趙 勝，李 圍，李霞林

應(yīng)用研究

全海深高能量密度鋰電池組承壓電子開關(guān)技術(shù)研究

趙 勝，李 圍，李霞林

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

針對電子開關(guān)在全海深耐壓環(huán)境下工作的問題，深入研究了電子開關(guān)的結(jié)構(gòu)、原理和功能，設(shè)計(jì)了在深海壓力下工作的電子開關(guān)，并對電子開關(guān)的耐壓性能進(jìn)行了循環(huán)壓力試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電子開關(guān)在全海深壓力條件下能夠正常開通和關(guān)斷，保護(hù)電池組正常工作。

全海深 電子開關(guān) 壓力篩選

0 引言

電子開關(guān)可以分為多種類型，以應(yīng)用產(chǎn)品類型可分為通用型和專用型兩種，例如家電類產(chǎn)品。按負(fù)載電源分類可分為直流型和交流型兩種，其中直流型固態(tài)電子繼電器[1]是以功率晶體管作為開關(guān)元件的，交流型固態(tài)繼電器以可控硅作為開關(guān)元件的，分別用來接通和斷開直流或交流負(fù)載。

在深海高壓環(huán)境條件下，能夠克服復(fù)雜外部壓力，成功控制整個電池組放電回路的開通與斷開，對電子開關(guān)器件本身有很強(qiáng)的要求，通過對電子開關(guān)的結(jié)構(gòu)件以及控制電路板的改良與重復(fù)多次的模擬海洋環(huán)境壓力的耐壓試驗(yàn)的對比結(jié)果，驗(yàn)證電子開關(guān)在實(shí)際使用過程中的可靠性。本研究報(bào)告主要介紹全海深承壓電子開關(guān)的技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品組成、關(guān)鍵技術(shù)解決方法及試驗(yàn)結(jié)果等內(nèi)容。

1 承壓電子開關(guān)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電池管理系統(tǒng)中電池組主回路的通斷需要開關(guān)進(jìn)行控制，全海深壓力條件下，接觸器和IGBT[2]等電子開關(guān)不能正常工作。采用這些常用的開關(guān)必須要設(shè)計(jì)承壓殼體并配備承壓連接器，這會增加開關(guān)的體積和重量，也會大幅度的增加成本。為了解決這些問題，針對全海深工作環(huán)境，自研了一種基于MOS 管的電子開關(guān)[3]，以實(shí)現(xiàn)直流高壓電路的通斷控制。

首先在設(shè)計(jì)上對其電子開關(guān)的規(guī)格大小和性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，通過對實(shí)際應(yīng)用場景的分析，可以確定不同型號的電子開關(guān)，并且對電子開關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)和功能指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化。

其次，介紹了電子開關(guān)的原理、組成，詳細(xì)地分析電子開關(guān)在實(shí)際場景中的應(yīng)用，總結(jié)了電子開關(guān)自身的優(yōu)缺點(diǎn)。電子開關(guān)在全海深耐壓條件下，對電子開關(guān)結(jié)構(gòu)本身的耐壓性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，以及電子開關(guān)各項(xiàng)性能也進(jìn)行模擬試驗(yàn)，最后對電子開關(guān)的性能做總結(jié)。電子開關(guān)的研究方案如圖1所示。

2 承壓電子開關(guān)方案設(shè)計(jì)

2.1 電子開關(guān)原理分析

電子開關(guān)的基本工作原理是控制輸入信號依次經(jīng)過控制信號調(diào)制器與變壓器，進(jìn)入控制信號解調(diào)器，然后通過雙Mos 管開關(guān)控制輸出信號。相對于采用承壓殼體的其它開關(guān)形式，電子開關(guān)具有導(dǎo)通電阻低，開關(guān)時間短，控制電壓寬，控制電流小，體積小重量輕等諸多優(yōu)勢。電子開關(guān)的輸入電路主要為直流輸入電源，具有固定控制電壓的控制信號，輸入過程為：接通電源正極（＋），從電子開關(guān)S+端輸入，S-端輸出，接入開關(guān)K控制整個回路的通斷，閉合開關(guān)后，電流通過閉合開關(guān)至電源負(fù)極（—）。斷開開關(guān)后，整個電流回路關(guān)閉。由于電子開關(guān)的獨(dú)特的性能，在控制端與負(fù)載端的隔離，在輸入端用微小的控制信號，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載的作用。下圖2介紹了電子開關(guān)的工作原理框圖：

圖1 電子開關(guān)設(shè)計(jì)方案

2.2 電子開關(guān)組成

電子開關(guān)的結(jié)構(gòu)由外殼及底板組成，外殼的加工材料為黑灰色尼龍板，殼體正面標(biāo)記主觸點(diǎn)標(biāo)識符號，以及線圈正負(fù)端，二極管陽極和陰極相對應(yīng)位置。殼體里面部分包含控制電路板，開關(guān)電路板以及引線板，殼體和電路板共同組成完整的電子開關(guān)。兩種型號的電子開關(guān)的主要組成是為殼體結(jié)構(gòu)（外殼和底板），控制板、開關(guān)板、引線板、緩沖板，主觸點(diǎn)連接片，控制連接片等。其結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3。

圖2 電子開關(guān)的工作原理框圖

圖3 電子開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

電子開關(guān)的外形圖如圖4所示。主觸點(diǎn)連接片分別為IN電源端和OUT負(fù)載端，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中接入主回路影響回路的通斷，線圈正端S+和線圈負(fù)端S-接入控制電源，控制電源斷開，電子開關(guān)常閉狀態(tài)，當(dāng)控制電源開通時，電子開關(guān)常開。二極管陽極DA和二極管陰極DK控制電流的導(dǎo)通方向，可通反向電流。150V150A型和50V150A型電子開關(guān)內(nèi)部為開關(guān)板，控制板和引線板。其中開關(guān)板為雙面板，板厚2 mm，銅層2OZ，控制板為四層板，板厚1.6 mm，銅層1OZ，引線板為雙面板，板厚1.6 mm，銅層1OZ。元器件的焊接按照PCB圖元器件清單的要求正確焊接，無錯裝、漏裝，元器件排列應(yīng)整齊、美觀。

2.3 電子開關(guān)的功能

電子開關(guān)的設(shè)計(jì)方案與常用的繼電器有所不同，常用的固態(tài)繼電器一般只能用于交流工況，或者低壓（一般不高于DC24V）直流工況，最重要的原因是不能耐受直流容性負(fù)載開通時的浪涌電流，或感性負(fù)載關(guān)斷是的浪涌電壓。在本系列電子開關(guān)中，基于場效應(yīng)管的設(shè)計(jì)，能夠附加完善的抗開通浪涌電流和關(guān)斷浪涌電壓電路，可以直接用于直流高壓大電流開關(guān)的環(huán)境條件中。

從整體上看，電子開關(guān)有一個控制信號輸入端和一個開關(guān)輸出接口端，工作時只要在控制信號輸入端加上一定的控制信號，經(jīng)過控制信號調(diào)解和變壓器就可以控制C、D端之間的開通與斷開，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的功能，其中耦合電路為A、B端輸入的控制信號提供一個輸入/輸出端之間的通道，但又在電氣上斷開電子開關(guān)中輸入端和輸出端之間的聯(lián)系，防止輸出端對輸入端的影響。觸發(fā)電路的功能是產(chǎn)生合乎要求的觸發(fā)信號，驅(qū)動開關(guān)電路工作，但由于開關(guān)電路在不加特殊控制電路時，將產(chǎn)生射頻干擾，所以設(shè)置控制電路，當(dāng)加入控制信號后，電子開關(guān)線圈兩端電壓為輸入正常值時，電子開關(guān)為開通狀態(tài)，當(dāng)斷開控制信號后，電子開關(guān)線圈兩端電壓為零時，電子開關(guān)為斷開狀態(tài)。吸收電路是為防止從電源中傳來的尖峰、浪涌對開關(guān)器件的沖擊和干擾而設(shè)計(jì)的，一般是用RC串聯(lián)吸收電路或非線性電阻。檢測電子開關(guān)是正常工作基本測試的回路圖如下圖4所示。

圖4 電子開關(guān)試驗(yàn)電路圖

圖4中電源為200 V/200 A可調(diào)穩(wěn)壓電源，A1為200 A電流傳感器，S1為待測電子開關(guān)，R1為0.2歐-2歐/200A的可調(diào)電阻。另需數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表及信號發(fā)生器作為配合試驗(yàn)所用儀器。電源通電后，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻的阻值控制電流傳感器的大小，從而檢測電子開關(guān)的工作性能。

在電池組充放電過程中，在充放電回路中增加電子開關(guān)，不僅可以保證充放電過程的穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以防止充放電過程中發(fā)生意外的情況，比如電池過充電或過放電，電池組溫度過高，充電電流過大等等，通過控制系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控，可以做到一旦有上述情況發(fā)生，電子開關(guān)可以立即斷開充放電回路，有效防止危險(xiǎn)情況的發(fā)生，是電池管理系統(tǒng)中不可缺少的控制手段之一。圖5中簡單描述了電子開關(guān)在電池組控制過程中的流程圖。

圖5 電子開關(guān)在控制系統(tǒng)的流程圖

上位機(jī)向電池管理系統(tǒng)發(fā)送請求指令，電池管理系統(tǒng)將采集到的電池組電壓、溫度、電流等信息返回給上位機(jī)顯示，電池管理系統(tǒng)監(jiān)控電池組各個數(shù)據(jù)的反饋情況，如發(fā)現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)，信息會以報(bào)警的形式顯示在上位機(jī)上，如果達(dá)到充放電機(jī)設(shè)置的的參數(shù)保護(hù)值，充放電機(jī)會自動停止充放電，如果達(dá)到電池組數(shù)據(jù)的保護(hù)值，電子開關(guān)將自動響應(yīng)，斷開充放電回路，使電池組回到正常的靜置狀態(tài)，并觀察電池組數(shù)據(jù)有無異常。

2.3.1電子開關(guān)的功能測試

電子開關(guān)的適用環(huán)境很多樣，可以在自然條件下，也可以在海洋水下壓力環(huán)境使用，具有很強(qiáng)的抗壓和抗干擾能力，除了有很強(qiáng)的耐壓性，電子開關(guān)同時具有對電池組充放電過程中出現(xiàn)的過壓欠壓保護(hù)，過流保護(hù)以及過溫保護(hù)。全海深11 000 m壓力條件對于電子元器件是一個非常嚴(yán)格的要求，不是所有的電子元器件都適合，在進(jìn)行電池管理系統(tǒng)應(yīng)用之前對已有的電子開關(guān)在全海深壓力條件下進(jìn)行循環(huán)壓力試驗(yàn)。對電子開關(guān)進(jìn)行通電試驗(yàn)，檢測電子開關(guān)能不能正常工作。換掉電子開關(guān)上被全海深壓力壓壞的元件，重新通電試驗(yàn)，檢測電子開關(guān)是否正常。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，大部分表面貼片的電子元器件在全海深壓力條件下能正常工作，只有很少部分電子元器件不能滿足要求。另外，也有部分元器件在深海壓力條件下會產(chǎn)生變化，如電阻的值在全海深壓力條件會發(fā)生偏差，霍爾電流傳感器在壓力條件壓也會發(fā)生漂移。因此，在電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前要對所需的電子開關(guān)進(jìn)行循環(huán)壓力試驗(yàn)，選出滿足要求的器件。

受試150 V/ 150 A電子開關(guān)選用的為滿足條件的耐壓電子元器件，經(jīng)過入所復(fù)驗(yàn)合格產(chǎn)品。

待測電子開關(guān)置于壓力罐中反復(fù)加壓。5V電源和電阻，電子開關(guān)，二極管組成連續(xù)電流回路，為待測開關(guān)提供150 A連續(xù)電流負(fù)荷。

150 V電源和電阻，電容組成儲能電源，與電阻及電子開關(guān)一起組成高壓大電流脈沖工作回路，為待測開關(guān)提供150 V/150 A短時開關(guān)負(fù)荷。

該工作時序由控制板自動控制實(shí)施，試驗(yàn)使用的儀器儀表如表1所示。

具體試驗(yàn)步驟如下所示：

1）將開關(guān)置于壓力灌內(nèi)；

2）控制板上電，5 V電源上電，150 V電源上電；

3）示波器和萬用表監(jiān)控電流；

4）加壓過程如下：

a) 初始壓力0MPa；

b) 按2 MPa/min加壓速度加壓至115 MPa；

c) 115 MPa壓力保壓1h；

d) 按2 MPa/min加壓速度加壓至127 MPa

e) 127 MPa壓力保壓5 min；

f) 按2 MPa/min泄壓速度泄壓至0 MPa；

g) 重復(fù)a）至f）步驟，循環(huán)20次。

5）間隔15分鐘記錄A1、A3電流。

表1 儀器儀表及輔助設(shè)備表

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

經(jīng)試驗(yàn)，電子開關(guān)全負(fù)荷循環(huán)加壓驗(yàn)證后試驗(yàn)結(jié)果正常。經(jīng)過115 MPa循環(huán)打壓試驗(yàn)，電子開關(guān)具有很好的耐壓性，完全滿足全海深工作環(huán)境的耐壓要求。試驗(yàn)結(jié)果以圖表形式顯示如圖9所示。

圖 6 電子開關(guān)循環(huán)加壓試驗(yàn)結(jié)果圖

3 結(jié)論

本文對電子開關(guān)結(jié)構(gòu)組成，技術(shù)指標(biāo)和功能，優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析，以及在實(shí)際項(xiàng)目過程中的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證電子開關(guān)的功能的可行性，試驗(yàn)結(jié)果也充分證明了電子開關(guān)技術(shù)方案的可操作性和實(shí)用性，對在深海高壓環(huán)境下的電子開關(guān)的應(yīng)用具有很大參考價(jià)值。

[1] 張睿. 高固態(tài)電子開關(guān)的研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2017.

[2] 孫長榮.無觸點(diǎn)防爆電子開關(guān)[J]. 電氣防爆,2018（2）: 45-46.

[3] 王昌鵬,劉建紅,李晨源.一種星用固態(tài)電子開關(guān)電路的設(shè)計(jì)[J]. 空間電子技術(shù)，2017,14（3）: 6-8.

Research on voltage-bearing electronic switch technology of high energy density lithium battery

Zhao Sheng, Li Wei, Li Xialin

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0129-04

2022-03-21

趙勝（1988），男，工程師，計(jì)算機(jī)。E-mail：550736090@qq.com