 176 期 它们的寿命值将比极片数较多的大容量铅酸蓄电池具有更大的 分散性 1 1 1 实验原理 铅蓄电池的寿命是个随机变量 但采用数理统计 3 方法分 析其出现的概率后 就可以发现它们服从一定的分布规律 1 1 2 参试电池及设备 1 参试电池 11 只 CGB3M 4 摩托车用铅蓄电池 2 设备 BMC 8 型电池及电极性能测试台 1 1 3 试验方法及步骤 用 11 只摩托车用 3M 4 铅蓄电池进行可靠性寿命试验 证实小型铅蓄电池寿命的概率分布 采用连续全充全放的办法 进行充放电循环试验 待电池 4 时率放电容量达到额定值 40 就算电池寿命终止 1 充电方法 电池依次用 0 8 A 和 0 4 A 充至 2 40 V 单格 再转 0 2 A 充至电压稳定 1 h 不变 2 放电方法 采用恒电流放电法 各时率放电电流如表 1 所示 各时率放电秩序安排如表 2 所示 全部试验均在室温进 行 然后将电池容量的测量值换算成 25 的容量值 表 1 恒电流放电法安排 Tab 1 A plan for the constant current discharge 放电时率 h 放电电流 A 终止电压 1 2 60 1 60 4 0 80 1 72 10 0 40 1 78 20 0 22 1 79 表 2 放电秩序安排 h Tab 2 A plan for the charging order h 放电时率 放电周期 7 10 20 30 40 10 5 13 23 33 43 20 1 3 19 29 39 其余各周期 1 2 原电池寿命分布试验 扣式锌 氧化银电池是一次电池 通常用恒电阻负荷条件下 的放电时间来作为考核电池容量性能的指标 从可靠性工程角 度看 一次电池放电时间也就是电池的寿命 1 2 1 实验原理 根据197只SR57扣式锌 氧化银电池放电时间的统计结果 导出该类电池的寿命分布规律 推断出批量电池产品的可靠性 指标 1 2 2 参试电池及设备 1 参试电池 197 只 SR57 扣式锌 氧化银电池 2 设备 c CF20 微电脑控制器 c XJ20 微电脑电池巡检 仪 千欧恒电阻 1 2 3 实验方法与步骤 对从批量产品中抽出的 197 只 SR57 扣式锌 氧化银电池样 品 在 2 K 恒电阻负荷条件下放电至 1 20 V 时的放电时间 寿 命 进行了统计 2 试验结果及分析 2 1 小型铅蓄电池寿命分布 电池寿命分布规律 11 只 3M 4 电池在全充全放寿命试验 过程中 其失效 即放电容量达到额定值的 40 秩序及周期数 如表 3 所示 表 3 失效秩序及周期数 Tab 3 The invalidation order and the cycle number 电池序号 失效秩序 失效周期 P ln 1 1 P 10 1 65 0 1 0 063 4 2 80 14 7 0 159 7 3 84 23 5 0 268 11 4 102 32 3 0 39 1 5 108 41 1 0 529 5 6 113 50 0 0 693 2 7 127 58 8 0 887 8 8 142 67 6 1 13 3 9 145 76 4 1 44 6 10 150 85 2 1 91 9 11 155 93 8 2 78 利用可靠性工程中采用的数理统计方法对表 3 的试验结果 进行处理 按照可靠度的定义 则蓄电池的可靠度应当是 在 规定的时间 t 电池输出规定容量的概率 既然电池的放电容量 随时间 充放电次数 以指数形式衰减 那么它的可靠度 R t 就应 当为 R t e t 1 式中的常数 称为电池的失效率 电池的失效分布函数为 F t 1 R t 1 e t 2 将 2 变形后得 1 ln 1 t F t 3 显然 如果电池的失效寿命数据得到 1 1 ln Ft t 之间有 线性关系 即 为常数 即表明电池的失效概率分布服从指数 分布 那么 3 式中的电池在不同时刻的失效概率 F t 就可以由中 2007 年 第 12 期 广 东 化 工 第 34 卷 总第 176 期 43 位秩表 4 查得 其数值为 P0 5 t 100 列于表 3 的第 4 行 由此算 得的 ln 1 1 p 列于表 3 第 5 行 用 Y 轴上的 ln 1 1 p 对 t 作 图得到如图 1 所示的直线 其斜率 0 015 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 406080100120140160180 图 1 3M 4 电池寿命分布规律 Fig 1 The life distribution rules of the 3M 4 storage battery 显然 ln 1 1 p t 之间的直线关系确认了 3M 4 铅蓄电池 的寿命分布是服从指数分布的 同时看到 图中的直线不通过 坐标原点 而交 t 坐标准轴于 t0 68 周期 即 0 1 ln 1 t t F t 4 这就意味着铅蓄电池的寿命分布乃是两参数指数分布 R t 0 t t e 5 F t 1 0 t t e 6 铅蓄电池的最小保证寿命 t0是电池经过使用或充放电循环 试验后 其容量达到额定值时所用的时间或充放电次数 2 2 原电池寿命分布 对从批量产品中抽出的 197 只 SR57 扣式锌 氧化银电池样 品 在 2 K 电阻负荷条件下放电至 1 20 V 时的放电时间 寿命 进行了统计 除了 3 只电池属早期失效型外 其余的 194 只电 池寿命的统计结果如表 4 所示 从表 4 可以看出 电池寿命在 54 56 h 的电池数最高 两 侧的电池数呈对称下降趋势 因而可以初步认为该批电池的寿 命来自于正态分布总体 它们的平均值X 54 86 h 方差 S2 2 732 为了检验表 4 寿命数据是否服从正态分布 即先检验假设 H0 X N 54 86 2 732 采用 X2检验法 5 结果证明 可以接 受原假设 H0 那么原假设成立 即在显著性水平 6 0 05 表 4列的SR57扣式锌 氧化银电池在2 K 恒电池放电条件下的寿 命的分布服从标准差为 2 73 数字期望为 54 86 的正态分布 N 54 86 2 732 表 4 SR57 型锌 氧化银电池 2 K 恒负荷放电时间 Tab 4 The discharge time of the SR57 Zn AgO cell types in the 2 K constant load 编号 i 放电时间 h 电池数 1 48 1 2 48 49 4 3 49 50 6 4 50 51 7 5 51 52 10 6 52 53 16 7 53 54 25 8 54 55 25 9 55 56 34 10 56 57 26 11 57 58 18 12 58 59 12 13 59 60 5 14 60 61 2 15 61 62 3 3 研究结果的前景 通过实验分析研究蓄电池失效寿命分布是服从两参数指数 分布 原电池失效寿命分布是服从正态分布 研究结果对于其 它型号蓄电池和原电池都具有普遍意义 本文以试验数据为基础 采用数理统计方法对取得的数据 进行处理 从而确立化学电源失效分布规律 为今后对电池组 进行可靠性评估和设计提供实验依据 参考文献 1 陆廷孝 郑鹏洲 可靠性设计与分析 M 北京 国防工业出版社 1996 15 16 2 何国伟 戴慈庄 可靠性