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

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 научнотехнологического 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.

10. Результаты исследования по разработке байпасного устройства ЛИАБ космического назначения на основе термомеханического преобразователя с памятью формы внедрены на ОАО «Сатурн» (г. Краснодар) применительно к космическому аппарату «Глонасс-К2» с минимальным экономическим эффект 4 875 000 руб. в год, что подтверждено актом внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполненный анализ конструктивного исполнения БУ отечественного и зарубежного производства позволил сформулировать требования, предъявляемые к БУ космического аппарата: устойчивая коммутация больших токов, обеспечение неразрывности цепи, минимальное электрическое переходное сопротивления силовых контактов, возможность проверки работоспособности конкретного образца на стадии отработки и ПСИ, минимальные массогабаритные характеристики.

2. На основе анализа существующих конструкций термомеханических преобразователей показано, что наиболее рациональным силовым элементом термопривода БУ является набор тарельчатых пружин (пат. № 2 415 489, отмеченный Золотой медалью Всероссийской выставки НТТМ-2009) или двойная концентрическая пружина (пат. № 2 392 494, отмеченный золотой медалью Международного салона промышленной собственности «Архимед-2009») из материалов с эффектом памяти формы, которые позволяют впервые сделать работу БУ ЛИАБ космического назначения обратимой и обеспечивают генерацию усилий, достаточных для срабатывания БУконструкция с силовым элементом в виде двойной концентрической пружины используется одновременно в качестве нагревательного элемента, что приводит к снижению массы БУ.

3. Разработана тепловая модель ЛИАБ (математическая модель короткого замыкания ЛИА в АБ) при срабатывании БУ, предназначенного для исключения неисправного аккумулятора из силовой цепи батареи, включающая согласованные и взаимосвязанные энергобалансную модель ЛИА и тепловую модель АБв процессе моделирования установлен наиболее критичный элемент конструкции (борн ЛИА), в объеме которого происходит тепловыделение за счет токов к.з.- по соображениям локализации неисправности ЛИА (разгерметизации аккумулятора) определена максимально допустимая температура Ттах=100°С и необходимое время срабатывания БУ X < 2−3 с, силовой элемент которого изготовлен из материала с ЭПФ.

4. Полученные в результате моделирования тепловых процессов в ЛИАБ данные по допустимому времени переключения БУ и распределению температур в случае нештатной ситуации позволили определить оптимальные рабочие температуры силового элемента БУ из материала с ЭПФэкспериментальная проверка тепловыделения в штатном режиме работы ЛИАБ, позволившая оптимизировать расположение БУ каждого ЛИА в АБ, показала хорошую сходимость результатов математического моделирования с экспериментальными значениями.

5. Разработанные математические модели позволили оценить время срабатывания фиксатора с термомеханическим преобразователем на основе материала с ЭПФ и исполнительного механизма с учетом действия электродинамических усилий, вызванных прохождением токов к.з. через силовые контакты БУ.

6. Выполненный анализ теплового режима БУ показал, что температура локального перегрева, в отличие от температуры общего перегрева не зависит от геометрических размеров электрических контактовуменьшение нагрева контактов можно обеспечить как уменьшением Клер, так и увеличением размеров электрических контактов.

7. Разработанная технология изготовления контактов силовой контактной группы БУ позволяет снизить величину переходного сопротивления до значений, сопоставимых с лучшими мировыми аналогамив ходе отработки технологии сформулированы требования к точности изготовления и сборки элементов контактной группы БУ и качеству сопрягаемых поверхностей.

8. Исследованы деформационно-силовые характеристики термопреобразователя БУ из сплава Тл№ 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 БУразработана технология контроля и управления структурными (температуры фазовых превращений, коэффициент восстановления) и механическими характеристиками (рабочий ход и усилие срабатывания) термопреобразователя БУ из материала с ЭПФ.

9. Выполненные исследования влияния эксплуатационных факторов (циклического изменения температуры, гармонических и случайных вибраций, однократных и многократных ударов) и факторов космического пространства на силовые элементы термопреобразователя БУ подтвердили сохранение в нем деформаций и напряжений памяти формыанализ показателей надежности БУ с термопреобразователем из материала с ЭПФ обнаружил достаточный уровень безотказности (РБР = 0,999) и гарантированного ресурса.