基于PTC陶瓷电阻大容量蓄电池组放电车的故障分析和改进

闫利伟 宋东升 刘冀

（海军工程大学天津校区，天津 300450）

大容量蓄电池组进行周期性治疗，对其活性物质的恢复，消除钝化现象，恢复容量和使用寿命有重要的作用。在周期性治疗过程中，按规定放电制对蓄电池组进行深度放电，然后再进行正常的充电和再充电，是大容量蓄电池组周期性治疗的主要方法。而科学、可靠的放电装置，不仅能保证大容量蓄电池组能按规定的放电制要求进行放电，确保治疗的顺利进行；同时能在放电时根据蓄电池组电压变化自动调节放电电阻，达到恒流放电，从而能正确的评价蓄电池组的容量，对其性能判定有重要的意义。

文献[1]中，介绍了一种利用PTC的正温度系数所表现出的非线性阻抗特性，控制PTC表面的温度，间接调节PTC的阻抗，实现岸基大容量蓄电池组恒流放电的装置。其中如何控制PTC表面的温度，使其阻抗达到理想的值是这种放电车满足大容量蓄电池组恒流放电要求的核心技术。在此，对控制PTC表面的温度出现的一种故障进行了分析并做出了改进，本文采用标幺值。

1 现场的事故现象

这种蓄电池放电车在某岸基现场试验时，设计人员检查了两台放电车无短路和接地现象等故障后，指挥人员下令进行第一次放电试验；放电开始前蓄电池组开路电压为1.089，放电开始后，放电车上表记与蓄电池组表记均显示电池组电压为1.045，放电开始10 s左右时间后（此时还没有到风机启动时间，风机启动时间为放电开始18 s后），编号为NO1放电车有一根PTC负载爆裂并有火花现象出现，指挥人员下令断开蓄电池组出口开关。

设计人员仔细检查了两台放电车，在确定不会再次出现爆裂及火花情况后，指挥人员下令进行第二次放电试验，放电开始后，编号为 NO1放电车显示初始电流为 1.145，随后放电电流逐渐减小，最后显示电流 0.532，电流不再减小；编号为NO2放电车初始显示电流1.177，随后放电电流逐渐减小，最后显示电流 0.613，电流不再减小。两台放电车均没有达到设计要求的恒流放电电流。

2 故障分析

2.1 故障定位

设计人员按照大容量蓄电池组放电车的设计方案对问题原因进行了仔细查找。首先，对所有PTC负载进行了检查和正常上电试验，没有再次出现爆裂及火花现象；其次设计人员与PTC负载生产单位进行沟通，确定本放电车使用的PTC负载设计的最高工作电压为 1.023，如果工作电压超过最高电压上限，将有可能发生PTC负载被击穿并发生爆裂。

按照设计方案要求，放电车在对基准电压等级电池组进行放电时，将所有PTC负载均匀分为两组，每组分别安装在放电车箱体的两侧，然后将这两组PTC负载进行串联，每组PTC负载承担电压为蓄电池组基准电压的一半，即电压为0.500，因此问题可定位于均匀分配的两组 PTC电阻没有按照设计方案的要求均匀分担蓄电池组的电压，部分PTC负载上的电压超过PTC负载最高工作电压，造成PTC负载被击穿，发生爆裂和火花现象；并且由于两组PTC负载分担的电压不同，使每组PTC负载上电压均不在PTC负载额定工作电压范围之内，发热功率小于额定发热功率，导致放出电流小于设计放电电流。

2.2 故障机理

在仔细分析和研究了现场发生的情况后，设计人员发现，试验当日，室外风力为阵风 7～8级左右，由于均匀分配的两组PTC负载分别安装在放电车的两侧；有一组PTC负载正对着风向，另一组背对着风向；正对着风向的PTC负载散热良好，而背对着风向的PTC负载散热相对较差，造成两组PTC负载散热功率相差太大。

由于PTC负载是功率型负载，电阻值随PTC负载自身的温度变化而变化，散热效果较差的一组PTC负载比散热效果好的一组PTC负载自身温度高，所以电阻值也高，在串联连接方式中，阻值高的电阻分担的电压也高，这样散热效果差的一组 PTC负载必然承受蓄电池组的大部分电压，而散热效果好的一组PTC负载承受蓄电池组小部分电压。试验结果表明，发生爆裂和火花现象的PTC负载正好处于背风一侧，该组负载承受的电压很可能超过PTC负载最高工作电压，造成极个别耐压值在1.023左右的PTC负载被击穿，发生爆裂和火花现象。

本放电车使用的 PTC负载的额定工作电压为0.500，正常工作电压为0.432～0.568，在正常工作电压范围内时，PTC负载的发热功率为标称设计功率，当工作电压在正常工作电压范围之外时，其发热功率将大幅度降低，造成放电电流也大幅度降低。在本次试验中，两组串联的PTC负载由于受到外界自然风的影响，两组PTC负载的发热功率不相等，电阻值也不相等，造成分压不均，使两组PTC负载上的电压均不在其工作电压范围之内，其发热功率都大幅度降低，放电电流也大幅度降低，使放电电流没有达到设计放电电流值。

2.3 故障复现

为了验证以上分析的正确性，设计人员在实验室模拟了现场情况，将两根 PTC负载串联连接，其中一只PTC负载用风机强制风冷，模拟自然风，另一只PTC负载采用自然冷却，在串联负载上加直流电压源，如图 1，电压源的电压从 0缓慢上升到1.023，观察电压表V1和V2上的电压，发现电压基本全部加在PTC负载Rt2上，PTC负载Rt1上电压很小。

图1 一只PTC强制风冷，一只自然冷却

按照通用型潜艇蓄电池放电监测车设计方案，在两根PTC负载上加相同风量的强制风冷风机，如图 2，重复以上步骤，发现电压表 V1和V2的值基本一致，电压源电压上升到1.045甚至1.136时，每根PTC负载上的电压基本为电源电压的一半，两根PTC负载完成了电压的均分。

在附图1中，将Rt1和风机撤走，然后将电压源的电压从0上升到0.454左右时，电流表显示从 0上升到最大电流电流值为 0.033，继续升高电压后，电流逐渐减小，到电压上升到 1.023时，电流表显示值接近为 0.002，当电压继续上升达到电压 1.045左右时，电流表显示电流突然急剧增大，瞬间后QF1发生短路跳闸，在本实验中，断路器的额定电流为 0.161，所以可以断定是发生了PTC负载过电压被击穿现象。

图2 两根PTC负载上加相同风量的强制风冷

通过上述实验可以确定，此次在某岸基进行放电试验时发生的事故是由于设计人员没有考虑放电车实际使用环境条件下（强自然风），两组PTC负载不能实现电压均分而引起的，证明上述故障机理的分析是正确的。

3 解决措施

在认识到放电试验失败的原因后，设计人员重新仔细分析了蓄电池放电车最初的设计方案，为了避免由自然环境引起两组 PTC负载上分压不均，从根本上杜绝 PTC负载过电压被击穿现象，设计人员重新选择了一种新型PTC负载，该新型PTC负载额定工作电压为基准电压1.000，最高工作电压可达 1.704，在 0.409～1.091宽电压范围内，其发热功率均恒定，所以无论蓄电池组电压是0.500还是1.000，该新型PTC负载均能正常放电；无需再将所有PTC负载分为两组，也不需要再进行串联才能放电。

4 结束语

该新型PTC负载使用后，放电车设计将大为简化，不再需要两种电压等级的电池组输入铜排，也不需要再进行 0.500和 1.000两种电压等级的电压、电流测量转换，改进了原设计方案的缺陷，取得了良好的实际效果。

[1]宋东升, 闫利伟, 刘冀. 基于PTC陶瓷电阻的大容量蓄电池组恒流放电. 蓄电池，2009（3）.