一種星用鋰電池保險開關接觸機構的研制

羅福彪，陳禮文，王淑娟

(1.哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院，哈爾濱 150001；2.桂林航天電子有限公司，桂林 541002)

1 引言

衛星鋰電池組由多個鋰電池單體串聯構成，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險，有可能導致電池單體開路、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，而使衛星面臨失去蓄電池系統、在地影期斷電的風險。為避免個別電池單體出現失效影響整個電池組的供電安全性，國外衛星鋰電池供電系統為鋰電池單體配備了保險開關，隨著近年來我國使用鋰電池組新平臺技術的衛星越來越多，提出了鋰電池組關鍵配套器件之一的保險開關的國產化需求。由于保險開關直接聯入供電系統中長期工作，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。本文借鑒電力系統中的彈簧觸指接觸方式設計了保險開關的接觸機構，該接觸機構的接觸電阻在滿足指標要求的同時，也具有較大的動作裕度。

2 保險開關工作原理

保險開關在鋰電池組供電系統中的工作過程如下圖1所示：

圖1 保險開關工作示意圖

圖1中，T1、T2和T3為保險開關的三個電流引出端，接入鋰電池組主電路，T4和T5為保險開關的觸發端，用于對開關進行觸發動作。每組電池單體按圖示位置配接一個保險開關，當各串聯電池單體特性均正常時，保險開關為正常工作狀態(圖1a.觸發前)，電池回路電流流過常閉點；鋰電池組在軌工作時，如個別電池單體發生開路、短路或嚴重容量損失等故障，由地面發送遙控指令，給保險開關觸發端施加觸發電流，驅動保險開關動作，首先是常開點先閉合(圖1b.觸發動作過程)，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.觸發后)，避免由于個別電池單體出現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、滿足系統功能要求，從而大大提高了蓄電池組的可靠性。

3 接觸機構設計原理

本文設計的接觸機構如下圖 2所示，主要組成部分包括外殼、三個引出端(T1、T2和T3)、導電桿、彈簧觸指、絕緣墊圈、壓簧等。

圖2 接觸機構結構示意

導電桿穿過壓簧后由右向左穿入三個引出端，導電桿與引出端之間通過彈簧觸指連接，同時壓簧被壓縮，可提供接觸機構觸發動作的動力。在保險開關正常工作時，導電桿右端有一釋放機構對其進行限位，使其導通T1引出端和T2引出端導；當需要觸發動作時，解除對導電桿的限位，導電桿在壓簧推力作用下向右移動，在行程設計上使導電桿先與T3引出端的第一圈(由左往右數，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，實現先通后斷功能(圖 3)，最后導電桿動作到位，完成切換動作(圖 4)。

由于保險開關直接聯入供電系統中長期工作，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的切換可靠性。為解決這一矛盾，本文借鑒電力系統中的彈簧觸指接觸方式設計了保險開關的接觸機構，使保險開關的接觸電阻在滿足指標要求的同時，也具有較大的動作裕度。

圖3 接觸機構先通后斷過程示意圖

圖4 接觸機構完成切換示意圖

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

彈簧觸指自由狀態下的內徑為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圓加工出的成型槽內，為防止彈簧觸指松動，讓其有一定緊縮，彈簧觸指的內徑D1變為D3，外徑D2變為D4。將外徑為D1的導電桿插入后，彈簧觸指在導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

3.1 切換阻力計算

如圖7所示，保險開關觸發過程中，導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，則保險開關切換越可靠；反之則導電桿移動受阻，不能移動或移動不到位，造成保險開關觸發動作失效。

圖7 導電桿受力示意圖

切換阻力即彈簧觸指摩擦阻力，與彈簧觸指作用在導電桿表面上的正壓力相關。根據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導電桿插入引出端后彈簧觸指在導電桿上的接觸壓力。由于彈簧觸指、導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，根據與導電桿接觸的彈簧觸指總圈數，即可計算得到保險開關的切換阻力。

3.2 接觸電阻計算

如圖 9所示，電流流經保險開關的路線為：T1引出端-彈簧觸指―導電桿―彈簧觸指―T2(觸發后為T3)引出端。可知，保險開關的接觸電阻，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 保險開關接觸電阻組成示意圖

其中， Rt1、Rt2、Rcz和Rjcj可根據零件幾何尺寸計算得到，在計算接觸面電阻Rm時，需要結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、接觸方式等有關的系數；

F為接觸壓力(N)；

M為與接觸形式有關的系數。

可知，接觸面電阻與接觸壓力有關，圖 10為單只斜圈在保險開關中的受力示意圖。

圖10 單只斜圈受力示意圖

圖中，單只斜圈與導電桿之間的接觸壓力為Fcz，可由上文仿真計算得到，根據圖示，單只斜圈與引出端之間的接觸壓力為：

進而根據式(1)可分別計算得到Rc與Rt，則彈簧觸指與導電桿、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圈數。

4 效果驗證

本文研制的接觸機構在某型號保險開關中進行了應用，投產的某批次產品接觸電阻和引出端插拔阻力測量數據如下：

表1 XX批產品接觸電阻、引出端插拔阻力測量數據

分析該批產品測量數據，接觸電阻平均值為0.069mΩ，最大值為0.076mΩ，最大值相對指標要求值0.14 mΩ有45.7%的余量。插拔阻力測量數據，導電桿同時插入T1、 T2和T3引出端內時插拔阻力最大值為22.9N，此狀態下(導電桿在圖 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)；導電桿同時插入T1和T3引出端內時插拔阻力最大值為12.4N，此狀態下(導電桿在圖 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在觸發切換過程中壓簧推力與切換阻力的比值>3，可見該接觸機構具有較大的動作裕度。

5 結論

借鑒電力系統中的彈簧觸指接觸方式設計了某型號星用電池保險開關的接觸機構，較好的解決了該類接觸機構要求接觸電阻小、切換阻力小的問題，經工程應用驗證，該接觸機構的接觸電阻小，相對指標有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。