羅福彪,陳禮文,王淑娟
(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院,哈爾濱 150001;2.桂林航天電子有限公司,桂林 541002)
衛(wèi)星鋰電池組由多個鋰電池單體串聯(lián)構(gòu)成,由于使用過程存在鋰電池單體電解液泄露、深度過充電、隔膜損壞、深度過放電、使用超出溫度范圍等風(fēng)險,有可能導(dǎo)致電池單體開路、短路以及電性能下降等失效模式。個別鋰電池單體失效會造成整個蓄電池組無法正常充電及放電,而使衛(wèi)星面臨失去蓄電池系統(tǒng)、在地影期斷電的風(fēng)險。為避免個別電池單體出現(xiàn)失效影響整個電池組的供電安全性,國外衛(wèi)星鋰電池供電系統(tǒng)為鋰電池單體配備了保險開關(guān),隨著近年來我國使用鋰電池組新平臺技術(shù)的衛(wèi)星越來越多,提出了鋰電池組關(guān)鍵配套器件之一的保險開關(guān)的國產(chǎn)化需求。由于保險開關(guān)直接聯(lián)入供電系統(tǒng)中長期工作,從降低電路損耗方面要求其接觸電阻盡量小,同時需要具備較高的切換可靠性,確保在需要將故障電池單體切換出主電路時能夠可靠動作。本文借鑒電力系統(tǒng)中的彈簧觸指接觸方式設(shè)計了保險開關(guān)的接觸機構(gòu),該接觸機構(gòu)的接觸電阻在滿足指標(biāo)要求的同時,也具有較大的動作裕度。
保險開關(guān)在鋰電池組供電系統(tǒng)中的工作過程如下圖1所示:
圖1 保險開關(guān)工作示意圖
圖1中,T1、T2和T3為保險開關(guān)的三個電流引出端,接入鋰電池組主電路,T4和T5為保險開關(guān)的觸發(fā)端,用于對開關(guān)進行觸發(fā)動作。每組電池單體按圖示位置配接一個保險開關(guān),當(dāng)各串聯(lián)電池單體特性均正常時,保險開關(guān)為正常工作狀態(tài)(圖1a.觸發(fā)前),電池回路電流流過常閉點;鋰電池組在軌工作時,如個別電池單體發(fā)生開路、短路或嚴重容量損失等故障,由地面發(fā)送遙控指令,給保險開關(guān)觸發(fā)端施加觸發(fā)電流,驅(qū)動保險開關(guān)動作,首先是常開點先閉合(圖1b.觸發(fā)動作過程),將故障電池單體短路,然后常閉點再斷開,將故障電池單體切除出主電路(圖1c.觸發(fā)后),避免由于個別電池單體出現(xiàn)故障進而影響整個電池組性能的情況。從以上圖1a至圖1c分析可知,保險開關(guān)的動作過程為先通后斷,這樣就可以保證外部供電回路不因保險開關(guān)切除電池單體的過程受到影響,故障電池單體切除后蓄電池組電壓雖然略有降低,但仍能正常工作、滿足系統(tǒng)功能要求,從而大大提高了蓄電池組的可靠性。
本文設(shè)計的接觸機構(gòu)如下圖 2所示,主要組成部分包括外殼、三個引出端(T1、T2和T3)、導(dǎo)電桿、彈簧觸指、絕緣墊圈、壓簧等。
圖2 接觸機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意
導(dǎo)電桿穿過壓簧后由右向左穿入三個引出端,導(dǎo)電桿與引出端之間通過彈簧觸指連接,同時壓簧被壓縮,可提供接觸機構(gòu)觸發(fā)動作的動力。在保險開關(guān)正常工作時,導(dǎo)電桿右端有一釋放機構(gòu)對其進行限位,使其導(dǎo)通T1引出端和T2引出端導(dǎo);當(dāng)需要觸發(fā)動作時,解除對導(dǎo)電桿的限位,導(dǎo)電桿在壓簧推力作用下向右移動,在行程設(shè)計上使導(dǎo)電桿先與T3引出端的第一圈(由左往右數(shù),下同)彈簧觸指接觸上、再與T2引出端的第三圈彈簧觸指分離,實現(xiàn)先通后斷功能(圖 3),最后導(dǎo)電桿動作到位,完成切換動作(圖 4)。
由于保險開關(guān)直接聯(lián)入供電系統(tǒng)中長期工作,從降低電路損耗方面要求其接觸電阻盡量小,一般要求接觸電阻小于0.2mΩ,同時需要具備較高的切換可靠性。對接觸機構(gòu)的要求是接觸電阻小、切換阻力小,從降低接觸電阻的角度考慮,需要接觸點之間的接觸壓力較大,但接觸點壓力過大,則導(dǎo)電桿切換時的摩擦阻力就會增大,較大的摩擦阻力會影響開關(guān)的切換可靠性。為解決這一矛盾,本文借鑒電力系統(tǒng)中的彈簧觸指接觸方式設(shè)計了保險開關(guān)的接觸機構(gòu),使保險開關(guān)的接觸電阻在滿足指標(biāo)要求的同時,也具有較大的動作裕度。
圖3 接觸機構(gòu)先通后斷過程示意圖
圖4 接觸機構(gòu)完成切換示意圖
彈簧觸指接觸方式工作原理[1]如下圖5所示:
圖5 彈簧觸指工作原理
彈簧觸指自由狀態(tài)下的內(nèi)徑為D1、外徑為D2,其單只斜圈寬為d、高為h1、傾斜角為α1。將彈簧觸指裝入引出端內(nèi)圓加工出的成型槽內(nèi),為防止彈簧觸指松動,讓其有一定緊縮,彈簧觸指的內(nèi)徑D1變?yōu)镈3,外徑D2變?yōu)镈4。將外徑為D1的導(dǎo)電桿插入后,彈簧觸指在導(dǎo)電桿徑向方向上受到擠壓從而傾斜角α1變小,此時彈簧觸指單邊變形量為(D1-D3)/2,從而彈簧觸指建立了導(dǎo)電桿與引出端之間的電流通路。圖 6所示為電流在彈簧觸指中的路徑示意,彈簧觸指的單只斜圈與導(dǎo)電桿有一個接觸點、與引出端有兩個接觸點,從插針流入斜圈的電流會分成兩路流向引出端。
圖6 電流在彈簧觸指中的路徑
如圖7所示,保險開關(guān)觸發(fā)過程中,導(dǎo)電桿受到壓簧推力和彈簧觸指摩擦阻力的共同作用,壓簧推力越大、彈簧觸指摩擦阻力越小,則保險開關(guān)切換越可靠;反之則導(dǎo)電桿移動受阻,不能移動或移動不到位,造成保險開關(guān)觸發(fā)動作失效。
圖7 導(dǎo)電桿受力示意圖
切換阻力即彈簧觸指摩擦阻力,與彈簧觸指作用在導(dǎo)電桿表面上的正壓力相關(guān)。根據(jù)彈簧觸指的工作原理,可通過有限元分析軟件來仿真計算當(dāng)導(dǎo)電桿插入引出端后彈簧觸指在導(dǎo)電桿上的接觸壓力。由于彈簧觸指、導(dǎo)電桿以及引出端均為周期性的幾何模型,因此彈簧觸指中每只斜圈彈簧的受力情況相同,在進行靜力學(xué)仿真計算時,可簡化為對單只斜圈進行變形量和變形力的仿真分析。
圖8 單只斜圈受力仿真計算
仿真計算出單只斜圈受力后,根據(jù)與導(dǎo)電桿接觸的彈簧觸指總?cè)?shù),即可計算得到保險開關(guān)的切換阻力。
如圖 9所示,電流流經(jīng)保險開關(guān)的路線為:T1引出端-彈簧觸指―導(dǎo)電桿―彈簧觸指―T2(觸發(fā)后為T3)引出端??芍?,保險開關(guān)的接觸電阻,如T1引出端與T2/T3引出端之間的接觸電阻Rkg,由以下五個部分組成:
1)T1引出端自身的體電阻Rt1;
2)T2引出端自身的體電阻Rt2;
3)導(dǎo)電桿自身的體電阻Rcz;
4)T1、T2引出端與插針之間的彈性接觸件自身的體電阻Rjcj;
5)彈簧觸指與導(dǎo)電桿、引出端之間的接觸面電阻Rm;
即:Rkg=Rt1+Rt2+Rcz+Rjcj+Rm
圖9 保險開關(guān)接觸電阻組成示意圖
其中, Rt1、Rt2、Rcz和Rjcj可根據(jù)零件幾何尺寸計算得到,在計算接觸面電阻Rm時,需要結(jié)合單只斜圈的受力情況進行。接觸面電阻的一般計算公式為:
式中: kj為與接觸材料、表面情況、接觸方式等有關(guān)的系數(shù);
F為接觸壓力(N);
M為與接觸形式有關(guān)的系數(shù)。
可知,接觸面電阻與接觸壓力有關(guān),圖 10為單只斜圈在保險開關(guān)中的受力示意圖。
圖10 單只斜圈受力示意圖
圖中,單只斜圈與導(dǎo)電桿之間的接觸壓力為Fcz,可由上文仿真計算得到,根據(jù)圖示,單只斜圈與引出端之間的接觸壓力為:
進而根據(jù)式(1)可分別計算得到Rc與Rt,則彈簧觸指與導(dǎo)電桿、引出端之間的接觸面電阻為:
式中: n為單個引出端中的彈簧觸指總?cè)?shù)。
本文研制的接觸機構(gòu)在某型號保險開關(guān)中進行了應(yīng)用,投產(chǎn)的某批次產(chǎn)品接觸電阻和引出端插拔阻力測量數(shù)據(jù)如下:
表1 XX批產(chǎn)品接觸電阻、引出端插拔阻力測量數(shù)據(jù)
分析該批產(chǎn)品測量數(shù)據(jù),接觸電阻平均值為0.069mΩ,最大值為0.076mΩ,最大值相對指標(biāo)要求值0.14 mΩ有45.7%的余量。插拔阻力測量數(shù)據(jù),導(dǎo)電桿同時插入T1、 T2和T3引出端內(nèi)時插拔阻力最大值為22.9N,此狀態(tài)下(導(dǎo)電桿在圖 2所示位置)壓簧提供的推力為145N,為最大插拔阻力的6.3倍(145/22.9);導(dǎo)電桿同時插入T1和T3引出端內(nèi)時插拔阻力最大值為12.4N,此狀態(tài)下(導(dǎo)電桿在圖 2所示位置)壓簧提供的推力為75N,為最大插拔力的6.1倍(75/12.4)。一般要求此類保險開關(guān)在觸發(fā)切換過程中壓簧推力與切換阻力的比值>3,可見該接觸機構(gòu)具有較大的動作裕度。
借鑒電力系統(tǒng)中的彈簧觸指接觸方式設(shè)計了某型號星用電池保險開關(guān)的接觸機構(gòu),較好的解決了該類接觸機構(gòu)要求接觸電阻小、切換阻力小的問題,經(jīng)工程應(yīng)用驗證,該接觸機構(gòu)的接觸電阻小,相對指標(biāo)有40%以上的余量,同時具有較大的動作裕度,壓簧推力與切換阻力的比值達到6倍以上。