航空蓄电池组端子熔融故障的分析与改进.pdf

Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.2 Vol.6192收稿日期：2023-11-29航空蓄电池组端子熔融故障的分析与改进李志豪（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089）摘要：某型航空蓄电池组在地面起动辅助动力装置期间出现端子熔融的严重故障。根据故障现象，使用维护状况和基本电路原理列举故障树，并且采取理论分析和试验验证结合的方式对底事件逐一排查。排查结果表明，蓄电池组存在缺乏防松措施，没有紧固力矩要求，标准件选用不严格的问题，无法应对长期振动环境。根据排查结果对使用维护和安装形式进行了优化改进。振动试验和放电试验结果表明，改进措施合理有效。关键词：航空；蓄电池组；端子；熔融；防松措施；紧固力矩；振动环境；阻抗中图分类号：TM 912.9文献标识码：B文章编号：1006-0847(2024)02-92-05Analysis and improvement of terminal melting fault of aviation battery packLI Zhihao(Avic Xian Aircraft Industry Group Company Ltd.,Xian Shaanxi 710089,China)Abstract:Terminal melting of a certain type of aviation battery occurred during the ground starting auxiliary power unit.According to the fault phenomenon,the maintenance status and basic circuit principle are used to list the fault tree,and the bottom events are investigated one by one by combining theoretical analysis and test verification.The investigation results show that the battery pack has the problems of lack of anti-loosening measures,no tightening torque requirements,and not strict selection of standard parts,which can not cope with long-term vibration environment.According to the investigation results,the use,maintenance and installation forms were optimized and improved.The results of vibration test and discharge test show that the improved measures are reasonable and effective.Keywords:aviation;battery pack;terminal;melting;anti-loosening measure;tightening torque;vibration environment;impedance0 引言航空蓄电池组是飞机应急电源系统的核心设备。飞机在无地面电源条件的机场开车、起飞时，需要使用航空蓄电池组起动辅助动力装置。飞机在飞行状态下出现一次电源和二次电源失效情况时，航空蓄电池组需要在特定条件下起动辅助动力装置1，保证飞机具备操纵、着陆、指示和通讯等能力。飞机在飞行状态下出现一次电源、二次电源失效且辅助电源起动失败或工作异常情况时，航空交流与探讨2024 No.2 Vol.6193蓄电池组需具备向飞机应急通讯设备、应急仪表和安全着陆所必须的设备供电的能力。随着航空飞机向着智能化、多电化发展，电力电子设备在飞机起动、操纵、液压、燃油、环控、通讯、指示、照明等方方面面得到广泛的应用并发挥着重要作用，所以飞机电源系统的稳定性、可靠性与余度供电能力愈加重要。航空蓄电池组作为现代飞机电力电子设备电源供给的最后一道屏障，需要在飞机全寿命周期保持良好的储能能力和可靠的供电能力。目前，行业内对航空蓄电池组的研究侧重于健康管理2-4、能量密度提升5-7和充电技术8等方面，而对于航空蓄电池的故障模式、故障影响、故障排查改进重视不足。范红军等人基于实际使用维护经验，对航空蓄电池组的充电后容量下降、单体电池内部短路、充电电压过高及极性反制等故障进行了分析与判断9，但未考虑航空蓄电池组接线端子熔融的故障模式及分析排查。针对航空蓄电池组端子熔融故障，从电池状态、维护工作、使用环境等方面进行深度分析，开展充放电试验、振动试验、理化分析，明确故障原因，制定改进措施，在航空蓄电池组的安装设计、使用维护方面具有指导意义。1 航空蓄电池组端子熔融故障概况使用航空蓄电池组在地面起动辅助动力装置时，辅助电源不建压，而且机载设备集体掉电。经过排查发现，航空蓄电池组部位出现异常。拆解检查后发现，蓄电池组正极接线端子出现烧蚀熔融现象（见图 1）。2 端子熔融故障模态梳理蓄电池组端子材料为金属铅。铅的熔化温度为 327。蓄电池组在充、放电过程中会持续产生热量，而热量的积累会造成端子温度升高10。当端子温度超过端子材料熔化温度时，就出现了端子熔融现象。依据电路热量积累公式 Q=0.24I2RT，并且根据相关变量及影响因素列举故障树（见图 2）。3 端子熔融故障分析排查对故障树底事件进行梳理的结果是：涉及机上因素的底事件有蓄电池过载使用、机上短路或长时间充/放电；涉及蓄电池组因素的底事件有蓄电池短路、端面工艺问题；涉及综合因素的底事件有绝缘性异物污染、振动导致螺母松脱、维护安装不当。3.1 机上排查根据机上使用流程，蓄电池组供电时机为起动辅助动力装置时，且放电持续时间约为 30 s。在辅助动力装置，完成起动后，可为蓄电池组充电。充电电流和时间均取决于蓄电池组耗损情况。一般充电时间在 3 min 左右。故障发生时，航空蓄电池组处于起动辅助动力装置初期，且放电时间小于 30 s，所以，不存在充电条件。经排查，蓄电池组外部接线牢固，无烧蚀烧伤现象。相关接触器表面光洁，且触点接通断开正常。相关配电盒内保险丝、接线柱完好。为验证蓄电池组在机上的使用工况，进一步排查机上短路风图 1 蓄电池组端子熔融外观图 2 蓄电池组端子熔融故障树Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.2 Vol.6194险。为故障飞机更换蓄电池组后，开展两次起动辅助动力装置测试，试验数据见表 1：测试表明，蓄电池组起动辅助动力装置时的放电电流及持续时间均远小于蓄电池组指标。注：该航空蓄电池组冷起动性能要求为，以 350 A 电流放电 3.5 min。因此，能够排除蓄电池过载使用、机上短路和长时间充/放电的因素。3.2 蓄电池组排查针对故障蓄电池组测量单体电池电压，进行容量检测及充放电试验。结果显示，容量符合标准要求，充、放电稳定且无异常，单体电池的电压符合指标范围。将故障蓄电池的端子与全新蓄电池的端子切割后进行对比，未发现二者有明显差异。端子内部结构见图 3 和图 4。排查结果表明，故障蓄电池未出现短路，不存在端面工艺问题。响，在试验室环境下让未清理端子和已清理端子的蓄电池组分别以 350 A 电流放电 3.5 min，对比其温升情况。放电后未清理端子的表面温度由初始的 24 上升至 54，即温升为 30。已清理端子的表面温度由初始的 24 上升至 34，即温升为 10。它们的外观均未发生变化。测试结果表明，该物质能够增大蓄电池组在充、放电期间的端接面阻抗，造成端子温度升高。但是，结合故障发生时机和蓄电池组实际放电时间后认为，该物质导致的温升不足以使端子达到熔融温度。3.3.2 振动环境导致螺母松脱经检查发现，随蓄电池组装机使用的配套垫片一致性较差，而且表面毛刺较多。有部分垫片形状不规则，存在不同程度变形（见图 6）。因此，存在假紧固隐患。针对蓄电池组的不同连接状态，分别进行阻抗测试。由表 2 中测试结果得出，垫片放置次序、垫片变形及螺母紧固程度均会对连接阻抗产生显著影响。蓄电池组的接线端子螺栓和紧固螺母的材质均为不锈钢，而且未采用弹垫等形式进行防松处理。模拟机上连接情况，使用变形垫片，采用 GJB 表 1 充放电测试结果测试状态初始电压/V放电时间/s最大电流/A最小电流/A放电25.71 2325.3313.33充电27.1915645.33 6.67放电28.61 2525.3314.67图 4 全新蓄电池端子图 3 故障蓄电池端子3.3 综合因素排查3.3.1 绝缘性异物污染经观察发现，装机使用的蓄电池组端子表面均存在一层不明物质（见图 5）。经理化分析得出，该物质为金属轻微电化学反应后产生的硫酸铅。为了测试该物质在蓄电池组放电时对端子处温度的影图 5 未经清理的端子图 6 垫片变形状态交流与探讨2024 No.2 Vol.6195606A2012 中振动试验方法，以 39.2 m/s2 的振动加速度、50 Hz 的振动频率振动 4 h。连接部位止滑线位移情况见图 7。振动试验结果表明，使用变形垫片，不采取防松措施能够导致蓄电池组端接部位在振动环境下出现松动，存在虚接打火风险11。3.3.3 维护安装不当经了解，蓄电池组使用维护说明书对拧紧力矩没有明确的要求。如果在维护工作中未使用力矩扳手，拧紧效果依靠维护人员感受确定，那么就会存在拧紧不到位、维护安装不当的可能。4 故障复现为验证分析结果，在试验室环境下使用严重变形的垫片，按照机上连接形式搭建蓄电池组充、放电电路。采用 GJB 606A2012 中振动试验方法模拟机上振动环境，使蓄电池组以 350 A 电流放电 3.5 min，间隔 50 s 后以 20 A 电流为蓄电池组充电。充电约 10 min 后，蓄电池组的接线端子处出现发红、熔融，端子熔化状态（见图 8）。5 改进措施与验证根据排查结果，将普通不锈钢螺母更换为镀 Sn 自锁螺母12。对垫片进行严格筛选，使用形状规则的垫片。使用力矩扳手进行紧固，规范蓄电池组端子螺母的紧固力矩要求：负极力矩 11 Nm；正极力矩 15 Nm。5.1 振动试验采用 GJB 606A2012 中振动试验方法，以 39.2 m/s2 的振动加速度和 50 Hz 的振动频率进行 28 h 振动试验。振动结束后，连接部位止滑线未见错位（见图 9）。5.2 放电试验完成振动试验后，开展蓄电池组放电试验。蓄电池组以 350 A 电流放电 3.5 min 后，端子温升为 29，但是端子未出现熔融现象。蓄电池组以 1 200 A 电流放电 10 s，然后以 350 A 电流放电 3.5 min 后，端子温升为 60，但是端子仍未出现熔融现象。6 结束语选用航空蓄电池组时，在完成蓄电池组电源容表 2 不同连接状态阻抗连接状态电阻/正常端子68垫片在导线上方（表面未清理）80垫片在导线下方226垫片不规则210螺母未拧紧135195图 7 振动试验后状态图 8 蓄电池组端子熔融现象 a 初始状态 b 结束状态图 9 止滑线状态Chinese LABAT Man蓄 电 池2024 No.2 Vol.6196量、放电电流和循环耐久能力等关键性能的判断选型后，也应同样重视装机使用条件，充分考虑振动环境，并采取必要的防松措施，加强考核标准件和端接面的平整度、导电性能，强化维护工作中对于清洁度和力矩指标的要求，避免类似故障的发生。参考文献:1 邓泽平,李倩,王轶欧.军用航空应急起动电源设计与实现J.电源技术,2020,44(1):129131.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2020.01.036.2 冯帅,任仁良.航空镉镍蓄电池持续适航性能检测研究J.电源技术,2020,44(7):10051008.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2020.07.021.3 谢家雨,李卫青,胡焱.基于 GA+SVM 的航空铅酸蓄电池健康评估J.电源技术,2016,40(1):103104.DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2016.01.031.4 赵天瑞.基于微服务架构的铅酸蓄电池在线监测系统的设计及实现D.华北电力大学(北京),2020.DOI:10.27140/ki.ghbbu.2020.0015595 刘梦菁.锂离子电池用钛酸锂及其与纳米硅复合的负极材料研究D.上海交通大学,2019.DOI:10.27307/ki.gsjtu.2019.0023396 叶俊辉.铅酸电池正极纳米二氧化铅/碳复合材料的制备及性能研究D.华侨大学,2019.7 王琛,冷书林,任杰伟,等.萤火一号火星探测器锂离子蓄电池技术J.上海航天,2013,30(4):108110.DOI:10.3969/j.issn.1006-1630.2013.04.022.8 李勋章,张涛,范红军.军用航空蓄电池充放电监测系统的设计J.自动化与仪表,2020,35(8):6265.DOI:10.19557/ki.1001-9944.2020.08.013.9 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