一種星用鋰電池保險開關(guān)接觸機(jī)構(gòu)的研制

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)

1 引言

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(jī)構(gòu)，該接觸機(jī)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。

2 保險開關(guān)工作原理

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(jìn)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(diǎn)；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(yán)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(diǎn)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(diǎn)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(jìn)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。

3 接觸機(jī)構(gòu)設(shè)計原理

本文設(shè)計的接觸機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)構(gòu)對其進(jìn)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(shí)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(jī)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(diǎn)之間的接觸壓力較大，但接觸點(diǎn)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(jī)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(jī)構(gòu)先通后斷過程示意圖

圖4 接觸機(jī)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(diǎn)、與引出端有兩個接觸點(diǎn)，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

3.1 切換阻力計算

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(jìn)行靜力學(xué)仿真計算時，可簡化為對單只斜圈進(jìn)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。

3.2 接觸電阻計算

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ｋU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(jìn)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(jìn)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)。

4 效果驗證

本文研制的接觸機(jī)構(gòu)在某型號保險開關(guān)中進(jìn)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(jī)構(gòu)具有較大的動作裕度。

5 結(jié)論

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(jī)構(gòu)，較好的解決了該類接觸機(jī)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(jī)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(dá)到6倍以上。