автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.01, диссертация на тему:Разработка байпасного устройства аккумуляторных батарей космического назначения с термомеханическим преобразователем на основе материала с эффектом памяти формы

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

1 8 АПР 2013

Томск - 2013 г.

005057399

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 23 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 приемосдаточных 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, H.A. Махутов, A.A. Мовчан, А.И. Разов, H.H. Реснина, В.Г. Пущин, В.Е. Панин, С.Д. Прокошкин, В.Н. Хачин, М.А. Хусаинов, C.B. Шишкин и др.) и зарубежными учеными (С.М. Вейман, О. Ооцука, Э. Хорнбо-ген 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 безо-

пасности 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 20072012 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 20092010 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. A.A. 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 ЛИ-АБ 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.

Для выполнения требования возможности проведения пробных срабатываний БУ при сохранении высоких удельных массо-габаритных 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:

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

^г=(иША-ит)-1 (1)

где: \¥т - мощность тепловыделения аккумулятора при циклировании; 17ША -напряжение, соответствующее текущей температуре аккумулятора; 17ТН - термонейтральное напряжение; /- ток, протекающий через аккумулятор (имеет положительное знамение при заряде ЛИА).

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

На основе экспериментальных и теоретических исследований установлено, что такие параметры аккумулятора, как зарядное Я3 и разрядное Яр сопротивления, определяющие установившиеся значения напряжения аккумулятора, существенно зависят от температуры (рис.1).

При этом вольт-амперную характеристику аккумулятора для разных Рис. 1 Зависимость внутреннего сопротив- температур, С определенной ТОЧНО-ления аккумуляторов типа ЛИГП-25 стью, МОЖНО аппроксимировать ли-

(ОАО «Сатурн») от температуры нейной 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 ЯЛИА и теплоемкости С

ЛИА ■

7г

У

= 0,0284* * 3.9705

.У = 0.023& + 3,9209 _

I_

= 0,0168* * 3.8624 —

¿1--1—

*-3 5- —V з 0.01511 ♦ 3.8568-

ж=с л + СГ-тТП)

УУТ ^ЛИА , + г,

Ш ЛИА

(2)

где: Т - температура аккумулятора; Тт,

- температура термоплаты.

Идентификация параметров тепловой модели ЛИА проводилась методом подбора по результатам испытаний на примере опытного образца батареи 6ЛИ-25. На рис. 3 схематично представлена конструкция АБ 6ЛИ-25 с установленными термодатчиками. Для испытаний АБ помещается в зарядно-разрядный стенд с регулируемой температурой термоплаты. Тепловое сопротивление Я11ИА для каждого указанного ЛИА определялось интегрированием по последним нескольким режимным циклам «заряд - разряд» до момента отключения (достижения стабилиза-

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

ции температуры АБ). Значения Сшл и итн определялись подбором их значений при решении уравнения (1) в сравнении с экспериментальными кривыми.

-----------Критериями работоспособности БУ является время его срабатывание, при котором возникающее вследствие короткого замыкания тепловыделение в объеме ЛИА не приводит к значениям температур соседних ЛИА выше 90°С и значению температуры медного провода в районе борна выше 100°С. Ограничение по температуре провода в районе борна определено из соображений сохранения герметичности ЛИА и локализации неисправности.

При моделировании тепловых процессов в ЛИАБ приняты следующие допущения: задача распределения температуры в системе решается в двумерной области и рассматривается фрагмент АБ, состоящий из одного ряда ЛИА, в числе которых находится ЛИА с коротким замыканием (рис.4); ЛИА с КЗ является крайним и теплопередача через провод от ЛИА с к.з. осуществляется к одному соседнему аккумулятору; в соответствии с энергобалансной моделью ЛИА в расчетах используется усредненная по объему ЛИА (в каждый интервал времени) температура; блок электродов занимает весь внутренний объем ЛИА; в районе борна и БУ теплофизи-ческие характеристики элементов определяется только массогабаритными характеристиками силовых проводов.

Вашснае устройство

Рис. 3 Расположение термодатчиков на АБ 6ЛИ-25

ОСНОВ(Ы£

Рис. 4 Схема расположения ЛИА в АБ ~ а); расчетная сетка для решения уравнения теплопроводности - (б)

Результаты моделирования тепловых процессов в ЛИАБ в случае отказа одного из аккумуляторов на основе разработанной модели представлены на рис. 5. Максимальный нагрев провода в районе борна ЛИА с к.з. происходит в момент окончания работы БУ (рис. 5) при 1/;у =3 с. Поэтому оптимальным значением критерия безопасной работы БУ следует считать время срабатыва-

ния ¿^у <2—3 С. Тепловая модель ЛИА позволяет достаточно точно прогнозировать мощность тепловыделений при разных режимах эксплуатации АБ. Модель адекватна для аккумуляторов, полученных масштабированием, в конструкции которых использованы одинаковые материалы электрохимической группы.

В результате детального анализа режимов работы и конструкций аккумуляторных батарей и БУ с учетом температур хранения и эксплуатации АБ определена минимальная температура начала обратного мартенситного превращения в материале с ЭПФ термомеханического преобразователя БУ, которая составила 80°С и максимальная температура конца данного фазового перехода, примерно 120°С. На основе анализа источников информации для термопреобразователя БУ

ООО 13Ю 10« 1800 2000 22а

-Максимальная температура провода в районе борца ЛИА с КЗ (1цд= 150с)

- Максимальная температура исправного ЛИА ^ищ = 150с)

- Максимальная температура провода в районе борна ЛИА с КЗ (1^,= Зс)

Рис. 5 Температура провода в районе борна и температура исправного ЛИА

рекомендован сплав на основе Т1№, по составу, близкий к эквиатомному. Изменение интервала мартенситных превращений сплава на основе Т1№ регулировалось термомеханической обработкой.

В третьей главе предложены конструкции исполнительного механизма и силовой контактной группы БУ. Байпасное устройство (рис. 6) состоит из корпуса 1 с рабочей пружиной 2, штока 3 с подвижным контактом 4, неподвижных контактов 5, штока фиксатора 6, термомеханического преобразователя на основе термочувствительного элемента с ЭПФ 7, электрического нагревательного элемента 8.

При выходе из строя или снижении характеристик аккумулятора на электронагревательный элемент 8 соответствующего БУ подается напряжение, термомеханический преобразователь 7 нагревается. При фазовом переходе преобразователь 7 генерирует механические усилия и перемещает шток фиксатора 6 вниз, освобождая путь движению штока 3 с подвижным контактом 4 под действием рабочей пружины 2. Подвижный контакт 4, на определенный промежуток времени, замыкает нормально разомкнутые контакты К2, а затем размыкает нормально замкнутые контакты К1. При этом общая цепь соединения аккумуляторов не раз-

Рис. 6 Байпасное устройство с силовым элементом в форме тарельчатых пружин (патент № 2415489)

рывается в процессе переключения. Этот вариант БУ имеет существенное пре-

имущество перед аналогичными устройствами других производителей. Отличительная особенность конструкции заключается в том, что исполнительный механизм и фиксатор выделены в отдельные узлы, движение которых осуществляется последовательно и независимо друг от друга. Скорость перемещения исполнительного механизма и такой важный параметр как время КЗ ЛИА не зависят от времени разогрева термомеханического преобразователя и скорости перемещения фиксатора, а определяется скоростью движения штока и линейным размером установленного на нем подвижного контакта.

Расчет силового элемента БУ в форме тарельчатых пружин из сплава выполненный с использованием термомеханической диаграммы, показал, что для обеспечения необходимого перемещения штока 5 = 2,4мм достаточно двух колец (размеры: толщина тарельчатой пружины И = 0,5мм, внутренний

радиус Л, = 2 мм ^наружный радиус Яг = 8мм при коэффициенте трения /тр=0,25),

предварительно деформированных на угол ср = 13,049° (рис. 6), при этом генерируемое усилие составляет —11 Н .

Другой вариант БУ фактически является модернизацией конструкции, описанной выше. Модернизация связана, в первую очередь, с более технологичной конструкцией контактной группы, обеспечивающей наименьшее, по сравнению с другими вариантами БУ, переходное сопротивление контактов. В результате изменения конструкции разработана контактная группа, состоящая из трех неподвижных контактов с соосными отверстиями, в которых перемещается подвижный контакт (рис. 76). Подвижный контакт представляет собой втулку (цангу) с разрезами для придания свойств плоской пружины. Это обеспечивает постоянное поджатие элементов подвижного и неподвижных контактов. Кроме того, шесть разрезов с каждой стороны делят втулку на 12 параллельных проводников, каждый из которых имеет точки соприкосновения с неподвижными контактами. Такая конструкция позволяет значительно снизить переходное электрическое сопротивление контактов.

Конструкция термомеханического преобразователя на основе материала с ЭПФ для перемещения штока фиксатора БУ, в первом варианте состоит из двух тарельчатых пружин и расположенного между ними нагревательного элемента (рис. 6). Во втором варианте исполнения (рис. 7) термомеханический преобразователь представляет собой двойную концентрическую пружину 1 (рис. 76).

Рис. 7 БУ с контактной группой в виде трех неподвижных соосных контактов и подвижного контакта в виде разрезной втулки (цанги а) - подвижный контакт БУ; б) - термопреобразователь из материала с ЭПФ в виде двойной концентрической пружины (1) (патент № 2392494, решение о выдаче патента по заявке № 2011122292, опуб. 07.12.2012)

Двойная пружина необходима для того чтобы увеличить усилие, развиваемое при нагреве, и увеличить омическое сопротивление, так эта пружина одновременно является и нагревателем. Для возврата в исходное положение пружины 1 в конструкции предусмотрена линейно упругая контрпружина 2, которая развивает усилие, достаточные для сжатия остывшей пружины 1.

Задача определения реактивных усилий Р силового элемента в форме двойной концентрической пружины решена из условия, что перераспределение жесткостей между двумя связанными между собой концентрическими пружинами из материалов с ЭПФ, является нелинейной и происходит в соответствии с условными моментами инерции (рис.8). Исходными данными являются: радиус проволоки гп; радиус навивки наружной и внутренней пружин Л, и Т?2; число витков и; модуль сдвига С материала; экспериментально определяемые параметры Е и т, учитывающие особенности структуры, химического состава, термообработки и определяемые по термомеханической диаграмме деформирования. Полное перемещение силового элемента Я определяется (3)

АЛ, = 2 ■ л ■ п ■ АРт ■ R

(cos(a)) G-J„.

где Jkr =

1л т+3

(г0-2Г3и Jx=\m\r0-2T

Перемещение, мм

Рис. 8 Реактивные усилия, возникающие при срабатывании силового элемента БУ (го=0,4 мм)

"V 1 Д5п(2а)'"+1 1

—)т +-■(-—-—-—)"'] (3) 2 2

■ условные моменты инерции пружин.

При разработке БУ проведен анализ выполнения требований назначения, что предполагает моделирование процессов, происходящих во время его срабатывания, начиная с момента подачи управляющего сигнала и заканчивая остановкой штока исполнительного механизма после полного его перемещения.

В диссертации предложена модель длительности ттп перемещения штока фиксатора БУ с учетом времени нагрева термомеханического преобразователя до температур фазовых

переходов в материале с эффектом памяти формы:

At ■(с ■т

\ прумс пруж

■ т )

коптрпруж >

Р-р-

(/- ks) (FK kK s) F

(4)

где: с - удельная теплоемкость пружины с ЭПФ, штока, стакана, контрпружины; т - масса пружины с ЭПФ, штока, стакана, контрпружины; Д1 - изменение температуры; I - значение электрического тока в цепи термомеханического преобразователя; р— удельное электрическое сопротивление материала с ЭПФ; 1 - длина пружины с ЭПФ; Б - площадь сечения проводника; к - коэффи-

циент пропорциональности изменения усилия пружины с ЭПФ; кконтр - коэффициент пропорциональности изменения усилия контрпружины; б - величина перемещение штока; т - масса штока и стакана; Б - сила генерируемая пружиной с ЭПФ; Рконтр — сила развиваемая контрпружиной; Ртр - сила трения.

Моделирование выполнено для всего диапазона температур эксплуатации ЛИАБ, следовательно, и байпас -ного устройства. Результаты моделирования представлены на рис. 9.

Разработана модель длительности тим перемещения штока исполнительного механизма с подвижным контактом БУ. Эта модель учитывает электродинамические усилия (ЭДУ), которые возникают в контактной группе БУ во время прохождения по ней токов заряда или разряда ЛИАБ и токов к.з..

различных температурах АБ

г = (5)

1 - и- - 1

(Р-Ь)-[(г„-—£--агУ + 0]-(Р„„ж +2-10-7 /2[1п- , +0.25])

Е г ■ (1 + у)2 + 1)

где: I - ток через контакты, А; а, - расстояние между неподвижными контактами (при штатных токах разряда и заряда аккумулятора), мм; а2 - расстояние между неподвижными контактами (при токах к.з. аккумулятора), мм; г — радиус неподвижного контакта, мм; I - длина неподвижного контакта, мм.; т0 -сдвиговое сопротивление, кгс/мм ; 0 - упругая постоянная материала; аг - коэффициент гистерезисных потерь; Ррр - коэффициент трения между подвижным и неподвижным контактами; ц - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости, кгс/см2; Рразж - усилие разжатия подвижного контакта; (3 - коэффициент упрочнения молекулярной связи.

Токи короткого замыкания и, вызванные ими ЭДУ, увеличивают длительность перемещения подвижного контакта и длительность, при котором отключаемый аккумулятор находится в замкнутом состоянии (рис. 10). На графике наблюдаются моменты начала и окончания короткого замыкания аварийного аккумулятора, а также замедление скорости перемещения из-за воздействия на контакты БУ электродинамических усилий.

Ток управления БУ, А

Рис. 9 Зависимость времени работы фиксатора от величины тока управления при

0.1 0,1 0,5 0,7 о.я 1,1 1,1 1,5 1,7 1.» 2 1.1 10 1.6 1,8 1,9 1.1 1,1 1.5 1,7 1.9 »,1 V! 1,5 4,7 4,< Перемещение подвижного контакта, мм

Рис. 10 График движения подвижного контакта при разных токах, проходящих через силовую контактную группу

Выполненный анализ возможности сваривания силовых контактов показал, что температура локального перегрева в области стягивания токов равна для золота 37°С, а для серебра 26°С, что значительно ниже максимально допустимых значений для этих материалов. На основании проведенных исследований можно утверждать, что падение напряжения и температура на контактных площадках БУ не приводят к процессу рекристаллизации контактного материала и подтверждает отсутствие возможности сваривания их во время эксплуатации устройства.

В четвертой главе изложена технология изготовления силовых контактов БУ, позволившая снизить их переходное сопротивление. Целью отработки технологии являлось достижение стабильности размеров деталей, входящих в узел силовой контактной группы, отработка приемов совместной обработки деталей не только в процессе механической обработки, но и в процессе нанесения различных покрытий, позволяющих повысить точность деталей, как на этапе изготовления, так и на этапе сборки БУ.

В результате удалось снизить переходное сопротивление силовой контактной группы со значения 250 мкОм до стабильных значений, равных 100-130 мкОм (рис. 11).

Для изготовления силового элемента БУ использовалась проволока из сплава Ть 50,1ат.%№. Проволока изготавливалась методом ротационной ковки и горячего волочения. Температуры мартенситных превращений на различных этапах технологического процесса изготовления проволоки следующие: промежуточное сечение (5,3x5,3) мм; отжиг 800°С, 1 ч, охлаждение на воздухе от 800°С до ~ 500°С, затем охлаждение под струей воды: М3= 65(± 3)°С; = 32(± 3)°С; А5=77(±3)°С; А(- = 95(± 3) °С, проволока 0,8 мм, отжиг 800°С, 1 ч, охлаждение на воздухе от 800°С до ~ 500°С, затем охлаждение под струей воды: Мб = 58(± 3)°С; М{=34(± 3)°С; Аб = 73(± 3)°С; Аг = 88(± 3)°С.

Предложенная технология изготовления термопреобразователя из сплава ТГ№ включает закалку, отжиг, протяжку, навивку пружины в специальном приспособлении, отжиг, термофиксацию под нагрузкой в течение 12 час при Т=\30°С. Исследования показывают, что после термофиксации наблюдается изменение характеристических температур обратного мартенситного превращения в сторону низких температур (Аг снижается со 106 до 100°С) при сохранении фазового состава. При этом наблюдается увеличение эффекта восстановления формы на 3 - 4 % и достигает 92 - 93%. Указанное снижение температуры Агнаходится в пределах требований технических условий, а увеличение эффекта восстановления повышает уровень надежности БУ.

Технология изготовления термомеханического преобразователя в виде двойной концентрической пружины из сплава с ЭПФ, объединяющая техноло-

300

О 100 200 300 400 500 Ток БУ, а

Рис. 11 Сопоставление переходного сопротивления БУ с лучшими мировыми аналогами

гии изготовления классических линейно упругих пружин и особенности технологии наведения памяти формы в материалах с ЭПФ, позволили в сочетании с проведенной оптимизацией режимов термообработки добиться генерации наибольших усилий в силовом элементе БУ (рис. 12).

Для байпасных устройств, используемых в настоящее время типов ЛИА на 50А, 100А и 200А, предложен единый конструктивно-технологический принцип. Различие характеристик БУ определяется необходимым усилием срабатывания термомеханического преобразователя. Для оценки величины необходимого реактивного усилия термомеханического преобразователя БУ типового ряда ЛИАБ выполнен расчет методом последовательных догружений для двойной концентрической пружины при условии параллельной работы. Значения реактивных усилий и массогабаритные характеристики БУ типового ряда ЛИА приведены в табл. 2.

Таблица 2 - Технические характеристики байпасных устройств ЛИАБ

Анализ

Рис. 12 Зависимость реактивного усилия силового элемента БУ в виде двойной концентрической пружины из сплава 7гЛ7 от температуры отжига и времени выдержки

Типовой ряд ЛИА ЛИА 50 ЛИА 100 ЛИА 200

Рабочий диаметр силового элемента, мм 8 10 12

Наружный диаметр проволоки, мм 0,8 1,0 1.2

Количество витков силового элемента 12 16 20

Длина пружины, мм 153,4 131,0 126.4

Реактивные напряжения оэм, МПа 153,6 131 126.4

Масса байпасного устройства, г 60 70 80

Габаритные размеры, мм 57x24x22 57x26x25 65x30x28

полученных характеристик предлагаемых конструкций БУ убедительно доказывает

возможность выполнения жестких требований, предъявляемых к байпасным устройствам ЛИАБ современных космических аппаратов. Так, при увеличении номинальных значений коммутируемых токов в 4 раза, массогабаритные размеры возрастают, в среднем, не более чем в 1,3 раза.

В пятой главе описано влияние эксплуатационных факторов КА на работу байпасного устройства. К эксплуатационным факторам относятся такие факторы космического пространства (ФКП) как невесомость, вакуум, различного рода излучения и метеорные частицы. Анализ предполагаемых воздействий ФКП показал, что БУ спроектировано и установлено в АБ таким образом, что от излучения космического характера БУ защищают крышка и детали батареи. Проведенный расчет показал, что время встречи АБ с метеорной частицей, имеющей фатальный вес для разрушения БУ, составляет порядка 3,6Т09ч (112 лет).

В процессе стендовых испытаний БУ подвергалось воздействию гармонической и случайной вибрации с перегрузкой величиной 22%, одиночных и многократных ударов, имитирующих отделение ступеней ракеты-носителя (до ЗОС^) и транспортировку автомобильным транспортом. Такие испытания бай-

пасного устройства проводились на следующих стендах: вибростенд Оаагоп; ударная установка УУМ 100/150-100. Моделирование влияния внешней среды на БУ при смене солнечных и теневых участков орбиты космического аппарата обеспечивалось температурными режимами в термокамере типа КТХ-1 и КТХБ-0,16-155 X.037.0003. Установлено, что после всех тестовых испытаний БУ сохранило свои параметры и работоспособность.

Величина переходного сопротивления БУ

Г10Д-50НПЦ "Полюс"

-БУ NEA для SAFT

——Разработанное БУ

—Разработанное БУ до отработки технологии —БУ Mitsubishi Electric Corporation

— Тренд Rnep БУ NEA для SAFT

— Тренд Rnep разработанного БУ

Номинальный ток коммутируемый БУ, А

Рис. 13 Сравнительная оценка величины Я„ер зарубежных и отечественных производителей БУ

силовой контактной группы.

Выполненная сравнительная оценка теоретических и экспериментальных характеристик силовой контактной группы показали (рис. 13), что БУ в предложенном конструктивном исполнении в сочетании с отработанной технологией заметно превосходит известные образцы БУ по основному параметру — переходному сопротивлению

Время k.J. на контактах БУ и время горения дуги, с

Рис. 14 Промышленный образец байпасного Рис. 15 Изменение напряжения на шунте во устройства на коммутируемые токи 50А время короткого замыкания ЛИА (11щ=75 мкОм)

В результате проведения экспериментальных исследований разработанного байпасного устройства (рис. 14) при отключении ЛИА типа ЛИГП-50 установлено, что выполняются требования по быстродействию срабатывания и отсутствуют нежелательные последствия, связанные с искровыми и дуговыми явлениями (рис. 15). Как следует из графика (рис. 15), работа контактов происходит стабильно, без дребезга и резких изменений переходного сопротивления. Возникновение дуги связано с перенапряжениями, возникающими вследствие индуктивности силовых проводов, соединяющих отключаемый аккумулятор и байпасное устройство.

Для оценки надежности байпасного устройства в составе ЛИАБ использовались методика и расчетные формулы, рекомендованные для изделий космической техники (Надежность электрорадиоизделий: Единый справочник М: ВНИИ «Электрон-стандарт», 1992. Т. 1,3,4: Изделия электротехнические. ГОСТ Р51901.14-2007 Менеджмент риска. Структурная схема надежности и булевы

методы. Реут Е.К., Саксонов И.Н. Электрические контакты. Воениздат, 1971 г. Прытков C.B., Горбачева В.М. Борисов A.A. и др. Надежность электрорадиоиз-делий. Справочник. М.: 22 ЦНИИИ МО РФ, 2006).

Разработанная конструкция байпасного устройства и предложенные технологии изготовления его элементов позволяет обеспечить вероятность безотказной работы байпасного устройства на уровне 0,999.

Экономическая эффективность рассчитывалась без учета стоимости мероприятий по парированию повышенной массы АБ космического аппарата. Так, по сравнению с ЛИАБ, в котором вероятность производственного дефекта выше 0,001, экономический эффект составит минимум 30 млн. рублей в год. В случае, если вероятность производственного дефекта удастся свести к значениям ниже 0,001, то экономический эффект составит, примерно 5 млн. рублей в год.

В заключении изложены основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе.

В приложении приведены акты внедрения результатов исследований в промышленность и учебный процесс, копии патентов на изобретения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В результате анализа известных конструкций байпасных устройств для ЛИАБ определены основные требования к характеристикам БУ современных космических аппаратов: вероятность безотказной работы не хуже 0,999; обеспечение устойчивой коммутации тока короткого замыкания аккумулятора при условии неразрывности электрической цепи, минимальное переходное сопротивления силовых контактов, проверка работоспособности каждого промыш-ленно выпускаемого изделия на стадии изготовления и приемо-сдаточных испытаний с возможностью дальнейшей эксплуатации на космическом аппарате, минимальные массогабаритные характеристики.

2. На основе разработанной тепловой модели ЛИАБ и экспериментальных исследований на испытательном оборудовании установлено, что максимальное тепловыделение происходит в борне аккумулятора при его коротком замыкании. С учетом действия токов короткого замыкания определены предельные значения характеристик срабатывания байпасного устройства: максимально допустимая температура - 100°С и длительность срабатывания в пределах 2-3 с.

3. Разработана конструкция байпасного устройства ЛИАБ, обеспечивающая снижение массогабаритных характеристик за счет использования в качестве исполнительного механизма БУ термомеханического преобразователя из материала с эффектом памяти формы. Применение материала с ЭПФ позволило впервые обеспечить многократную проверку работоспособности байпасного устройства без снижения уровня надежности.

4. Предложена технология изготовления силовых контактов БУ, позволяющая снизить величину переходного сопротивления до значений, сопоставимых с лучшими мировыми аналогами; в процессе отработки технологии сформулированы требования к точности изготовления и сборки элементов контактной группы БУ и качеству сопрягаемых поверхностей.

5. Проведены исследования деформационно-силовых характеристик термопреобразователя БУ из сплава TiNi и разработана методика его термосиловой подготовки на определенную величину деформации памяти формы, при которой во время обратного мартенситного превращения силовой элемент генерирует напряжения, достаточные для срабатывания БУ. Предложена методология контроля и управления структурными (температуры фазовых превращений) и механическими характеристиками (рабочий ход и усилие срабатывания) термопреобразователя БУ из материала с ЭПФ. Выполненные экспериментальные исследования влияния эксплуатационных факторов (циклического изменения температуры, гармонических и случайных вибраций, однократных и многократных ударов) на силовые элементы термопреобразователя БУ подтвердили сохранение в нем деформаций и напряжений памяти формы.

6. Разработана необходимая документация для выпуска промышленных серий байпасных устройств ЛИАБ космического назначения на предприятии ОАО «Сатурн» (г. Краснодар). Результаты исследования внедрены применительно к аккумуляторным батареям космического аппарата «Глонасс-К2» с экономическим эффектом не менее 5 млн. руб. в год.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Махутов H.A., Проценко H.A. Пути обеспечения безопасности н ресурса литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения. Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, 2010. -№ 1. С. 43-54.

2. Проценко H.A., Лапшин В.Ю, Бледнова Ж.М. Расчетно-экспериментальная оценка распределения температур в случае технологических сбоев в работе литий-ионного аккумулятора (ЛИА) космического

назначения. Известия Самарского научного центра РАН, 2010. - Т.12. - № 4(3). С. 596-600.

3. Бледнова Ж.М. Лапшин В.Ю., Проценко H.A. Моделирование тепловых процессов ЛИАБ космического назначения в случае отказа одного из аккумуляторов. Труды Академэнерго, 2011. - № 4. - С.117-127.

4. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Проценко H.A. Байпасное устройство с использованием материалов с эффектом памяти формы для обеспечения работоспособности ЛИАБ космического назначения. Журнал «Полет», 2011.-№6.-С. 58-60.

5. Галкин В.В., Бледнова Ж.М., Проценко H.A. Оценка ресурса бай-пасного устройства литий-нонной аккумуляторной батареи космического назначения с силоприводом из материалов с памятью формы. Журнал «Полет», 2012. - №5. - С. 20-27.

6. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Проценко H.A. Байпасное устройство с использованием материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) для обеспечения работоспособности ЛИАБ космического назначения в случае технологических сбоев. Проблемы безопасности полетов, 2011. - № 3.- С. 64-70.

7. Галкин В.В., Лихоносов С.Д., Лапшин В.Ю., Шевченко Ю.М., Кулыга В.П., Проценко H.A. Результаты наземной отработки литий-ионной аккумуляторной батареи космического назначения //7 международная конференция

«Авиация и космонавтика-2008»: Тезисы докладов. - М.: Из-во МАИ-ПРИНТ, 2008. - С. 207.

8. Проценко H.A., Галкин В.В., Лихоносов С.Д., Шевченко Ю.М. Устройство защиты литий-ионной аккумуляторной батареи. //Тез. докладов 2-я Всероссийская конференция ученых, молодых специалистов и студентов «Информационные технологии в авиационной и космической технике - 2009», Москва, 20-24 апреля 2009г. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. - С. 35.

9. Проценко H.A., Бледнова Ж.М. Инженерно-технологические аспекты обеспечения надежности химических источников тока космического назначения. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар: Изд-во КубГТУ,- 2009.-С.82-85.

10. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Махутов H.A., Проценко H.A. Конструктивно-технологические методы обеспечения безопасности и ресурса химических источников тока космического назначения. Сб. материалов III Межд. конф. «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов "DFMN2009". М.: ИМЕТ РАН, 2009. - Т 2,- С. 171-173.

11. Бледнова ЖМ., Галкин В.В., Махутов H.A., Проценко H.A. Пути обеспечения безопасности и ресурса литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения. Тр. Конференции «Безопасность и живучесть технических систем». Красноярск, 2009. - С. 112-116.

12. Шевченко Ю.М., Галкин В.В., Проценко H.A. Повышение энергетической эффективности литий-ионных аккумуляторных батарей для систем электропитания космических аппаратов конструктивными способами при сохранении надежности. Материалы XII Международной конференции «Фундаментальные проблемы преобразования энергии в литиевых электрохимических системах». Краснодар: Кубанский гос. ун-т, 2012,- С. 55-57.

13. Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Проценко Н.А Использование материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) для обеспечения надежности литий-ионных аккумуляторных батарей космического назначения. Тез. докл. IV Российской научно-техн. конф. «Ресурс и диагностика материалов и конструкций». Екатеринбург 26-28 мая 2009. Екатеринбург. - С. 157.

14. Галкин В.В. Шевченко Ю.М., Проценко H.A. Байпасный переключатель для литий-ионной аккумуляторной батареи. Тез. докл. XVIII научно-технической конференции «Электронные и электромеханические системы и устройства» Томск, 22-23 апреля 2010. Томск - С. 25-27.

15. Проценко H.A., Бледнова Ж.М. Интеллектуальный термопривод космического назначения. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар, Изд-во КубГТУ, 2011. - С.133-140.

16. Проценко H.A., Мышевский И.С. Проектировочный расчет силового элемента байпасного устройства ЛИАБ в форме тарельчатых пружин из материала с ЭПФ. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар, Изд-во КубГТУ, 2009. - С. 74-77.

17. Procenko N.A., Blednova Zh.M., Structural-mechanical Control of Bypass Reactivity in lisb for Space Application using Alloys with Shape Memory Effect / European Symposium on Martensitic Transformations Esomat-2012, September 916, Sankt-Peterburg, Russia. P.l 12.

18. Бледнова Ж.М, Проценко Н.А., Мышевский И.С. Влияние термовременных и механических воздействий на эксплуатационные свойства силового элемента байпасного устройства ЛИАБ космического назначения из материала с ЭПФ. Сборник материалов 53 международной конференции «Актуальные проблемы прочности». 2-5 октября 2012. Витебск, Беларусь, 2012. — С. 54-57.

19. Бледнова Ж.М, Галкин В.В., Проценко Н.А. Технологическая эффективность и функциональная надежность байпасного устройства ЛИАБ с сило-приводом из материала с эффектом памяти формы в условиях космического пространства. Труды 4-й Всероссийской конференции «Безопасность и живучесть технических систем» 9-13 октября 2012. Красноярск, 2012. - С 112-116.

20. Бледнова Ж.М, Проценко Н.А., Мышевский И.С. Управление структурой и комплексом функционально-механических свойств силового элемента термопривода байпасного устройства из материала с эффектом памяти формы для работы в экстремальных условиях космического пространства. Материалы международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» 21-23 октября 2012 г. М.: ИМАШ РАН им. А.А. Благонравова, 2012. - С. 12.

21. Проценко Н.А., Авдеенко А.Б., Бледнова Ж.М. Оценка Влияние факторов космического пространства на функциональные свойства сплава с ЭПФ на основе TiNi. Машиностроение. Сб. научных статей. Краснодар, Изд-во Куб-ГТУ, 2011,-С. 127-133.

22. Protsenko N.A., Blednova Zh.M. Structural-mechanical Control of Bypass Reactivity in LISB for Space Application using Shape Memory Alloys. Materials Science Forum Vols. 738-739 (2013) pp 601-606.

23. Патент РФ № 2392494 Термомеханический силопривод / Бледнова Ж.М., Галкин В.В., Чаевский М.И., Мышевский И.С., Проценко Н.А. Опуб. 20.06.2010.

24. Патент РФ № 2415489 Байпасный переключатель / Галкин В.В., Шевченко Ю.М., Бледнова Ж.М. Проценко Н.А. Опубл. 27.03.2011.

25. Решение о выдаче патента на полезную модель по заявке № 2011122292 Байпасный переключатель для космического аппарата. Приоритет от 01.06.2011. Опубл. 07.12.2012.

Личный вклад автора. В публикации [1], [7], [10] - [12] автором выполнен анализ особенностей и тенденций развития БУ ЛИАБ. В публикациях [2], [3] автором лично выполнена экспериментальная проверка тепловой модели. В публикациях [4], [6], [8], [9], [14], и патентах [23], [24], [25] - разработана конструкция БУ, разработана технология изготовления контактов силовой контактной группы и термомеханического преобразователя из материала с ЭПФ. В публикациях [15] - [18], [20], [22] определены реактивные усилия в термомеханическом преобразователе с оценкой влияния термовременных и механических воздействий. В публикациях [5], [13], [19], [21] выполнено исследование рабочих поверхностей контактов БУ, рекомендованы мероприятия по улучшению качества их рабочей поверхности; выполнена экспериментальная проверка БУ на устойчивость к воздействию эксплуатационных факторов с оценкой вероятности безотказной работы.

Подписано к печати 27.03.2013. Формат60x84/16. Бумага «Снегурочка». Печать XEROX. Усл. печ. л. 1,22. Уч.-изд. л. 1,10.

_Заказ 289-13. Тираж 120 экз._

Национальный исследовательский Томский политехнический университет

Система менеджмента качества Издательства Томского политехнического университета сертифицирована NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту BS EN ISO 9001:2008

ИЗДАТЕЛЬСТВО W ТПУ. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30 Тел/факс: +7 (3822) 56-35-35, www.tpu.ru

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный технологический университет»

На правах рукописи

04201356395 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)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ж.М. Бледнова

N

Краснодар 2013 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................... 4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ БАЙПАСНЫХ УСТРОЙСТВ (БУ) АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ (АБ) КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ................................................................................. 12

1.1 Виды отказов аккумуляторов в АБ космических аппаратов................... 13

1.2 Обзор известных конструкций байпасных устройств для ЛИАБ.............. 15

1.3 Требования, предъявляемые к байпасному устройству литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) космического назначения................... 21

1.4 Обзор известных конструкций термопреобразователей из материалов с ЭПФ......................................................................................... 25

1.5 Выводы..................................................................................... 29

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИАБ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОГО ВРЕМЕНИ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА....................... 31

2.1 Энергобалансная модель литий-ионного аккумулятора......................... 31

2.2 Определение допустимого времени короткого замыкания литий-ионного аккумулятора на основе его тепловой модели..................................... 39

2.3 Обоснование граничных значений температуры фазовых переходов материала с эффектом памяти формы (ЭПФ)...................................... 49

2.4 Выводы..................................................................................... 53

ГЛАВА 3 КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ БАЙПАСНОГО

УСТРОЙСТВА И МОДЕЛИ ЕГО ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ............. 55

3.1 Конструкции исполнительного механизма и силовой контактной группы

байпасного устройства.................................................................. 56

3.2Конструкции термомеханических преобразователей БУ из материала с

эффектом памяти формы....................................................................... 60

3.3 Оценка времени срабатывания фиксатора с термомеханическим преобразователем на основе материала с ЭПФ.................................... 72

3.4Модель усилий исполнительного механизма байпасного устройства и оценка времени срабатывания силовых контактов............................... 78

3.5 Анализ возможности сваривания силовых контактов БУ........................ 83

3.6 Выводы..................................................................................... 87

ГЛАВА 4 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ КОНТАКТНОЙ ГРУППЫ БУ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С ОПТИМИЗАЦИЕЙ РЕЖИМОВ ТЕРМООБРАБОТКИ МАТЕРИАЛА С ЭПФ...................................... 90

4.1 Технология изготовления силовых контактов байпасного устройства..................................................................................... 90

4.2 Технология изготовления термомеханического преобразователя из материала с ЭПФ............................................................................. 103

4.3 Оптимизация режимов термообработки термомеханического преобразователя БУ.......................................................................... 107

4.4 Выводы.................................................................................... 111

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА РАБОТОСПОСОБНОСТЬ БАЙПАСНОГО УСТРОЙСТВА НА

ОСНОВЕ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ............................................ 114

5.1 Влияние факторов космического пространства на работу байпасного

устройства с термопреобразователем из материала с ЭПФ..................... 114

5.2Стендовые испытания по подтверждению работоспособности БУ в

реальных условиях эксплуатации..................................................... 124

5.3 Сравнительная оценка теоретических и экспериментальных

характеристик силовой контактной группы БУ.................................... 136

5.40ценка вероятности безотказной работы БУ и экономическая эффективность предложенных решений............................................. 143

5.5 Выводы..................................................................................... 152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................. 154

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................. 157

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................ 165

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Система электропитания бортовых систем космических аппаратов (КА) - жизненно важный элемент обеспечения их надежной работы. В настоящее время в объектах, требующих автономного электроснабжения, в частности, в бортовых источниках питания КА в нашей стране и за рубежом широко используются никель-водородные аккумуляторы, которые имеют достаточно высокие удельные характеристики и продолжительный срок службы (15 лет). Однако 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 технологий и материалов. Наиболее энергоемкими среди всех перезаряжаемых химических источников тока являются литий-ионные аккумуляторы (ЛИА). Работы по созданию новых или усовершенствованию существующих ЛИА связаны с необходимостью решения ряда научных и технологических задач.

Для обеспечения безотказной работы аккумуляторных батарей (АБ) космического аппарата (КА), необходимо предусматривать устройства, парирующие отказ ЛИА - байпасные устройства (БУ). Использование низковольтных контактов в качестве коммутаторов БУ для переключения силовых цепей АБ при локализации аварийных ЛИА является наиболее эффективным решением. Исследованиями явлений в низковольтных сильноточных контактах и условиями их 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 нет промышленно выпускаемых БУ, обеспечивающих высоконадежное отключение аварийного ЛИА в течение всего срока активного существования КА.

Основной задачей как на этапах разработки и производства БУ, так и в процессе его хранения и эксплуатации является минимизация переходного электрического сопротивления контактов. Решение этой задачи особенно важно для устройств, работающих на токах порядка 100 А и более. При переходном

4

сопротивлении контактов в 1мОм потери разрядной энергоемкости составляют 2,7 %. Эти потери приводят к тепловыделению и снижению КПД аккумуляторных батарей.

Существующие в настоящее время БУ отечественного и зарубежного производства, в том числе лидера в производстве источников питания КА французской фирмы "SAFT", имеют существенный недостаток - невозможность обратимой проверки их работоспособности на стадии изготовления и приемосдаточных испытаний (ПСИ). Эта задача может быть решена за счет использования функциональных материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). Значительный вклад в теоретические исследования материалов с ЭПФ и прикладные аспекты реализации ЭПФ в изделия различного назначения внесен российскими (М.И. Алымов, В.А. Андреев, А.Е. Волков, В.Г. Курдюмов, В.А. Лихачев, А.И. Лотков, H.A. Махутов, A.A. Мовчан, А.И. Разов, В.Г. Пушин, В.Е. Панин, С.Д. Прокошкин, В.Н. Хачин, М.А. Хусаинов, C.B. Шишкин и др.) и зарубежными учеными (С.М. Вейман, О. Ооцука, Э. Хорнбоген и др.). Таким образом, актуальными являются разработка новых конструкций БУ, исследование их характеристик для обеспечения надежности функционирования литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) космических аппаратов. Актуальность работы подтверждается тем обстоятельством, что выполнена она в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно -технологического комплекса России на 2007-2012 годы» и Федеральной космической программы России на 2006-2015 годы, предусматривающих разработку интеллектуальных датчиков, новых конструкционных и функциональных материалов, систем контроля, диагностики, аварийной защиты и повышение надежности космических комплексов. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ 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». (РНП 2.1.2/6803, 2009-2010 гг. и РНП 2.1.2/9426-2011г.).

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 тенденций развития БУ ЛИАБ космического назначения, формирование путей повышения эксплуатационных характеристик;

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

- разработка новых конструктивно-технологических решений БУ с термомеханическими преобразователями, с использованием современных материалов и технологий;

- решение задачи оценки реактивных усилий и напряжений в упругих термомеханических элементах из материалов с ЭПФ;

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

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

- 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 разработанных конструктивно-технологических решений.

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

Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается использованием современного оборудования и методов исследования, а также согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

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;

- разработана 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:

- конструкция БУ с термомеханическим преобразователем на основе материала с ЭПФ, впервые позволяющая обеспечить многократную проверку работоспособности на стадии изготовления и испытаний и необходимый уровень 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 термомеханического преобразователя, сочетающая классическую технологию изготовления пружин с технологией производства изделий из материалов с ЭПФ для обеспечения оптимальных реактивных усилий;

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

Реализация результатов работы. Разработанное байпасное устройство внедрено в производство на ОАО «Сатурн» (г Краснодар) применительно к КА «Глонасс-К2» со значительным экономическим эффектом (минимальный эффект при вероятности производственных дефектов 0,001 составляет 4,875 млн. руб.).

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. A.A. Байкова, Москва, 2009; Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» Витебск 2012; Международной конференции «Живучесть и конструкционное материаловедение» М.: ИМАШ РАН, 2012; European Symposiumon 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 печатных работах, в том числе: 7 статей в рецензируемых изданиях, 5 из которых в изданиях, 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 164 страниц, 78 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 76 наименований и 3 приложений.

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

В первой главе проведен анализ видов отказов ЛИА в АБ космических аппаратов, рассмотрены различные конструкции байпасных устройств, разработанные отечественными и зарубежными производителями, для

аккумуляторных батарей космического назначения. Сформулированы требования, предъявляемые к байпасному устройству ЛИАБ, выполнен обзор известных конструкций термопреобразователей из материалов с эффектом памяти формы и сформулированы требования, предъявляемые к БУ ЛИАБ.

Во второй главе разработана энергобалансная и тепловая модель ЛИА с целью определения допустимого времени его короткого замыкания и обоснования граничных значений температуры фазовых переходов материала с ЭПФ.

В третьей главе предложены конструкции исполнительного механизма и силовой контактной группы БУ, конструкции термомеханического преобразователя на основе материала с ЭПФ для перемещения штока фиксатора БУ. Выполнена оценка времени срабатывания фиксатора. Разработана модель усилий исполнительного механизма с силовой контактной группой БУ для оценки времени его срабатывания с целью анализа выполнения требований назначения. Проведен анализ возможности сваривания силовых контактов БУ.

Выполнен проектировочный расчет силового элемента БУ в форме тарельчатых пружин из сплава с ЭПФ с использованием термоме