周建泉，李彩林，陳禮文，林軍

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林，541002；2.桂林航天電子有限公司，廣西桂林，541002）

0 引言

旁路開關(guān)是衛(wèi)星鋰離子蓄電池配套器件，連接在各單體電池之間，在各單體電池特性均正常時(shí)電池回路電流流經(jīng)旁路開關(guān)常閉點(diǎn)，在個(gè)別單體電池特性嚴(yán)重劣化后旁路開關(guān)觸發(fā)旁路該單體電池，觸發(fā)后旁路開關(guān)常開點(diǎn)接通、常閉點(diǎn)斷開，電池回路電流流經(jīng)其常開點(diǎn)[1]。分析其工作過程，旁路開關(guān)在未收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)應(yīng)可靠保持在未觸發(fā)狀態(tài)，在收到觸發(fā)信號(hào)后應(yīng)可靠觸發(fā)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池單體或并聯(lián)單元的故障切除和保護(hù)，保證整個(gè)電池組的正常工作。旁路開關(guān)為一次性使用的純機(jī)械式產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)具有“命懸一線”的特點(diǎn)，其可靠性將影響電池組的可靠性。

成慧[2]對(duì)旁路開關(guān)的工作原理與關(guān)鍵性能參數(shù)試驗(yàn)方法進(jìn)行了介紹，并提出了旁路開關(guān)后續(xù)的研究重點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)化工作方向。王琳，楊進(jìn)，楊淼[3]等對(duì)旁路開關(guān)的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)抗干擾特性、動(dòng)作可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果均滿足指標(biāo)要求，但由于旁路開關(guān)為一次性使用產(chǎn)品，他們只進(jìn)行了1個(gè)樣品的動(dòng)作可靠性測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)較少。趙雯雯，趙晶，劉振照等對(duì)旁路開關(guān)接觸系統(tǒng)插入力進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，通過借助Ansys Workbench仿真平臺(tái)，得出了彈簧觸指位移載荷與插入力的關(guān)系曲線，以及不同彈簧斜槽寬度下彈簧位移載荷與插入力的關(guān)系曲線，通過匹配，可獲得最優(yōu)的插拔力，以此設(shè)計(jì)出具有足夠裕度的壓簧，從而提高旁路開關(guān)的動(dòng)作可靠性。

綜上所述，所研究的內(nèi)容并未給出旁路開關(guān)的可靠度，本文從工程實(shí)際出發(fā)，依據(jù)GJB/Z299C，結(jié)合旁路開關(guān)本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作狀態(tài)環(huán)境、質(zhì)量等級(jí)、額定負(fù)載及動(dòng)作頻次對(duì)旁路開關(guān)的可靠度進(jìn)行預(yù)計(jì)，以計(jì)算出旁路開關(guān)的可靠性值。

1 旁路開關(guān)概況

旁路開關(guān)由接觸系統(tǒng)及釋放裝置組成，如圖1所示。接觸系統(tǒng)主要包括三個(gè)插孔（T1、T2和T3）、插針、推桿、壓簧等。插孔和插針實(shí)現(xiàn)電路連接，壓簧提供電路切換的推力。插針與推桿連接在一起，在壓簧的推力作用下，實(shí)現(xiàn)旁路開關(guān)由插孔T1、T2接通切換為T1、T3接通。釋放裝置主要包括滑塊、鋼帶、熔斷絲、引出桿等。釋放前，熔絲穿過鋼帶點(diǎn)焊在引出桿T4、T5上，鋼帶將滑塊約束，從而阻止推移動(dòng)；釋放后，熔斷絲熔斷，滑塊解除約束，旁路開關(guān)動(dòng)作。

圖1 旁路開關(guān)接結(jié)構(gòu)示意圖

2 可靠性分析

通過可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)來完成產(chǎn)品的可靠性預(yù)計(jì)至今仍是主要方法之一。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)實(shí)際中，使用最為廣泛的仍屬于GJB/Z299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，該標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)我國(guó)國(guó)情，基本按照MIL-HDBK-217F來編寫，包含兩種可靠性預(yù)計(jì)方法:元器件應(yīng)力分析法和元件計(jì)數(shù)法。其中，元器件應(yīng)力分析法是根據(jù)選用元器件的品種、質(zhì)量等級(jí)、工作應(yīng)力及環(huán)境應(yīng)力等因素，由 GJB/Z 299 得到各元器件失效率數(shù)據(jù)，再按產(chǎn)品中元器件數(shù)量將這些失效率相加，即可得出產(chǎn)品的失效率。旁路開關(guān)在結(jié)構(gòu)上是接觸系統(tǒng)、釋放裝置的組合體，接觸系統(tǒng)完成開關(guān)觸點(diǎn)通斷，釋放裝置用于開關(guān)的觸發(fā)，二者構(gòu)成開關(guān)本體，為獨(dú)立單元結(jié)構(gòu)，開關(guān)本體的可靠度即為旁路開關(guān)的可靠度。

3 失效率預(yù)計(jì)

根據(jù)GJB/Z299C-2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》，開關(guān)本體的工作失效率為：

在GJB/Z299C中，開關(guān)本體驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方式共有四種，分別為“按鈕式”、“撥動(dòng)式”、“旋轉(zhuǎn)式”、“微動(dòng)式”。旁路開關(guān)本體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不屬于“旋轉(zhuǎn)式”和“微動(dòng)式”，就其結(jié)構(gòu)而言比較接近于按鈕式，只是手工按壓在這里是彈簧驅(qū)動(dòng)按壓。按鈕式開關(guān)其基本失效率λb1=0.001 (10-6/h)。

旁路開關(guān)有源觸點(diǎn)數(shù)為2，開關(guān)本體有源接點(diǎn)的基本失效率為：λb2=0.06(10-6/h)。

環(huán)境系數(shù)πE：地面環(huán)境(代號(hào)GB)為1；發(fā)射環(huán)境(代號(hào)ML)為40；轉(zhuǎn)移軌道環(huán)境(代號(hào)SF1)為4；宇宙飛行環(huán)境(代號(hào)SF2)為 1。

質(zhì)量系數(shù)：旁路開關(guān)質(zhì)量等級(jí)為B1級(jí)時(shí)πQ=0.6，質(zhì)量等級(jí)為A級(jí)時(shí)πQ=0.3。

旁路開關(guān)本體觸點(diǎn)負(fù)載性質(zhì)為阻性負(fù)載，在地面測(cè)試周期、發(fā)射、轉(zhuǎn)移軌道、在軌測(cè)試及同步軌道地影期最大工作負(fù)載電流150A，額定電流為220A，此時(shí)工作負(fù)載電流/額定負(fù)載電流S=0.7，此時(shí)觸點(diǎn)負(fù)載系數(shù)πL=2.15；在地面儲(chǔ)存期及同步軌道非地影期，旁路開關(guān)工作電流為零或很小，此時(shí)負(fù)載系數(shù)πL=1。

旁路開關(guān)每天動(dòng)作次數(shù)少于1次，則開關(guān)速率系數(shù)：πCYC=0.1。

根據(jù)公式（1）帶入相應(yīng)參數(shù)計(jì)算得不同貯存及工作狀態(tài)下開關(guān)本體工作失效率，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 開關(guān)本體工作失效率

4 可靠度預(yù)計(jì)

按照前述的可靠性數(shù)學(xué)模型可知，旁路開關(guān)總的工作可靠度為：

式中R1為開關(guān)本體的工作可靠度，其失效規(guī)律服從于指數(shù)分布，可靠度Ps為：

根據(jù)旁路開關(guān)在不同貯存環(huán)境及工作狀態(tài)，將表1中的工作失效率代入Ps式，計(jì)算得出開關(guān)在不同貯存環(huán)境及工作狀態(tài)下總工作可靠度，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 旁路開關(guān)工作可靠度

5 可靠性評(píng)估試驗(yàn)

為驗(yàn)證旁路開關(guān)的可靠度，根據(jù)其技術(shù)要求，對(duì)旁路開關(guān)進(jìn)行電應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和溫度應(yīng)力極限評(píng)估試驗(yàn)。其中電應(yīng)力極限試驗(yàn)包含連續(xù)通電、介質(zhì)耐電壓、過負(fù)載試驗(yàn)；機(jī)械應(yīng)力極限試驗(yàn)包含正弦振動(dòng)、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊譜、穩(wěn)態(tài)加速度試驗(yàn)；溫度應(yīng)力極限試驗(yàn)為溫度沖擊試驗(yàn)，每項(xiàng)試驗(yàn)樣品數(shù)量為2，具體試驗(yàn)要求如下。

連續(xù)通電試驗(yàn)在85 ±5 ℃，室內(nèi)氣壓下進(jìn)行，閉合觸點(diǎn)間通額定220A電流，通電時(shí)間共 200h。通電過程中每 10h記錄一次接觸電壓降、 引出端和外殼表面溫升。完成后電流繼續(xù)按25A步進(jìn)值步進(jìn)至320A進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果：接觸電壓降、引出端和外殼表面溫升均符合旁路開關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

介質(zhì)耐電壓初始電壓為 500Vr.m.s.， 50Hz，最大漏電流 1mA；加壓持續(xù)時(shí)間5s。

之后分別施加試驗(yàn)電壓 600Vr.m.s.、700Vr.m.s.……、2000Vr.m.s (步進(jìn)值 100Vr.m.s.)。試驗(yàn)結(jié)果：旁路開關(guān)未擊穿，具有良好的耐受過電位的能力。

過負(fù)載試驗(yàn)給旁路開關(guān)觸點(diǎn)施加脈沖電流 600A，持續(xù)時(shí)間 250ms，1 次/min，施加10次試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)試接觸電阻。之后按400A步進(jìn)值遞增至1400A。試驗(yàn)結(jié)果：觸點(diǎn)接觸電阻均符合要求，旁路開關(guān)具有良好的抗浪涌電流負(fù)載的能力。

正弦振動(dòng)試驗(yàn)頻率范圍為 10～2000Hz，20min/向，加速度初始值為20g，按10g步進(jìn)值步進(jìn)至40g，每次試驗(yàn)后測(cè)試電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電參數(shù)均符合要求，旁路開關(guān)具有良好的抗正弦振動(dòng)能力。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)初始加速度譜密度為0.2g2/Hz，按0.1g2/Hz步進(jìn)值步進(jìn)至至0.8g2/Hz，15min/向，每次試驗(yàn)后測(cè)試電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電參數(shù)均符合要求，旁路開關(guān)具有良好的抗隨機(jī)振動(dòng)能力。

沖擊譜試驗(yàn)加速度值按設(shè)備極限值2000g進(jìn)行，頻率為100～5000Hz，每次試驗(yàn)后測(cè)試電參數(shù)及觀察結(jié)構(gòu)損壞情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電參數(shù)均符合要求，結(jié)構(gòu)未損壞，旁路開關(guān)具有良好的抗沖擊譜能力。

穩(wěn)態(tài)加速度試驗(yàn)初始加速度值為50g，按25g步進(jìn)值步進(jìn)至150g，每次試驗(yàn)后測(cè)試電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電參數(shù)均符合要求，旁路開關(guān)具有良好的抗穩(wěn)態(tài)加速度能力。

溫度沖擊試驗(yàn)在-55℃～+85℃條件下進(jìn)行，初始循環(huán)次數(shù)為50次，按25次步進(jìn)值步進(jìn)至200次，每次試驗(yàn)后測(cè)試電參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：電參數(shù)均符合要求，旁路開關(guān)具有良好的抗溫度沖擊能力。通過極限評(píng)估試驗(yàn)，結(jié)果表明旁路開關(guān)具有很高的可靠度。

6 結(jié)論

旁路開關(guān)可靠度指標(biāo)接收值為0.9993，從計(jì)算結(jié)果可知，質(zhì)量等級(jí)為B1級(jí)旁路開關(guān)在各獨(dú)立工作剖面，包括同步軌道15年可靠度均滿足大于0.9993，當(dāng)產(chǎn)品列入國(guó)家軍用電子元器件合格目錄（QPL），質(zhì)量等級(jí)達(dá)到A級(jí)后，其可靠度預(yù)計(jì)值可得到進(jìn)一步改善和提高。