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簡談新型鋰電均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計論文
隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，空間電源技術(shù)發(fā)生了巨大變化。早期的航天器多采用單一化學電源供電，比能量低，目前鋰離子蓄電池組的應(yīng)用使衛(wèi)星電源系統(tǒng)在輕量化、小型化設(shè)計上得到顯著提升，對鋰離子蓄電池組均衡管理控制也提出了新的要求。蓄電池組均衡管理系統(tǒng)指蓄電池組在串聯(lián)和并聯(lián)的過程中，對蓄電池組中各節(jié)串聯(lián)和并聯(lián)的單體進行在線監(jiān)測并使其容量和內(nèi)阻等參數(shù)盡量保持一致的功能。如果沒有均衡管理，蓄電池組某節(jié)單體的性能會迅速下降，必須有一套均衡管理系統(tǒng)對其運行過程中表現(xiàn)出的不一致性進行控制。本文結(jié)合新型鋰電均衡管理系統(tǒng)的研制，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計攻關(guān)，在滿足產(chǎn)品功能、性能和工作可靠性要求的前提下，盡量做到體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)質(zhì)量比小，并且能夠使產(chǎn)品通用化、模塊化和系列化。
1傳統(tǒng)鋰電均衡管理系統(tǒng)
傳統(tǒng)的鋰電均衡管理系統(tǒng)采用多個功能模塊疊加并加以蓋板和連接螺桿組成的結(jié)構(gòu)形式，其主要組裝單元為單個功能模塊，各個模塊由模塊框、印制板和電連接器組成，模塊之間利用子母口進行限位，整個結(jié)構(gòu)利用四個角上的四個長螺栓實現(xiàn)了整機的組裝。
該種結(jié)構(gòu)形式有以下特點：
(1)每個模塊具備獨立的電性能，模塊的功能較為完整。
(2)模塊間利用子母口和穿桿作為各個模塊之間連接的力學支撐部分，將各個模塊的側(cè)面連接起來。
(3)這種設(shè)計的優(yōu)勢體現(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)和測試上，因為單個模塊具有機械和電路功能的獨立性，可以通過模塊配置的增減來實現(xiàn)整機電性能的靈活調(diào)整，并且單個模塊的設(shè)計更改不會對整個產(chǎn)品帶來影響;同時在生產(chǎn)和測試上，多個模塊既可以同步并行開展工作，以減少生產(chǎn)和測試周期，也可以使多個模塊依照組裝時間的不同要求分步開展工作，具有很強的靈活性。
2新型鋰電均衡管理系統(tǒng)
新型鋰電均衡管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)均衡管理系統(tǒng)有很大的區(qū)別，新型均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括單體模塊1和單體模塊2兩個部分，與鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計。其中，單體模塊1底板上置有與鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)相互安裝的安裝孔，安裝孔尺寸與鋰離子蓄電池底座安裝孔接口一致;單體模塊2的四個安裝耳片厚度同鋰離子蓄電池組底板厚度相同，呈中心對稱排列，確保單側(cè)安裝耳位于兩節(jié)鋰離子蓄電池中間空位處，減小系統(tǒng)單元對衛(wèi)星艙板的占用面積，節(jié)省空間。新型自主均衡管理系統(tǒng)可以根據(jù)鋰離子蓄電池組合情況進行擴展，滿足各種衛(wèi)星平臺大功率鋰離子蓄電池組的均衡控制需求。
3結(jié)構(gòu)設(shè)計
單體模塊1采用底板、前面板、腔體蓋板和三種支架相互獨立組合的薄殼結(jié)構(gòu)，其電性能由兩塊PCB板及安裝在底板上的部分器件實現(xiàn)。其中，功率管與電阻有各自的絕緣與定位結(jié)構(gòu)，安裝在結(jié)構(gòu)底板上;對外接口為焊接在PCB板上的90°彎針插件，每層板的材料為FR4，厚度2mm，每層板有6個固定孔，緊固安裝在支架結(jié)構(gòu)后，再行安裝前面板結(jié)構(gòu)，最后扣裝腔體蓋結(jié)構(gòu)。
單體模塊2包括主框架結(jié)構(gòu)，前后蓋板結(jié)構(gòu)及兩塊PCB板組成。其中，對外接口為焊接在PCB板上的90°彎針插件，每層板的材料為FR4，厚度2mm，傾斜推入主框架結(jié)構(gòu)后緊固安裝。單體模塊2與鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)獨立，安裝位置貼近鋰離子蓄電池組，并且底板厚度與鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)厚度一致。
4結(jié)構(gòu)抗力學仿真分析
利用CATIA軟件對結(jié)構(gòu)進行實體模型簡化，導入ANSYSWORKBENCH軟件進行有限元建模分析，并在給定條件下對其進行了模態(tài)分析和隨機響應(yīng)分析計算，為結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計提供理論依據(jù)。
通過對結(jié)構(gòu)進行抗力學分析，從模態(tài)分析和隨機響應(yīng)分析可以看出：
(1)新型均衡管理系統(tǒng)的頻率特性滿足總體對星上儀器提出的設(shè)計要求，其基頻大于140Hz。其中，單體模塊1的基頻為543.85Hz;單體模塊2的基頻為235.93Hz。
(2)在動態(tài)載荷方面，由于正弦響應(yīng)計算響應(yīng)增益很小，因此新型均衡管理系統(tǒng)所受的正弦載荷不會對其產(chǎn)生破壞，從而影響其正常使用。
(3)從隨機響應(yīng)分析可以看出，各個關(guān)鍵點的均方根加速度響應(yīng)量級都為新型均衡管理系統(tǒng)所能承受，新型均衡管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足衛(wèi)星星上儀器的力學性能要求，可以在星上安全可靠的使用。
5結(jié)構(gòu)熱分析
利用CATIA軟件對結(jié)構(gòu)進行實體模型簡化，導入ANSYSWORKBENCH軟件進行有限元建模分析，依據(jù)以下條件進行熱分析。
(1)邊界條件：為了計算高溫工況下單體模塊1和單體模塊2內(nèi)部各個元器件的溫度，將艙板設(shè)為定溫邊界40℃。
(2)熱耦合條件：根據(jù)元器件的安裝方式計算元器件與安裝板之間的熱阻，將其作為元器件與安裝板的熱阻耦合值。
通過分析，單體模塊1和單體模塊2各元器件使用合理，所有元器件在軌運行期間溫度指標滿足降額設(shè)計要求。
6環(huán)境實驗
在理論分析的基礎(chǔ)上對新型均衡管理系統(tǒng)進行了鑒定級力、熱等環(huán)境實驗驗證。力學振動實驗包括沖擊實驗、正弦隨機實驗、加速度實驗，其它實驗包括熱真空實驗、熱循環(huán)、EMC實驗等。實驗結(jié)果產(chǎn)品均滿足技術(shù)要求，證明本次采用的新型均衡管理系統(tǒng)一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足工程應(yīng)用要求。
7結(jié)論
新型鋰電均衡管理系統(tǒng)保證系統(tǒng)方案合理可行的基礎(chǔ)上，采用單體模塊1和單體模塊2組合的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)攻關(guān)，實現(xiàn)了產(chǎn)品小型化、輕量化、模塊化及可擴展性，并且歷經(jīng)工程化分析和驗證，可以直接面向空間工程進行應(yīng)用。
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