一种星用锂电池保险开关接触机构的研制

罗福彪，陈礼文，王淑娟

(1.哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001；2.桂林航天电子有限公司，桂林 541002)

1 引言

卫星锂电池组由多个锂电池单体串联构成，由于使用过程存在锂电池单体电解液泄露、深度过充电、隔膜损坏、深度过放电、使用超出温度范围等风险，有可能导致电池单体开路、短路以及电性能下降等失效模式。个别锂电池单体失效会造成整个蓄电池组无法正常充电及放电，而使卫星面临失去蓄电池系统、在地影期断电的风险。为避免个别电池单体出现失效影响整个电池组的供电安全性，国外卫星锂电池供电系统为锂电池单体配备了保险开关，随着近年来我国使用锂电池组新平台技术的卫星越来越多，提出了锂电池组关键配套器件之一的保险开关的国产化需求。由于保险开关直接联入供电系统中长期工作，从降低电路损耗方面要求其接触电阻尽量小，同时需要具备较高的切换可靠性，确保在需要将故障电池单体切换出主电路时能够可靠动作。本文借鉴电力系统中的弹簧触指接触方式设计了保险开关的接触机构，该接触机构的接触电阻在满足指标要求的同时，也具有较大的动作裕度。

2 保险开关工作原理

保险开关在锂电池组供电系统中的工作过程如下图1所示：

图1 保险开关工作示意图

图1中，T1、T2和T3为保险开关的三个电流引出端，接入锂电池组主电路，T4和T5为保险开关的触发端，用于对开关进行触发动作。每组电池单体按图示位置配接一个保险开关，当各串联电池单体特性均正常时，保险开关为正常工作状态(图1a.触发前)，电池回路电流流过常闭点；锂电池组在轨工作时，如个别电池单体发生开路、短路或严重容量损失等故障，由地面发送遥控指令，给保险开关触发端施加触发电流，驱动保险开关动作，首先是常开点先闭合(图1b.触发动作过程)，将故障电池单体短路，然后常闭点再断开，将故障电池单体切除出主电路(图1c.触发后)，避免由于个别电池单体出现故障进而影响整个电池组性能的情况。从以上图1a至图1c分析可知，保险开关的动作过程为先通后断，这样就可以保证外部供电回路不因保险开关切除电池单体的过程受到影响，故障电池单体切除后蓄电池组电压虽然略有降低，但仍能正常工作、满足系统功能要求，从而大大提高了蓄电池组的可靠性。

3 接触机构设计原理

本文设计的接触机构如下图 2所示，主要组成部分包括外壳、三个引出端(T1、T2和T3)、导电杆、弹簧触指、绝缘垫圈、压簧等。

图2 接触机构结构示意

导电杆穿过压簧后由右向左穿入三个引出端，导电杆与引出端之间通过弹簧触指连接，同时压簧被压缩，可提供接触机构触发动作的动力。在保险开关正常工作时，导电杆右端有一释放机构对其进行限位，使其导通T1引出端和T2引出端导；当需要触发动作时，解除对导电杆的限位，导电杆在压簧推力作用下向右移动，在行程设计上使导电杆先与T3引出端的第一圈(由左往右数，下同)弹簧触指接触上、再与T2引出端的第三圈弹簧触指分离，实现先通后断功能(图 3)，最后导电杆动作到位，完成切换动作(图 4)。

由于保险开关直接联入供电系统中长期工作，从降低电路损耗方面要求其接触电阻尽量小，一般要求接触电阻小于0.2mΩ，同时需要具备较高的切换可靠性。对接触机构的要求是接触电阻小、切换阻力小，从降低接触电阻的角度考虑，需要接触点之间的接触压力较大，但接触点压力过大，则导电杆切换时的摩擦阻力就会增大，较大的摩擦阻力会影响开关的切换可靠性。为解决这一矛盾，本文借鉴电力系统中的弹簧触指接触方式设计了保险开关的接触机构，使保险开关的接触电阻在满足指标要求的同时，也具有较大的动作裕度。

图3 接触机构先通后断过程示意图

图4 接触机构完成切换示意图

弹簧触指接触方式工作原理[1]如下图5所示：

图5 弹簧触指工作原理

弹簧触指自由状态下的内径为D1、外径为D2，其单只斜圈宽为d、高为h1、倾斜角为α1。将弹簧触指装入引出端内圆加工出的成型槽内，为防止弹簧触指松动，让其有一定紧缩，弹簧触指的内径D1变为D3，外径D2变为D4。将外径为D1的导电杆插入后，弹簧触指在导电杆径向方向上受到挤压从而倾斜角α1变小，此时弹簧触指单边变形量为(D1-D3)/2，从而弹簧触指建立了导电杆与引出端之间的电流通路。图 6所示为电流在弹簧触指中的路径示意，弹簧触指的单只斜圈与导电杆有一个接触点、与引出端有两个接触点，从插针流入斜圈的电流会分成两路流向引出端。

图6 电流在弹簧触指中的路径

3.1 切换阻力计算

如图7所示，保险开关触发过程中，导电杆受到压簧推力和弹簧触指摩擦阻力的共同作用，压簧推力越大、弹簧触指摩擦阻力越小，则保险开关切换越可靠；反之则导电杆移动受阻，不能移动或移动不到位，造成保险开关触发动作失效。

图7 导电杆受力示意图

切换阻力即弹簧触指摩擦阻力，与弹簧触指作用在导电杆表面上的正压力相关。根据弹簧触指的工作原理，可通过有限元分析软件来仿真计算当导电杆插入引出端后弹簧触指在导电杆上的接触压力。由于弹簧触指、导电杆以及引出端均为周期性的几何模型，因此弹簧触指中每只斜圈弹簧的受力情况相同，在进行静力学仿真计算时，可简化为对单只斜圈进行变形量和变形力的仿真分析。

图8 单只斜圈受力仿真计算

仿真计算出单只斜圈受力后，根据与导电杆接触的弹簧触指总圈数，即可计算得到保险开关的切换阻力。

3.2 接触电阻计算

如图 9所示，电流流经保险开关的路线为：T1引出端-弹簧触指―导电杆―弹簧触指―T2(触发后为T3)引出端。可知，保险开关的接触电阻，如T1引出端与T2/T3引出端之间的接触电阻Rkg，由以下五个部分组成：

1)T1引出端自身的体电阻Rt1；

2)T2引出端自身的体电阻Rt2；

3)导电杆自身的体电阻Rcz；

4)T1、T2引出端与插针之间的弹性接触件自身的体电阻Rjcj；

5)弹簧触指与导电杆、引出端之间的接触面电阻Rm；

即：Rkg=Rt1+Rt2+Rcz+Rjcj+Rm

图9 保险开关接触电阻组成示意图

其中， Rt1、Rt2、Rcz和Rjcj可根据零件几何尺寸计算得到，在计算接触面电阻Rm时，需要结合单只斜圈的受力情况进行。接触面电阻的一般计算公式为：

式中： kj为与接触材料、表面情况、接触方式等有关的系数；

F为接触压力(N)；

M为与接触形式有关的系数。

可知，接触面电阻与接触压力有关，图 10为单只斜圈在保险开关中的受力示意图。

图10 单只斜圈受力示意图

图中，单只斜圈与导电杆之间的接触压力为Fcz，可由上文仿真计算得到，根据图示，单只斜圈与引出端之间的接触压力为：

进而根据式(1)可分别计算得到Rc与Rt，则弹簧触指与导电杆、引出端之间的接触面电阻为：

式中： n为单个引出端中的弹簧触指总圈数。

4 效果验证

本文研制的接触机构在某型号保险开关中进行了应用，投产的某批次产品接触电阻和引出端插拔阻力测量数据如下：

表1 XX批产品接触电阻、引出端插拔阻力测量数据

分析该批产品测量数据，接触电阻平均值为0.069mΩ，最大值为0.076mΩ，最大值相对指标要求值0.14 mΩ有45.7%的余量。插拔阻力测量数据，导电杆同时插入T1、 T2和T3引出端内时插拔阻力最大值为22.9N，此状态下(导电杆在图 2所示位置)压簧提供的推力为145N，为最大插拔阻力的6.3倍(145/22.9)；导电杆同时插入T1和T3引出端内时插拔阻力最大值为12.4N，此状态下(导电杆在图 2所示位置)压簧提供的推力为75N，为最大插拔力的6.1倍(75/12.4)。一般要求此类保险开关在触发切换过程中压簧推力与切换阻力的比值>3，可见该接触机构具有较大的动作裕度。

5 结论

借鉴电力系统中的弹簧触指接触方式设计了某型号星用电池保险开关的接触机构，较好的解决了该类接触机构要求接触电阻小、切换阻力小的问题，经工程应用验证，该接触机构的接触电阻小，相对指标有40%以上的余量，同时具有较大的动作裕度，压簧推力与切换阻力的比值达到6倍以上。