卫星用锂电池组旁路开关设计与分析

发布时间：2020-06-26 15:03

【摘要】：旁路开关是卫星用锂离子电池组的关键配套器件之一,连接在电池组中的各电池单体之间,其功能是能够可靠地将出现性能故障的电池单体从电池组中切除,从而避免由于个别电池单体出现性能故障影响到整个电池组的可靠性。随着我国采用锂离子电池组的新型卫星越来越多,对旁路开关的需求量越来越大,由于采购困难、价格昂贵,提出了对旁路开关的国产化需求。为了满足我国重点型号卫星应用需要,本文开展了额定电流为220A的旁路开关的设计研制。本文的研究方法和部分结论可用于指导其他更高功率或类似结构的旁路开关设计。首先,建立了旁路开关接触系统的设计流程,明确了弹性接触件接触压力、插针插拔力、压簧参数以及插针行程四者之间的相互影响关系。从分析旁路开关接触电阻的各组成部分入手,确定引出端与插针之间的接触件形式,从而构建接触件的三维模型并对接触压力进行仿真计算,在此基础上计算得到旁路开关的接触电阻,且根据接触压力计算得到的插针插拔阻力进而对压簧的参数进行了计算分析;对旁路开关切换动作过程进行了分析,明确了插针的行程参数,并结合设计的压簧对开关的动作时间、先通过后断时间进行了理论分析和计算。在接触电阻、动作裕度和时间参数三者均满足技术指标要求的前提下,完成了旁路开关接触系统的设计。然后,分析了国外借鉴可分线轴技术的旁路开关释放装置的结构原理,以及多瓣式滑块散开行程的特点,设计了本文所研制的旁路开关的释放装置结构。对该释放装置的滑块进行了受力分析,确保在钢带释放张开后可以完成释放推杆的功能;对钢带的受力情况进行了分析计算,并装配样品实测得到钢带末端拉力数据,验证了理论计算结果;根据实测得到的熔丝破断力数据,分析论证了在该结构下熔丝可满足长期使用要求。最后,根据设计的结构与尺寸参数对旁路开关进行了批量试制,对样品的插拔力、时间参数及接触电阻等进行了测量,动作时间为4.03ms～5.76ms,先通后断过渡时间为246μs～332μs,接触电阻为0.067m?～0.079m?,开关整个释放过程动作裕度达到6倍以上;并结合航天系统高质量元器件应用验证的要求,对旁路开关进行了应用验证试验,给出了本文设计的旁路开关在规定条件下的电应力、机械应力和温度应力极限试验能力,试验表明设计的旁路开关各项性能均高于技术指标的要求。所得到的试验数据可做为该型号旁路开关航天工程应用的参考。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912
【图文】：

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1.1卫星用锂电池组旁路开关工作过程示意图如图1.1所示，多个电池单体串联组成电池组，每个电池单体在图示位置配接一个旁路开关，其中，T1、T2、T3为旁路开关的触点引出端，用来连接电池组主回路；T4、T5为旁路开关的触发引出端，用来控制开关的触发动作。当各串联电池单体特性均正常时，旁路开关处于正常工作位置（触发前），T1和T2触点接通，电池回路电流流过T1和T2触点；当整机系统检测到某一电池单体性能发生故障需要切除时，给相应旁路开关的T4和T5引出端发出触发指令

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Souriau公司的旁路开关均采用了多点接触、压簧储能驱动和金属熔丝触发的设计结构。下图1.2为美国NEA公司的旁路开关产品照片。图1.2 NEA公司200A旁路开关根据NEA公司旁路开关专利[12]，其内部结构见图1.3和图1.4所示，插针通过弹性接触件与引出端接触，开关触发和驱动由释放装置和压簧完成，未触发时插针位置如图1.3，图中T-1和T-2两个引出端接通；触发后压簧的约束被解除，驱动插针动作，通过插针与引出端的行程位置设计实现先通后断功能，动作完成后如图1.4，此时图中T-2和T-3两个引出端接通。图1.3 NEA公司旁路开关专利－未触发时内部结构图

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