化学电池可靠性增长分析
第 1章 绪论
1.1 研究背景和意义
锂离子电池的工作电压是镍镉电池、镍氢电池的三倍，其体积小，质量轻，比能量高，是 21世纪环保节能的新型理想能源。表1.1给出了锂离子电池与其他电池的性能比较。
由于锂离子电池具有很大的优越性，其应用前景不断得到拓展。国际上锂离子电池技术已在微小卫星、高轨道卫星、深空探测领域取得了工程化应用。目前已成功应用锂离子电池技术的有火星着陆器（2001）、火星漫游器（2003）和火星勘测轨道飞行器（2005）。除了美国航空航天局（NASA）的星际探索外，其它一些航天组织如欧洲空间局也在考虑将聚合物锂离子电池应用于航天领域。一些大型的（190A·h）聚合物锂离子电池正在进行研究并将被用于空间往返探索。我国在航天用化学电池技术也取得了很大的发展，在一些卫星工程型号产品上取得了应用，例如神舟 5号的伴星就是采用了锂离子电池。但是和国外相比，我国锂离子电池仍然具有一定的局限性，还需要在可靠性、关键芯片制造、体积、质量等方面进行改进。我国北京有色金属研究总院、北京科技大学、天津电源研究所等单位先后对锂离子电池及其材料进行了研究，并生产出许多锂离子电池产品。表1.2给出了我国锂离子电池性能与国外锂离子电池的比较。
1.2 化学电池可靠性工程现状
现阶段，我国化学电池可靠性研究主要集中在产品的性能、工艺、材料制备、设计可靠性上。在我国电池行业中，中船总第七一二研究所利用可靠性工程技术去解决化学电源的研制、生产、试验及使用过程中的可靠性问题，但在电池可靠性增长方面的深入研究比较少。桂长清学者研究了利用系统设计和冗余设计的方法进行电池的可靠性设计，对铅蓄电池的可靠性评估和故障概率也进行了探索。华中科技大学的兰汉金从理论上对电池的寿命分布规律进行了研究，运用故障树（FTA）和故障模式影响分析（FMEA）方法对电池的故障模式进行研究，提出了如何利用可靠性设计技术提高电池的可靠性。韩鹏飞针对锂电池的特性对其进行了可靠性分析，得出了锂电池的故障分布。北京航空航天大学的贾颖、黎火林对化学电池的故障率模型进行了探讨，为可靠性预计提供了基础。黎火林研究了化学电池故障的主要影响因素，针对以上影响因素提出了提高化学电池可靠性的一些措施。
第 2章 可靠性增长基本理论
2.1 可靠性增长的基本概念
2.1.1可靠性增长过程
可靠性增长是保证系统投入使用后满足规定的可靠性的一种有效途径，贯穿于整个系统寿命周期的各个阶段。产品的可靠性是由设计确定的，并通过制造实现的。由于产品复杂性的不断增加和新技术的应用，产品设计需要有一个不断认识、逐步改进和完善的过程。任何产品在研制初期，其可靠性与性能参数都不可能立即满足所规定的指标。早期的样机存在较多的设计和工艺方面的缺陷和问题，需要通过有计划地改进设计和工艺，消除故障产生的原因，从而逐步提高产品的可靠性水平，以满足规定的指标要求。这种试验-分析-改进;的方法，使产品的可靠性不断提高，在这个过程中，产品的设计、制造工艺、操作方法等不断地暴露出缺陷，并得到不断改进而趋于完善，从而使产品的可靠性不断提高，这就是可靠性增长过程。其基本过程如图 2.1所示。
从上图可以看出，实现可靠性增长有以下三个基本要素：通过试验和分析发现故障、发现故障后的反馈和有效的改进措施。可靠性增长整个过程是一个闭环回路过程，通过试验-暴露-改进-再试验;以使产品最终满足规定的可靠性要求。因此，可靠性增长的过程就是从发现产品的薄弱环节到排除薄弱环节的过程。图 2.2表示系统性薄弱环节与残余性薄弱环节从发现到被排除的过程。
2.3 AMSAA 模型
2.3.1 AMSAA 模型概述
可靠性增长模型有离散型和连续型增长模型。离散型增长模型适用于成败型或不可修的产品；连续型增长模型适用于连续工作的可修复产品。1972年，美国陆军装备系统分析中心（AMSAA）的Crow 在Duane模型的基础上提出了连续型可靠性增长模型AMSAA 模型，也称为Crow 模型，它可以拟合多类产品的增长信息和多种类型的可靠性增长数据。Crow给出了模型参数的极大似然估计与无偏估计、产品MTBF 的区间估计、模型的拟合优度检验方法等，系统地解决了 AMSAA 模型的统计推断问题。
AMSAA 模型在可靠性增长试验中得到了广泛的应用。先后被美国军用手册，国际电工委员会标准，国家军用标准采用。AMSAA 模型是目前应用最广泛的增长模型。
AMSAA 模型的优点：模型参数的物理意义容易理解，便于制定可靠性增长计划；表示形式简洁，便于可靠性增长过程的跟踪和评估。考虑了随机现象，可以给出当前MTBF 的区间估计。
AMSAA 模型的缺点：理论上，当 t →0 和 t →∞ 时，产品的瞬时 MTBF 分别趋向于零和无穷大，与工程实际不符。实践表明，AMSAA 模型在理论上不足，但在可靠性增长试验中有广泛的应用。
第3 章 电池可靠性增长分析方法........................31
3.1 锂离子电池的结构.......................31
3.2 典型的系统可靠性模型........................32
第4 章 可靠性增长数据模拟及计算..................42
4.1 基本知识.................................42
第5 章 基于 Bayes 理论的可靠性增长模型....................60
5.1 贝叶斯理论概述......................60
第 5章 基于 Bayes理论的可靠性增长模型
5.1 贝叶斯理论概述
在统计学中存在两大学派：經典学派和贝叶斯学派。贝叶斯学派与經典学派的主要区别是在先验信息上的看法不同，即是否利用先验信息。贝叶斯统计在重视总体信息和样本信息的同时，还注意先验信息的收集和利用，参与到统计推断中来，以提高统计推断的质量。忽略先验信息是一种浪费，有时还会导致不合理的结论。
总结和展望
本文首先对国内外可靠性增长的现状进行了介绍，系统地介绍了可靠性增长的基本理论和可靠性增长模型，其次，介绍了锂离子电池的结构和可靠性增长过程中所需的可靠性分析技术。随后，用Matlab生成服从威布尔过程的可靠性增长数据，利用Duane 模型、AMSAA 模型、AMSAA-BISE 模型对不同的模拟数据进行分析，并对分析结果进行了比较说明。
由于Duane模型和AMSAA 模型是基于产品故障时间的可靠性增长模型，它们只适宜处理 TAAF的可靠性增长模式。对于分阶段的可靠性增长模式，基于时间的可靠性增长模型无法使用各阶段已有的试验信息，在应用上存在缺陷。本文针对基于产品故障时间的可靠性增长模型不足，提出了产品的分阶段的Bayes可靠性增长模型，并利用可靠性试验数据对该方法进行了合理性验证。该方法可以更好地利用各阶段的增长信息，动态评估产品的可靠性增长过程，评估结果更加符合实际。
本文只对故障时间类型的数据进行了可靠性增长分析，但是在很多情况下，无法得到产品的详细故障时间，只能得到产品的成败型数据和阶段的可靠度型数据，其次，还有加速可靠性增长试验数据，这些类型的数据的可靠性增长的分析方法有待进一步研究和探讨。另外，本文重点对可靠性增长理论方法进行了研究分析和对比说明，缺乏实际的工程试验条件，在实际使用中可以结合化学电池的可靠性增长试验来进行更深入的研究。
参考文献（略）