新型鋰電均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐瑞芬，何明珠

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

新型鋰電均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

徐瑞芬，何明珠

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

鋰離子蓄電池組在衛(wèi)星電源系統(tǒng)上逐步廣泛應(yīng)用，使得衛(wèi)星電源系統(tǒng)不斷向輕量化、小型化發(fā)展，因此對鋰電均衡管理控制也提出了新的要求。在保證產(chǎn)品功能、性能和工作可靠性的條件下，為了進(jìn)一步降低產(chǎn)品質(zhì)量、減小產(chǎn)品體積同時(shí)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，對鋰電均衡管理系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。通過新型鋰電均衡管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不僅實(shí)現(xiàn)了體積小、質(zhì)量輕，而且具備通用化、模塊化和系列化的特點(diǎn)。

鋰離子蓄電池；均衡管理系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)

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(xué)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(jì)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(jìn)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(yùn)行過程中表現(xiàn)出的不一致性進(jìn)行控制[1]。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(jì)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(gè)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，如圖1所示，其主要組裝單元為單個(gè)功能模塊，各個(gè)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(jìn)行限位，整個(gè)結(jié)構(gòu)利用四個(gè)角上的四個(gè)長螺栓實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的組裝。

圖1 傳統(tǒng)均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該種結(jié)構(gòu)形式有以下特點(diǎn)：

(1)每個(gè)模塊具備獨(dú)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(gè)模塊之間連接的力學(xué)支撐部分，將各個(gè)模塊的側(cè)面連接起來。

(3)這種設(shè)計(jì)的優(yōu)勢體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測試上，因?yàn)閱蝹€(gè)模塊具有機(jī)械和電路功能的獨(dú)立性，可以通過模塊配置的增減來實(shí)現(xiàn)整機(jī)電性能的靈活調(diào)整，并且單個(gè)模塊的設(shè)計(jì)更改不會對整個(gè)產(chǎn)品帶來影響；同時(shí)在生產(chǎn)和測試上，多個(gè)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(gè)模塊依照組裝時(shí)間的不同要求分步開展工作，具有很強(qiáng)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(gè)部分，見圖2所示，與鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)采用一體化設(shè)計(jì)。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(gè)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(jìn)行擴(kuò)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。

圖2 新型均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單體模塊1采用底板、前面板、腔體蓋板和三種支架相互獨(dú)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(shí)現(xiàn)，如圖3所示。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2 mm，每層板有6個(gè)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)。

圖3 單體模塊1

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2 mm，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(dú)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，如圖4所示。

圖4 單體模塊2

4 結(jié)構(gòu)抗力學(xué)仿真分析

利用CATIA軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體模型簡化，導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件進(jìn)行有限元建模分析，并在給定條件下對其進(jìn)行了模態(tài)分析和隨機(jī)響應(yīng)分析[2]計(jì)算，為結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗力學(xué)分析，從模態(tài)分析和隨機(jī)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(jì)要求，其基頻大于140 Hz。其中，單體模塊1的基頻為543.85 Hz，第一階模態(tài)振型如圖5所示；單體模塊2的基頻為235.93 Hz，第一階模態(tài)振型如圖6所示。

圖5 單體模塊1第一階模態(tài)振型

圖6 單體模塊2第一階模態(tài)振型

(2)在動態(tài)載荷方面，由于正弦響應(yīng)計(jì)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(jī)響應(yīng)分析可以看出，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(jì)滿足衛(wèi)星星上儀器的力學(xué)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(jìn)行實(shí)體模型簡化，導(dǎo)入ANSYS WORKBENCH軟件進(jìn)行有限元建模分析，依據(jù)以下條件進(jìn)行熱分析。

(1)邊界條件：為了計(jì)算高溫工況下單體模塊1和單體模塊2內(nèi)部各個(gè)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(jì)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。

在高溫工況下分別計(jì)算單體模塊1和單體模塊2的主要元器件的溫度分布圖見圖7和圖8所示。

圖7 單體模塊1底板及其主要發(fā)熱元器件溫度分布

圖8 單體模塊2主要發(fā)熱元器件及其印制板溫度分布

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(yùn)行期間溫度指標(biāo)滿足降額設(shè)計(jì)要求。

6 環(huán)境實(shí)驗(yàn)

在理論分析的基礎(chǔ)上對新型均衡管理系統(tǒng)進(jìn)行了鑒定級力、熱等環(huán)境實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。力學(xué)振動實(shí)驗(yàn)包括沖擊實(shí)驗(yàn)、正弦隨機(jī)實(shí)驗(yàn)、加速度實(shí)驗(yàn)，其它實(shí)驗(yàn)包括熱真空實(shí)驗(yàn)、熱循環(huán)、EMC實(shí)驗(yàn)等。實(shí)驗(yàn)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(jì)滿足工程應(yīng)用要求(圖9)。

圖9 環(huán)境實(shí)驗(yàn)

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(jì)技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品小型化、輕量化、模塊化及可擴(kuò)展性，并且歷經(jīng)工程化分析和驗(yàn)證，可以直接面向空間工程進(jìn)行應(yīng)用。

[1]劉赫名.空間鋰離子蓄電池組均衡管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[2]D.E.紐蘭.隨機(jī)振動與譜分析概論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

New structure design of equalization management system for lithium ion battery

XU Rui-fen,HE Ming-zhu
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The lithium battery pack is gradually applied in the satellite power supply system,which makes the satellite power supply system develop to the light weight and small trend,putting forward new requirements for lithium battery equalization management system.In condition of the guarantee of product function,performance and operating reliability,the design of lithium battery equalization management system was optimized to reduce the weight and volume,also optimize the production process.The new structure design of equalization management system for lithium battery not only achieves small size and light weight,but also has the characteristics of the generalization,modularization and serialization.

lithium ion battery;equalization management system;structural design

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1580-02

2016-01-28

徐瑞芬(1984—)，女，山西省人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)楹教祀娫唇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。