微小型复合能源装置的一体化集成与结构设计

羊 慧，陈显才

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

随着信息技术及微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的飞速发展，以无线传感网络节点为代表的无人值守小型化设备在军事、救灾、环境等方面广泛应用[1,2]。这些无人值守小型化设备大多放置在野外环境，部分设备对隐蔽性具有较高要求，因此设备需要尽可能地提高集成密度，降低体积质量，而供能单元通常在整个系统中的体积占比最大，因此要实现无线传感网络节点的小型化，首先要实现节点中供能单元的微小型化。另外，对于工作在野外环境中的无人值守小型化设备而言，通常需要做到能在数月的工作周期内持续、稳定、高可靠的自主供能，因此在有限体积内实现多方式复合供能具有重要意义[3,4]。

针对上述需求，本文基于结构功能一体化集成思路提出了一种太阳能及燃料供能相结合的微小型复合能源装置，并对其一体化集成与结构设计进行了初步探索，其集成思路和结构设计可为相关工程应用提供参考。

1 系统集成

1.1 问题提出

要实现微小型复合能源装置的微型化和一体化，需要在系统集成上解决以下两个问题：一是空间布局的合理性；二是电气互连的有效性。

空间布局的合理性是在有限的空间内实现系统的功能布局，需要考虑装置中各功能模块在空间占用及互连关系上的需求与特点，优化装置的功能布局，提升有限空间下关键供能单元的发电能力。电气互连的有效性需要考虑在特定的空间布局下，如何实现装置中各功能模块间的有效互连，做到在有限空间下电气互连的高可靠和低空间占用，提升系统的空间利用率，降低装置的体积质量。

为解决上述集成难题，本文采用结构功能一体化的集成思路开展工作，将装置中各功能模块子系统共形于结构支撑体的内、外表面，并通过布置于结构壳体表面的三维共形电路实现系统内电气互连，形成一种系统设计自由度、空间利用率和能量效率显著提升的新型复合能源装置构型，可有效促进装置的布局优化和轻量化。

1.2 系统组成

本文提出的微小型复合能源装置由供能、储能以及能量管理3个功能模块构成。其中，供能模块用于将不同类型的外部能量转换为电能。综合考虑不同发电技术的优势与不足，选用太阳能电池与燃料电池进行复合供能，太阳能电池可在较长的使用周期内持续工作，但受环境光照的影响，供能具有周期性和不稳定性的特点；燃料电池可在太阳能电池供能受限的情况下持续稳定地进行电能输出，两者配合可提升能源装置的寿命，达到在数月工作周期内无需人员干预的应用要求[5]。储能模块用于将供能模块转化得到的电能进行储存，以供外部用电设备按需调配使用。能源管理模块用于控制燃料电池反应回路的通断、管理储能模块的充放电规则，并根据负载的用电情况调整供电方案等，保障系统供能的稳定性及经济性。另外，在互连关系上，能量管理模块处在互连的中心节点上，功能模块内的两个功能单元及储能模块均需要与之进行内部互连，且需要承担对外输出的功能。微小型复合能源装置的系统组成及互连关系如图1所示。

图1 微小型复合能源装置的系统组成与互连关系

1.3 空间布局

根据装置的系统组成，结合供能、储能以及能量管理3个功能模块在空间占用和互连关系上的需求与特点，开展装置的空间布局设计。

供能模块在整个系统中体积占比最大，其中太阳能电池依赖于对太阳能的转化，对太阳照射面积有较高需求；燃料电池依赖于对燃料中化学能的转化，对燃料灌注体积有较高需求。因此，在设计中依据二者在空间占用上的不同特点，将两者内外嵌套，光伏电池布置在装置的外表面、燃料电池布置在光伏电池形成的内部空间中，既可实现光伏电池面积的最大化，又可实现燃料电池体积的最大化，有效提升有限空间下关键供能单元的发电能力。

储能模块和能源管理模块对于空间的占用需求相对较小，其中储能模块主要为超级电容器，能源管理模块主要为控制电路板，超级电容器可封装为一个电性能件集成于控制电路板上，实现储能与能源管理模块在物理形态上的融合。

供能模块在系统内体积占比最大，占用装置的上部大部分空间，储能和能源管理模块在物理形态上融合后占用装置的底部空间。在该集成架构下，装置外包络面内的全部空间都可被有效利用，能提升装置的等效能量密度，另外系统架构较为精简，可提升系统的可靠性。微小型复合能源装置的空间布局如图2所示。

图2 微小型复合能源装置的空间布局

1.4 电气互连

根据装置的系统组成及空间布局，为实现系统的有效互连，本文采用了依托三维共形电路和弹性连接器的结构功能一体化集成手段，实现了系统互连的高可靠和低空间占用，可有效减轻系统的体积质量。

其中三维共形电路是将导带、图形等元素直接集成于结构壳体表面的一种工艺手段，不需要单独的电路基板承载，与常规的产品相比具有散热效率高、后续装配工作量少以及空间利用率高的特点，可有效提升系统的可靠性，降低重量与体积[6-8]。三维共形电路可在几乎不占用额外空间的情况下将装置中原有的纯结构件变为结构功能一体化构件，实现替代传统线缆和充当燃料电池反应电极等电气功能，是实现系统电气互连和轻量化的关键技术。

其中弹性连接器是一种新型的接触式电气互连方式，可在空间占用更小的情况下替代传统能源装置中的插合式电连接器实现模块间的电气互连，有效匹配装置的集成架构，并进一步提升装置的集成度。

2 结构设计

基于上述系统集成思路开展微小型复合能源装置的结构设计，考虑到太阳能电池接收辐射的效率，装置整体外观采用六棱台形式，并主要分为上、下两个部分，上面部分为供能模块，下面部分为储能与能源管理模块。微小型复合能源装置的结构爆炸图如图3所示。

图3 微小型复合能源装置的结构爆炸图

2.1 供能模块

供能模块由布置于外部的光伏电池和布置于内部的燃料电池组成。其中光伏电池包括结构壳体、光伏电池板、三维共形电路以及弹性连接器，光伏电池板以最大面积铺满结构壳体外表面，以便随着日照方向和角度的变化实现有效照射与供能；三维共形电路布置在结构壳体上，实现各光伏电池板之间的电连接，并通过三维共形电路将光伏电池正负极接至弹性连接器。燃料电池选用质子交换膜燃料电池，其组成包括燃料罐、反应膜、分离式反应电极、三维共形电路以及弹性连接器，反应膜与分离式反应电极由内至外依次布置在燃料罐表面，燃料罐表面与分离式反应电极开设有小孔，用于输送燃料与空气至反应膜，发生反应产生电能[9]。三维共形电路设置于燃料罐表面与分离式反应电极构成燃料电池的正负电极，并分别接至弹性连接器。

光伏电池和燃料电池两者嵌套留下的间隙可作为燃料电池的反应区，光伏电池结构壳体上留有通腔，用于空气流通至光伏电池与燃料电池之间的间隙。

2.2 储能及能源管理模块

储能模块和能源管理模块集成于一个功能电路板上，功能电路板与三维转接座上的内侧焊盘互连，光伏电池与燃料电池的弹性连接器分别通过压接的方式与转接座上的外部焊盘互连。功能印制板安装于结构盒体内，三维转接座安装于盒体边缘，盒体上的凸台结构用于电路板上发热器件散热，密封垫用于对模块的密封，防止进水。

此外，光伏电池壳体的顶部和储能及能源管理模块盒体的顶部均采用倾斜设计，防止长期积水造成设备进水或腐蚀。光伏电池和燃料电池的外露表面涂有防水涂层，以提高装置对野外潮湿淋雨环境的适应性。

2.3 装置样机

基于上述各模块的结构设计思路，针对某小型化无人值守设备的典型供电需求，本文开展了微小型复合能源装置样机的设计加工。样机外形尺寸为122.1 mm×107.2 mm×45.6 mm（ 长 × 宽 × 高），体积为180 cm3，质量为200 g，样机实物如图4所示。

图4 微小型复合能源装置样机实物

3 仿真与试验

3.1 力学仿真分析

为验证装置结构设计的力学合理性，采用ANSYS对微小型复合能源装置开展有限元仿真，主要分析装置的固有频率及随机振动响应情况。设备刚度评判标准为最低固有频率＞150 Hz，强度评判标准为结构在经受随机振动过程中不发生破坏，其强度裕度至少大于1。

固有频率仿真分析得出，装置的第一阶固有频率为1 419.1 Hz，满足大于150 Hz的要求，刚度较好，不易变形，满足刚度要求，前6阶固有频率见表1。装置中光伏电池和燃料电池结构刚度较好，变形及模态主要出现在储能及能源管理模块的盖板上。

表1 微小型复合能源装置样机固有频率

按照《军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验》（GJB 150.16A—2009）中规定的高速卡车运输振动条件进行装置样机随机振动仿真，分析显示，在3个方向上的随机振动产生的应力都较小，垂向、横向和纵向分别为0.88 MPa、0.008 MPa、0.09 MPa，应力远小于材料的许用应力，强度满足要求。仿真最大变形和应力主要出现在刚度较小的储能及能源管理模块的盖板上。随机振动仿真应力云图见图5。

图5 装置随机振动仿真应力云图

通过以上力学仿真分析表明，微小型复合能源装置刚度和强度均能满足应用需求，力学性能优良，结构设计合理。

3.2 热学仿真分析

为验证装置结构设计的热学合理性，采用热仿真软件FloEFD对微小型复合能源装置进行热仿真，通过分析计算获得样机中关键部位的温度，以此验证样机的热学性能是否满足要求。微小型复合微能源装置的应用场景是在野外无人值守条件下长时间工作，在工作时主要的热量来源包括太阳辐射、燃料电池反应发热、功能电路板上器件发热[10]。考虑到体积质量限制以及长期可靠性，样机采用自然散热方式，主要为表面空气对流和表面向环境的辐射散热。

燃料电池发热和功能电路板上的器件发热可以直接通过体热源模拟，共计4.25 W，太阳辐射按照能量密度1 330 W/m2垂直照射带入仿真。综合考虑空气对流和表面辐射散热，仿真显示太阳能电池表面的最高温为78.3 ℃，燃料反应电极的最高温度为77.9 ℃，控制电路板上器件的最高壳温为60.1 ℃，均小于许用温度85 ℃，满足设备散热要求，热设计方案合理。发热模块温度场云图如图6所示。

图6 微小型复合能源装置发热模块温度云图

通过以上热学仿真分析表明，微小型复合能源装置中各发热器件的散热均满足要求，热设计方案合理。

3.3 功能振动试验

按照《军用装备实验室环境试验方法 第16部分：振动试验》（GJB 150.16A—2009）规定的高速卡车运输振动条件对微小型复合能源装置样机进行垂向、横向、纵向3个方向的功能振动试验，记录各方向试验前、后装置伏安特性曲线的变化情况，要求变化小于15%。

各方向试验前后伏安特性曲线变化情况如图7所示，测试情况如图8所示。试验结果显示，垂向、横向、纵向试验前后伏安特性变化率最大分别为8.6%、9.6%、9.7%，满足要求。

图7 微小型复合能源装置振动前后伏安特性曲线

图8 微小型复合能源装置测试情况

4 结 论

能源装置的微型化和高可靠是实现无人值守小型化设备广泛应用的关键环节，本文基于结构功能一体化集成思路设计的微小型复合能源装置集成度高、结构可靠，力热仿真及测试均满足要求，对于类似产品的设计具有工程借鉴意义。