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简谈新型锂电均衡管理系统结构设计

作者:2016-12-12 16:00文章来源:未知
  随着航天事业的不断发展,空间电源技术发生了巨大变化。早期的航天器多采用单一化学电源供电,比能量低,目前锂离子蓄电池组的应用使卫星电源系统在轻量化、小型化设计上得到显著提升,对锂离子蓄电池组均衡管理控制也提出了新的要求。蓄电池组均衡管理系统指蓄电池组在串联和并联的过程中,对蓄电池组中各节串联和并联的单体进行在线监测并使其容量和内阻等参数尽量保持一致的功能。如果没有均衡管理,蓄电池组某节单体的性能会迅速下降,必须有一套均衡管理系统对其运行过程中表现出的不一致性进行控制。本文结合新型锂电均衡管理系统的研制,通过结构设计攻关,在满足产品功能、性能和工作可靠性要求的前提下,尽量做到体积小、质量轻、结构质量比小,并且能够使产品通用化、模块化和系列化。
  1传统锂电均衡管理系统
  传统的锂电均衡管理系统采用多个功能模块叠加并加以盖板和连接螺杆组成的结构形式,其主要组装单元为单个功能模块,各个模块由模块框、印制板和电连接器组成,模块之间利用子母口进行限位,整个结构利用四个角上的四个长螺栓实现了整机的组装。
  该种结构形式有以下特点:
  (1)每个模块具备独立的电性能,模块的功能较为完整。
  (2)模块间利用子母口和穿杆作为各个模块之间连接的力学支撑部分,将各个模块的侧面连接起来。
  (3)这种设计的优势体现在设计、生产和测试上,因为单个模块具有机械和电路功能的独立性,可以通过模块配置的增减来实现整机电性能的灵活调整,并且单个模块的设计更改不会对整个产品带来影响;同时在生产和测试上,多个模块既可以同步并行开展工作,以减少生产和测试周期,也可以使多个模块依照组装时间的不同要求分步开展工作,具有很强的灵活性。
  2新型锂电均衡管理系统
  新型锂电均衡管理系统的结构与传统均衡管理系统有很大的区别,新型均衡管理系统结构包括单体模块1和单体模块2两个部分,与锂离子蓄电池组结构采用一体化设计。其中,单体模块1底板上置有与锂离子蓄电池组结构相互安装的安装孔,安装孔尺寸与锂离子蓄电池底座安装孔接口一致;单体模块2的四个安装耳片厚度同锂离子蓄电池组底板厚度相同,呈中心对称排列,确保单侧安装耳位于两节锂离子蓄电池中间空位处,减小系统单元对卫星舱板的占用面积,节省空间。新型自主均衡管理系统可以根据锂离子蓄电池组合情况进行扩展,满足各种卫星平台大功率锂离子蓄电池组的均衡控制需求。
  3结构设计
  单体模块1采用底板、前面板、腔体盖板和三种支架相互独立组合的薄壳结构,其电性能由两块PCB板及安装在底板上的部分器件实现。其中,功率管与电阻有各自的绝缘与定位结构,安装在结构底板上;对外接口为焊接在PCB板上的90°弯针插件,每层板的材料为FR4,厚度2mm,每层板有6个固定孔,紧固安装在支架结构后,再行安装前面板结构,最后扣装腔体盖结构。
  单体模块2包括主框架结构,前后盖板结构及两块PCB板组成。其中,对外接口为焊接在PCB板上的90°弯针插件,每层板的材料为FR4,厚度2mm,倾斜推入主框架结构后紧固安装。单体模块2与锂离子蓄电池组结构独立,安装位置贴近锂离子蓄电池组,并且底板厚度与锂离子蓄电池组结构厚度一致。
  4结构抗力学仿真分析
  利用CATIA软件对结构进行实体模型简化,导入ANSYSWORKBENCH软件进行有限元建模分析,并在给定条件下对其进行了模态分析和随机响应分析计算,为结构的整体设计提供理论依据。
  通过对结构进行抗力学分析,从模态分析和随机响应分析可以看出:
  (1)新型均衡管理系统的频率特性满足总体对星上仪器提出的设计要求,其基频大于140Hz。其中,单体模块1的基频为543.85Hz;单体模块2的基频为235.93Hz。
  (2)在动态载荷方面,由于正弦响应计算响应增益很小,因此新型均衡管理系统所受的正弦载荷不会对其产生破坏,从而影响其正常使用。
  (3)从随机响应分析可以看出,各个关键点的均方根加速度响应量级都为新型均衡管理系统所能承受,新型均衡管理系统的结构设计满足卫星星上仪器的力学性能要求,可以在星上安全可靠的使用。
  5结构热分析
  利用CATIA软件对结构进行实体模型简化,导入ANSYSWORKBENCH软件进行有限元建模分析,依据以下条件进行热分析。
  (1)边界条件:为了计算高温工况下单体模块1和单体模块2内部各个元器件的温度,将舱板设为定温边界40℃。
  (2)热耦合条件:根据元器件的安装方式计算元器件与安装板之间的热阻,将其作为元器件与安装板的热阻耦合值。
  通过分析,单体模块1和单体模块2各元器件使用合理,所有元器件在轨运行期间温度指标满足降额设计要求。
  6环境实验
  在理论分析的基础上对新型均衡管理系统进行了鉴定级力、热等环境实验验证。力学振动实验包括冲击实验、正弦随机实验、加速度实验,其它实验包括热真空实验、热循环、EMC实验等。实验结果产品均满足技术要求,证明本次采用的新型均衡管理系统一体化结构设计满足工程应用要求。
  7结论
  新型锂电均衡管理系统保证系统方案合理可行的基础上,采用单体模块1和单体模块2组合的一体化结构设计技术攻关,实现了产品小型化、轻量化、模块化及可扩展性,并且历经工程化分析和验证,可以直接面向空间工程进行应用。
 

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