Разработка байпасного устройства аккумуляторных батарей космического назначения с термомеханическим преобразователем на основе материала с эффектом памяти форм

На правах рукописи

Проценко Николай Александрович

Разработка байпасного устройства аккумуляторных батарей

космического назначения с термомеханическим

преобразователем на основе материала с эффектом памяти формы

05.09.01 – Электромеханика и электрические аппараты

05.16.09 – Материаловедение (машиностроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Томск - 2013 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Кубанский государственный технологический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Бледнова Жесфина Михайловна

Официальные оппоненты: Букреев Виктор Григорьевич, доктор

технических наук, профессор.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, кафедра электропривода и электрооборудования, профессор

Тарасов Сергей Юльевич, доктор

технических наук.

Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН, лаборатория физики упрочнения поверхности,

старший научный сотрудник

Ведущая организация: ОАО «НПЦ «Полюс», г. Томск

Защита состоится 30 апреля 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.269.11 при Национальном исследовательском Томском политехническом университете по адресу: 634050, г. Томск, ул. Усова, 7,
аудитория 217.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального
исследовательского Томского политехнического университета.

Автореферат разослан марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

Ю.Н. Дементьев

Общая характеристика работы

Актуальность. Система электропитания бортовых систем космических аппаратов (КА) – жизненно важный элемент обеспечения их надежной работы. Все возрастающие требования к удельным весовым характеристикам бортовых источников питания и увеличение срока их активного существования вызывают необходимость поиска новых путей решения этой задачи, новых материалов и технологий. Наиболее энергоемкими среди всех перезаряжаемых химических источников тока являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Для обеспечения безотказной работы аккумуляторных батарей (АБ) космического аппарата необходимо предусматривать байпасные устройства (БУ), парирующие отказ неисправного аккумулятора. Использование низковольтных контактов в качестве коммутаторов БУ для переключения силовых цепей АБ при локализации аварийных ЛИА является наиболее эффективным решением.

Исследованиями физических явлений в низковольтных сильноточных контактах, созданием технологий их изготовления и условиями работы в вакууме занимались известные ученые и конструкторы: Р. Хольм, И.С. Таев, О.Б. Брон, Б.К. Буль, В.В. Усов, И.В. Крагельский, С.Б. Айнбиндер и др. Однако до настоящего времени отсутствуют промышленно выпускаемые байпасные устройства, обеспечивающих высоконадежное отключение аварийного ЛИА в течение всего срока активного существования космического аппарата с предварительным тестированием в производственных условиях.

Важным фактором при эксплуатации БУ является влияние переходного электрического сопротивления контактов, значение которого определяется не только конструкцией и характеристиками используемых материалов, но и технологией изготовления элементов байпасного устройства с учетом тепловыделения и КПД аккумуляторных батарей.

Кроме того, существующие в настоящее время БУ отечественного и зарубежного производства имеют принципиальный недостаток - невозможность обратимой проверки работоспособности на стадии изготовления и приемо-сдаточных испытаний. Эта задача может быть решена за счет использования функциональных материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) в термомеханическом преобразователе фиксатора, разрешающего переключение силовых контактов байпасного устройства.

Значительный вклад в теоретические исследования материалов с ЭПФ и прикладные аспекты их реализации в различных изделиях внесен российскими (М.И. Алымов, В.А. Андреев, С.П. Беляев, А.Е. Волков, В.Г. Курдюмов, В.А. Лихачев, А.И. Лотков, Н.А. Махутов, А.А. Мовчан, А.И. Разов, Н.Н. Реснина, В.Г. Пушин, В.Е. Панин, С.Д. Прокошкин, В.Н. Хачин, М.А. Хусаинов, С.В. Шишкин и др.) и зарубежными учеными (С.М. Вейман, О. Ооцука, Э. Хорнбоген и др.).

Однако отсутствие оптимальной технологии изготовления силовых элементов из материалов с эффектом памяти формы служит препятствием при минимизации массогабаритных параметров термомеханического преобразователя БУ.

Таким образом, актуальными задачами являются: создание новых конструкций байпасных устройств, повышающих уровень эксплуатационной безопасности функционирования ЛИАБ космических аппаратов; пути улучшения технологии изготовления элементов БУ, обеспечивающие необходимые характеристик срабатывания силовых контактов.

Объектом исследования является байпасное устройство для коммутации электрических цепей литий-ионной аккумуляторной батареи космического аппарата.

Предметом исследования является конструкция байпасного устройства литий-ионной аккумуляторной батареи и технологии изготовления его элементов.

Цель работы состоит в улучшении характеристик байпасного устройства, гарантирующего необходимый уровень надежности литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения в процессе эксплуатации.

Задачи исследования:

- анализ особенностей и тенденция развития байпасных устройств ЛИАБ космического назначения, формулировка путей повышения эксплуатационных характеристик;

- разработка тепловой модели ЛИАБ для определения необходимого времени срабатывания БУ и максимальной допустимой температуры термомеханического преобразователя из материала с ЭПФ с экспериментальной проверкой расчетных значений;

- разработка новых конструктивно-технологических решений БУ с термомеханическими преобразователями на основе современных материалов и технологий;

- разработка математических моделей усилий исполнительного механизма и силовых контактов БУ;

- разработка технологии изготовления силовой контактной группы для снижения переходного сопротивления;

- решение задачи оценки реактивных усилий и напряжений в упругом термомеханическом элементе из материалов с ЭПФ;

- разработка технологии изготовления термомеханического преобразователя с оптимизацией режимов обработки материала с ЭПФ;

- экспериментальная проверка БУ на устойчивость к воздействию эксплуатационных факторов с оценкой вероятности безотказной работы предложенных конструктивно-технологических решений.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались: теория электрических аппаратов, технология машиностроения, физическое и математическое моделирование, электронная микроскопия и физические методы исследования. Оценка адекватности результатов теоретических исследований осуществлялась на экспериментальных стендах и опытных образцах байпасного устройства.

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается использованием современного оборудования и методов исследования, а также согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, сравнительной оценкой с результатами работ других авторов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны конструкции байпасного устройства с термомеханическим преобразователем на основе материала с эффектом памяти формы, позволяющие обеспечить многократную проверку работоспособности на стадии изготовления и испытаний при заданной вероятности безотказной работы в процессе эксплуатации устройства;

- предложены модели усилий исполнительного механизма и силовых контактов байпасного устройства, учитывающие условия возникновения искровых разрядов и дуги между подвижным и неподвижными контактами;

- оптимизированы режимы термообработки материала с эффектом памяти формы, обеспечивающие максимальное усилие при перемещении фиксатора исполнительного механизма байпасного устройства.

Практическая ценность работы:

- разработана технология изготовления силовой контактной группы байпасного устройства, позволяющая получить минимальное переходное сопротивление контактов;

- предложена технология изготовления термомеханического преобразователя байпасного устройства, сочетающая классическую технологию изготовления пружин с технологией производства изделий из материалов с эффектом памяти формы;

- разработана тепловая модель, позволяющая определить граничные значения температур фазовых превращений материала с ЭПФ для термомеханического преобразователя, учитывающая характеристики среды в КА.

Основные защищаемые положения:

- конструкции БУ с термомеханическим преобразователем на основе материала с ЭПФ, впервые позволившие обеспечить многократную проверку работоспособности на стадии изготовления и испытаний при заданном уровне вероятности безотказной работы устройства;

- модели усилий исполнительного механизма и силовых контактов БУ, учитывающие динамический характер условий возникновения искровых разрядов и дуги между подвижным и неподвижными контактами;

- тепловая модель ЛИАБ, позволяющая определить предельно допустимое время переключения БУ и граничные значения температуры фазовых переходов материала с ЭПФ, используемого в термомеханическом преобразователе байпасного устройства ЛИАБ космического назначения;

- технология изготовления силовой контактной группы БУ, позволяющая получить минимальное переходное сопротивление контактов;

- технология изготовления термомеханического преобразователя, сочетающая классическую технологию изготовления пружин с технологией производства изделий из материалов с ЭПФ для обеспечения оптимальных реактивных усилий.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технологического комплекса России на 2007-2012 годы»; Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы, (подраздел: перспективные технологии и обеспечение надежности ракетно-космической техники), предусматривающей разработку интеллектуальных датчиков, новых конструкционных и функциональных материалов, систем измерения, контроля, диагностики и аварийной защиты ракетно-космической техники, а также повышение надежности космических комплексов; при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (проекты 2.1.2/6803 2009-2010 гг. и 2.1.2/9426-2011г.) по НИР «Разработка физико-технологических основ создания высоконадежных электромеханических устройств с использованием материалов с памятью формы для обеспечения эффективной и надежной работы литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения».

Разработанное БУ внедрено в производство на ОАО «Сатурн» (г. Краснодар) и используется для локализации неисправных аккумуляторов ЛИАБ космических аппаратов «Глонасс – К2». Результаты исследований также используются в учебном процессе при подготовке студентов Кубанского государственного технологического университета по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» по курсу «Механика материалов и конструкций».

Апробация результатов диссертации. Результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: II Всероссийской конференции «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2009» М.: МАИ, 2009 г.; IV Российской научно-технической конференции «Ресурс и диагностика материалов и конструкций», Екатеринбург, 2009; III Международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» DFMN-2009, ИМЕТ им. А.А. Байкова, Москва, 2009; международной конференции «Актуальные проблемы прочности» Витебск 2012; Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» М.: ИМАШ РАН, 2012; European Symposium on Martensitic Transformations Esomat-2012; Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем», Красноярск, 2009, 2012; XVIII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства», Томск, 2010; Всероссийской научно-практической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии в машиностроении», Самара, 2010; научно-технических семинарах кафедры электропривода и электрооборудования Национального исследовательского Томского политехнического университета.

Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 25 публикациях, в том числе: 5 в научно-технических журналах, определенных перечнем ВАК, 2-х патентах РФ на изобретение и решении на выдачу патента на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 167 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня литературы и приложения, в том числе 78 рисунков, 20 таблиц, перечня литературы из 76 наименований и 3-х приложений на 3-х страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность выполняемой разработки, сформулирована цель диссертационной работы, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе выполнен анализ отказов ЛИА в АБ космического аппарата, которые парируются байпасным устройством путем создания обводной электрической цепи неисправного аккумулятора. Обзор известных конструкций промышленно выпускаемых БУ (NEA (США) для SAFT (Франция), Mitsubishi Electric (Япония), НПЦ «Полюс» (Россия)), используемых для оснащения ЛИАБ КА, отражает их существенный недостаток – невозможность проверки срабатывания каждого образца устройства на этапе приемо-сдаточных испытаний перед установкой в ЛИАБ, что повышает вероятность отказа этого узла.

Определены основные требования, предъявляемые к байпасному устройству ЛИАБ космических аппаратов: обеспечение максимальной надежности срабатывания БУ с возможностью проверки его работоспособности при минимальных массогабаритных характеристиках; контактная группа БУ должна иметь минимальное переходное сопротивление и обеспечить неразрывность электрической цепи батареи во время переключения силовых контактов
(табл. 1).

Таблица 1 - Количественная оценка требований предъявляемых к БУ космического аппарата.

Переходное сопротивление силовой контактной группы, не более, мкОм:	500
Масса, не более, г,	60
Время переключения, не более, мс	0,5
Вероятность безотказной работы, не хуже	0,999

Для выполнения требования возможности проведения пробных срабатываний БУ при сохранении высоких удельных массогабаритных характеристик предложено использовать термомеханический преобразователь из сплава с ЭПФ в конструкции фиксатора исполнительного механизма. Материалы ЭПФ обладают значительным циклическим ресурсом, что обеспечивает проведение всех наземных испытаний и гарантирует активацию БУ на орбите в составе космического аппарата.

Среди существующих силовых элементов термомеханических преобразователей наиболее рациональными для использования в конструкции БУ ЛИАБ являются пружины витые и тарельчатые из материалов с ЭПФ. В тарельчатой пружине инициирование памяти формы осуществляется плоским нагревательным элементом, установленным между несколькими пружинами, а в витых пружинах различной конструкции – пропусканием тока управления при наличии электроизоляционного слоя между витками.

Вторая глава содержит анализ тепловых режимов работы ЛИАБ в процессе эксплуатации, которые могут оказать существенное влияние на работоспособность БУ, в частности, на возможность ложного срабатывания термомеханического преобразователя. В космическом аппарате интенсивность нагрева элементов аккумуляторной батареи определяется теплоемкостями, тепловыми связями элементов и мощностью тепловыделения с учетом температуры окружающей среды. Мощность тепловыделения, в свою очередь, существенно зависит от времени короткого замыкания байпасным устройством неисправного аккумулятора.

Для оценки теплофизических параметров аккумулятора разработана энергобалансная модель ЛИА, основанная на уравнении энергетического баланса:

(1)

где: WТ - мощность тепловыделения аккумулятора при циклировании; - напряжение, соответствующее текущей температуре аккумулятора; - термонейтральное напряжение; - ток, протекающий через аккумулятор (имеет положительное значение при заряде ЛИА).

При определении мощности WТ тепловыделения аккумулятора в циклах «заряд-разряд» предполагается, что КПД в процессе заряда ЛИА принимает максимальное значение, а ток саморазряда пренебрежимо мал.

	Рис. 1 Зависимость внутреннего сопротивления аккумуляторов типа ЛИГП-25 (ОАО «Сатурн») от температуры

На основе экспериментальных и теоретических исследований установлено, что такие параметры аккумулятора, как зарядное и разрядное сопротивления, определяющие установившиеся значения напряжения аккумулятора, существенно зависят от температуры (рис.1).

При этом вольт-амперную характеристику аккумулятора для разных температур, с определенной точностью, можно аппроксимировать линейной зависимостью (рис. 2).

Изменение температуры литий-ионного аккумулятора можно рассчитать по уравнению теплового баланса, используя циклограмму тепловыделения, по формуле (1) при известных значениях теплового сопротивления и теплоемкости :

Рис. 2 Напряжения аккумуляторов типа ЛИГП-25 (ОАО «Сатурн») при степени заряженности равной 0,5