衛星用鋰電池組旁路開關可靠性預計

周建泉，李彩林，陳禮文，林軍

（1.桂林電子科技大學機電工程學院，廣西桂林，541002；2.桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002）

0 引言

旁路開關是衛星鋰離子蓄電池配套器件，連接在各單體電池之間，在各單體電池特性均正常時電池回路電流流經旁路開關常閉點，在個別單體電池特性嚴重劣化后旁路開關觸發旁路該單體電池，觸發后旁路開關常開點接通、常閉點斷開，電池回路電流流經其常開點[1]。分析其工作過程，旁路開關在未收到觸發信號時應可靠保持在未觸發狀態，在收到觸發信號后應可靠觸發，以實現對鋰電池單體或并聯單元的故障切除和保護，保證整個電池組的正常工作。旁路開關為一次性使用的純機械式產品，結構具有“命懸一線”的特點，其可靠性將影響電池組的可靠性。

成慧[2]對旁路開關的工作原理與關鍵性能參數試驗方法進行了介紹，并提出了旁路開關后續的研究重點及標準化工作方向。王琳，楊進，楊淼[3]等對旁路開關的靜態特性、動態抗干擾特性、動作可靠性進行了驗證，結果均滿足指標要求，但由于旁路開關為一次性使用產品，他們只進行了1個樣品的動作可靠性測試，測試數據相對較少。趙雯雯，趙晶，劉振照等對旁路開關接觸系統插入力進行仿真與實驗，通過借助Ansys Workbench仿真平臺，得出了彈簧觸指位移載荷與插入力的關系曲線，以及不同彈簧斜槽寬度下彈簧位移載荷與插入力的關系曲線，通過匹配，可獲得最優的插拔力，以此設計出具有足夠裕度的壓簧，從而提高旁路開關的動作可靠性。

綜上所述，所研究的內容并未給出旁路開關的可靠度，本文從工程實際出發，依據GJB/Z299C，結合旁路開關本身結構特點、工作狀態環境、質量等級、額定負載及動作頻次對旁路開關的可靠度進行預計，以計算出旁路開關的可靠性值。

1 旁路開關概況

旁路開關由接觸系統及釋放裝置組成，如圖1所示。接觸系統主要包括三個插孔（T1、T2和T3）、插針、推桿、壓簧等。插孔和插針實現電路連接，壓簧提供電路切換的推力。插針與推桿連接在一起，在壓簧的推力作用下，實現旁路開關由插孔T1、T2接通切換為T1、T3接通。釋放裝置主要包括滑塊、鋼帶、熔斷絲、引出桿等。釋放前，熔絲穿過鋼帶點焊在引出桿T4、T5上，鋼帶將滑塊約束，從而阻止推移動；釋放后，熔斷絲熔斷，滑塊解除約束，旁路開關動作。

圖1 旁路開關接結構示意圖

2 可靠性分析

通過可靠性預計手冊來完成產品的可靠性預計至今仍是主要方法之一。目前國內生產實際中，使用最為廣泛的仍屬于GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》，該標準依據我國國情，基本按照MIL-HDBK-217F來編寫，包含兩種可靠性預計方法:元器件應力分析法和元件計數法。其中，元器件應力分析法是根據選用元器件的品種、質量等級、工作應力及環境應力等因素，由 GJB/Z 299 得到各元器件失效率數據，再按產品中元器件數量將這些失效率相加，即可得出產品的失效率。旁路開關在結構上是接觸系統、釋放裝置的組合體，接觸系統完成開關觸點通斷，釋放裝置用于開關的觸發，二者構成開關本體，為獨立單元結構，開關本體的可靠度即為旁路開關的可靠度。

3 失效率預計

根據GJB/Z299C-2006《電子設備可靠性預計手冊》，開關本體的工作失效率為：

在GJB/Z299C中，開關本體驅動機構方式共有四種，分別為“按鈕式”、“撥動式”、“旋轉式”、“微動式”。旁路開關本體驅動結構不屬于“旋轉式”和“微動式”，就其結構而言比較接近于按鈕式，只是手工按壓在這里是彈簧驅動按壓。按鈕式開關其基本失效率λb1=0.001 (10-6/h)。

旁路開關有源觸點數為2，開關本體有源接點的基本失效率為：λb2=0.06(10-6/h)。

環境系數πE：地面環境(代號GB)為1；發射環境(代號ML)為40；轉移軌道環境(代號SF1)為4；宇宙飛行環境(代號SF2)為 1。

質量系數：旁路開關質量等級為B1級時πQ=0.6，質量等級為A級時πQ=0.3。

旁路開關本體觸點負載性質為阻性負載，在地面測試周期、發射、轉移軌道、在軌測試及同步軌道地影期最大工作負載電流150A，額定電流為220A，此時工作負載電流/額定負載電流S=0.7，此時觸點負載系數πL=2.15；在地面儲存期及同步軌道非地影期，旁路開關工作電流為零或很小，此時負載系數πL=1。

旁路開關每天動作次數少于1次，則開關速率系數：πCYC=0.1。

根據公式（1）帶入相應參數計算得不同貯存及工作狀態下開關本體工作失效率，計算結果見表1。

表1 開關本體工作失效率

4 可靠度預計

按照前述的可靠性數學模型可知，旁路開關總的工作可靠度為：

式中R1為開關本體的工作可靠度，其失效規律服從于指數分布，可靠度Ps為：

根據旁路開關在不同貯存環境及工作狀態，將表1中的工作失效率代入Ps式，計算得出開關在不同貯存環境及工作狀態下總工作可靠度，計算結果見表2。

表2 旁路開關工作可靠度

5 可靠性評估試驗

為驗證旁路開關的可靠度，根據其技術要求，對旁路開關進行電應力、機械應力和溫度應力極限評估試驗。其中電應力極限試驗包含連續通電、介質耐電壓、過負載試驗；機械應力極限試驗包含正弦振動、隨機振動、沖擊譜、穩態加速度試驗；溫度應力極限試驗為溫度沖擊試驗，每項試驗樣品數量為2，具體試驗要求如下。

連續通電試驗在85 ±5 ℃，室內氣壓下進行，閉合觸點間通額定220A電流，通電時間共 200h。通電過程中每 10h記錄一次接觸電壓降、 引出端和外殼表面溫升。完成后電流繼續按25A步進值步進至320A進行重復試驗。試驗結果：接觸電壓降、引出端和外殼表面溫升均符合旁路開關技術規范要求。

介質耐電壓初始電壓為 500Vr.m.s.， 50Hz，最大漏電流 1mA；加壓持續時間5s。

之后分別施加試驗電壓 600Vr.m.s.、700Vr.m.s.……、2000Vr.m.s (步進值 100Vr.m.s.)。試驗結果：旁路開關未擊穿，具有良好的耐受過電位的能力。

過負載試驗給旁路開關觸點施加脈沖電流 600A，持續時間 250ms，1 次/min，施加10次試驗結束后測試接觸電阻。之后按400A步進值遞增至1400A。試驗結果：觸點接觸電阻均符合要求，旁路開關具有良好的抗浪涌電流負載的能力。

正弦振動試驗頻率范圍為 10～2000Hz，20min/向，加速度初始值為20g，按10g步進值步進至40g，每次試驗后測試電參數。實驗結果：電參數均符合要求，旁路開關具有良好的抗正弦振動能力。

隨機振動試驗初始加速度譜密度為0.2g2/Hz，按0.1g2/Hz步進值步進至至0.8g2/Hz，15min/向，每次試驗后測試電參數。實驗結果：電參數均符合要求，旁路開關具有良好的抗隨機振動能力。

沖擊譜試驗加速度值按設備極限值2000g進行，頻率為100～5000Hz，每次試驗后測試電參數及觀察結構損壞情況。實驗結果：電參數均符合要求，結構未損壞，旁路開關具有良好的抗沖擊譜能力。

穩態加速度試驗初始加速度值為50g，按25g步進值步進至150g，每次試驗后測試電參數。實驗結果：電參數均符合要求，旁路開關具有良好的抗穩態加速度能力。

溫度沖擊試驗在-55℃～+85℃條件下進行，初始循環次數為50次，按25次步進值步進至200次，每次試驗后測試電參數。實驗結果：電參數均符合要求，旁路開關具有良好的抗溫度沖擊能力。通過極限評估試驗，結果表明旁路開關具有很高的可靠度。

6 結論

旁路開關可靠度指標接收值為0.9993，從計算結果可知，質量等級為B1級旁路開關在各獨立工作剖面，包括同步軌道15年可靠度均滿足大于0.9993，當產品列入國家軍用電子元器件合格目錄（QPL），質量等級達到A級后，其可靠度預計值可得到進一步改善和提高。