卫星用锂电池组旁路开关可靠性预计

周建泉，李彩林，陈礼文，林军

（1.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林，541002；2.桂林航天电子有限公司，广西桂林，541002）

0 引言

旁路开关是卫星锂离子蓄电池配套器件，连接在各单体电池之间，在各单体电池特性均正常时电池回路电流流经旁路开关常闭点，在个别单体电池特性严重劣化后旁路开关触发旁路该单体电池，触发后旁路开关常开点接通、常闭点断开，电池回路电流流经其常开点[1]。分析其工作过程，旁路开关在未收到触发信号时应可靠保持在未触发状态，在收到触发信号后应可靠触发，以实现对锂电池单体或并联单元的故障切除和保护，保证整个电池组的正常工作。旁路开关为一次性使用的纯机械式产品，结构具有“命悬一线”的特点，其可靠性将影响电池组的可靠性。

成慧[2]对旁路开关的工作原理与关键性能参数试验方法进行了介绍，并提出了旁路开关后续的研究重点及标准化工作方向。王琳，杨进，杨淼[3]等对旁路开关的静态特性、动态抗干扰特性、动作可靠性进行了验证，结果均满足指标要求，但由于旁路开关为一次性使用产品，他们只进行了1个样品的动作可靠性测试，测试数据相对较少。赵雯雯，赵晶，刘振照等对旁路开关接触系统插入力进行仿真与实验，通过借助Ansys Workbench仿真平台，得出了弹簧触指位移载荷与插入力的关系曲线，以及不同弹簧斜槽宽度下弹簧位移载荷与插入力的关系曲线，通过匹配，可获得最优的插拔力，以此设计出具有足够裕度的压簧，从而提高旁路开关的动作可靠性。

综上所述，所研究的内容并未给出旁路开关的可靠度，本文从工程实际出发，依据GJB/Z299C，结合旁路开关本身结构特点、工作状态环境、质量等级、额定负载及动作频次对旁路开关的可靠度进行预计，以计算出旁路开关的可靠性值。

1 旁路开关概况

旁路开关由接触系统及释放装置组成，如图1所示。接触系统主要包括三个插孔（T1、T2和T3）、插针、推杆、压簧等。插孔和插针实现电路连接，压簧提供电路切换的推力。插针与推杆连接在一起，在压簧的推力作用下，实现旁路开关由插孔T1、T2接通切换为T1、T3接通。释放装置主要包括滑块、钢带、熔断丝、引出杆等。释放前，熔丝穿过钢带点焊在引出杆T4、T5上，钢带将滑块约束，从而阻止推移动；释放后，熔断丝熔断，滑块解除约束，旁路开关动作。

图1 旁路开关接结构示意图

2 可靠性分析

通过可靠性预计手册来完成产品的可靠性预计至今仍是主要方法之一。目前国内生产实际中，使用最为广泛的仍属于GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，该标准依据我国国情，基本按照MIL-HDBK-217F来编写，包含两种可靠性预计方法:元器件应力分析法和元件计数法。其中，元器件应力分析法是根据选用元器件的品种、质量等级、工作应力及环境应力等因素，由 GJB/Z 299 得到各元器件失效率数据，再按产品中元器件数量将这些失效率相加，即可得出产品的失效率。旁路开关在结构上是接触系统、释放装置的组合体，接触系统完成开关触点通断，释放装置用于开关的触发，二者构成开关本体，为独立单元结构，开关本体的可靠度即为旁路开关的可靠度。

3 失效率预计

根据GJB/Z299C-2006《电子设备可靠性预计手册》，开关本体的工作失效率为：

在GJB/Z299C中，开关本体驱动机构方式共有四种，分别为“按钮式”、“拨动式”、“旋转式”、“微动式”。旁路开关本体驱动结构不属于“旋转式”和“微动式”，就其结构而言比较接近于按钮式，只是手工按压在这里是弹簧驱动按压。按钮式开关其基本失效率λb1=0.001 (10-6/h)。

旁路开关有源触点数为2，开关本体有源接点的基本失效率为：λb2=0.06(10-6/h)。

环境系数πE：地面环境(代号GB)为1；发射环境(代号ML)为40；转移轨道环境(代号SF1)为4；宇宙飞行环境(代号SF2)为 1。

质量系数：旁路开关质量等级为B1级时πQ=0.6，质量等级为A级时πQ=0.3。

旁路开关本体触点负载性质为阻性负载，在地面测试周期、发射、转移轨道、在轨测试及同步轨道地影期最大工作负载电流150A，额定电流为220A，此时工作负载电流/额定负载电流S=0.7，此时触点负载系数πL=2.15；在地面储存期及同步轨道非地影期，旁路开关工作电流为零或很小，此时负载系数πL=1。

旁路开关每天动作次数少于1次，则开关速率系数：πCYC=0.1。

根据公式（1）带入相应参数计算得不同贮存及工作状态下开关本体工作失效率，计算结果见表1。

表1 开关本体工作失效率

4 可靠度预计

按照前述的可靠性数学模型可知，旁路开关总的工作可靠度为：

式中R1为开关本体的工作可靠度，其失效规律服从于指数分布，可靠度Ps为：

根据旁路开关在不同贮存环境及工作状态，将表1中的工作失效率代入Ps式，计算得出开关在不同贮存环境及工作状态下总工作可靠度，计算结果见表2。

表2 旁路开关工作可靠度

5 可靠性评估试验

为验证旁路开关的可靠度，根据其技术要求，对旁路开关进行电应力、机械应力和温度应力极限评估试验。其中电应力极限试验包含连续通电、介质耐电压、过负载试验；机械应力极限试验包含正弦振动、随机振动、冲击谱、稳态加速度试验；温度应力极限试验为温度冲击试验，每项试验样品数量为2，具体试验要求如下。

连续通电试验在85 ±5 ℃，室内气压下进行，闭合触点间通额定220A电流，通电时间共 200h。通电过程中每 10h记录一次接触电压降、 引出端和外壳表面温升。完成后电流继续按25A步进值步进至320A进行重复试验。试验结果：接触电压降、引出端和外壳表面温升均符合旁路开关技术规范要求。

介质耐电压初始电压为 500Vr.m.s.， 50Hz，最大漏电流 1mA；加压持续时间5s。

之后分别施加试验电压 600Vr.m.s.、700Vr.m.s.……、2000Vr.m.s (步进值 100Vr.m.s.)。试验结果：旁路开关未击穿，具有良好的耐受过电位的能力。

过负载试验给旁路开关触点施加脉冲电流 600A，持续时间 250ms，1 次/min，施加10次试验结束后测试接触电阻。之后按400A步进值递增至1400A。试验结果：触点接触电阻均符合要求，旁路开关具有良好的抗浪涌电流负载的能力。

正弦振动试验频率范围为 10～2000Hz，20min/向，加速度初始值为20g，按10g步进值步进至40g，每次试验后测试电参数。实验结果：电参数均符合要求，旁路开关具有良好的抗正弦振动能力。

随机振动试验初始加速度谱密度为0.2g²/Hz，按0.1g²/Hz步进值步进至至0.8g²/Hz，15min/向，每次试验后测试电参数。实验结果：电参数均符合要求，旁路开关具有良好的抗随机振动能力。

冲击谱试验加速度值按设备极限值2000g进行，频率为100～5000Hz，每次试验后测试电参数及观察结构损坏情况。实验结果：电参数均符合要求，结构未损坏，旁路开关具有良好的抗冲击谱能力。

稳态加速度试验初始加速度值为50g，按25g步进值步进至150g，每次试验后测试电参数。实验结果：电参数均符合要求，旁路开关具有良好的抗稳态加速度能力。

温度冲击试验在-55℃～+85℃条件下进行，初始循环次数为50次，按25次步进值步进至200次，每次试验后测试电参数。实验结果：电参数均符合要求，旁路开关具有良好的抗温度冲击能力。通过极限评估试验，结果表明旁路开关具有很高的可靠度。

6 结论

旁路开关可靠度指标接收值为0.9993，从计算结果可知，质量等级为B1级旁路开关在各独立工作剖面，包括同步轨道15年可靠度均满足大于0.9993，当产品列入国家军用电子元器件合格目录（QPL），质量等级达到A级后，其可靠度预计值可得到进一步改善和提高。