羊 慧，陳顯才

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著信息技術(shù)及微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）的飛速發(fā)展，以無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為代表的無(wú)人值守小型化設(shè)備在軍事、救災(zāi)、環(huán)境等方面廣泛應(yīng)用[1,2]。這些無(wú)人值守小型化設(shè)備大多放置在野外環(huán)境，部分設(shè)備對(duì)隱蔽性具有較高要求，因此設(shè)備需要盡可能地提高集成密度，降低體積質(zhì)量，而供能單元通常在整個(gè)系統(tǒng)中的體積占比最大，因此要實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的小型化，首先要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)中供能單元的微小型化。另外，對(duì)于工作在野外環(huán)境中的無(wú)人值守小型化設(shè)備而言，通常需要做到能在數(shù)月的工作周期內(nèi)持續(xù)、穩(wěn)定、高可靠的自主供能，因此在有限體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)多方式復(fù)合供能具有重要意義[3,4]。

針對(duì)上述需求，本文基于結(jié)構(gòu)功能一體化集成思路提出了一種太陽(yáng)能及燃料供能相結(jié)合的微小型復(fù)合能源裝置，并對(duì)其一體化集成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索，其集成思路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 系統(tǒng)集成

1.1 問(wèn)題提出

要實(shí)現(xiàn)微小型復(fù)合能源裝置的微型化和一體化，需要在系統(tǒng)集成上解決以下兩個(gè)問(wèn)題：一是空間布局的合理性；二是電氣互連的有效性。

空間布局的合理性是在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能布局，需要考慮裝置中各功能模塊在空間占用及互連關(guān)系上的需求與特點(diǎn)，優(yōu)化裝置的功能布局，提升有限空間下關(guān)鍵供能單元的發(fā)電能力。電氣互連的有效性需要考慮在特定的空間布局下，如何實(shí)現(xiàn)裝置中各功能模塊間的有效互連，做到在有限空間下電氣互連的高可靠和低空間占用，提升系統(tǒng)的空間利用率，降低裝置的體積質(zhì)量。

為解決上述集成難題，本文采用結(jié)構(gòu)功能一體化的集成思路開(kāi)展工作，將裝置中各功能模塊子系統(tǒng)共形于結(jié)構(gòu)支撐體的內(nèi)、外表面，并通過(guò)布置于結(jié)構(gòu)殼體表面的三維共形電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)電氣互連，形成一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)自由度、空間利用率和能量效率顯著提升的新型復(fù)合能源裝置構(gòu)型，可有效促進(jìn)裝置的布局優(yōu)化和輕量化。

1.2 系統(tǒng)組成

本文提出的微小型復(fù)合能源裝置由供能、儲(chǔ)能以及能量管理3個(gè)功能模塊構(gòu)成。其中，供能模塊用于將不同類(lèi)型的外部能量轉(zhuǎn)換為電能。綜合考慮不同發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與不足，選用太陽(yáng)能電池與燃料電池進(jìn)行復(fù)合供能，太陽(yáng)能電池可在較長(zhǎng)的使用周期內(nèi)持續(xù)工作，但受環(huán)境光照的影響，供能具有周期性和不穩(wěn)定性的特點(diǎn)；燃料電池可在太陽(yáng)能電池供能受限的情況下持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行電能輸出，兩者配合可提升能源裝置的壽命，達(dá)到在數(shù)月工作周期內(nèi)無(wú)需人員干預(yù)的應(yīng)用要求[5]。儲(chǔ)能模塊用于將供能模塊轉(zhuǎn)化得到的電能進(jìn)行儲(chǔ)存，以供外部用電設(shè)備按需調(diào)配使用。能源管理模塊用于控制燃料電池反應(yīng)回路的通斷、管理儲(chǔ)能模塊的充放電規(guī)則，并根據(jù)負(fù)載的用電情況調(diào)整供電方案等，保障系統(tǒng)供能的穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性。另外，在互連關(guān)系上，能量管理模塊處在互連的中心節(jié)點(diǎn)上，功能模塊內(nèi)的兩個(gè)功能單元及儲(chǔ)能模塊均需要與之進(jìn)行內(nèi)部互連，且需要承擔(dān)對(duì)外輸出的功能。微小型復(fù)合能源裝置的系統(tǒng)組成及互連關(guān)系如圖1所示。

圖1 微小型復(fù)合能源裝置的系統(tǒng)組成與互連關(guān)系

1.3 空間布局

根據(jù)裝置的系統(tǒng)組成，結(jié)合供能、儲(chǔ)能以及能量管理3個(gè)功能模塊在空間占用和互連關(guān)系上的需求與特點(diǎn)，開(kāi)展裝置的空間布局設(shè)計(jì)。

供能模塊在整個(gè)系統(tǒng)中體積占比最大，其中太陽(yáng)能電池依賴(lài)于對(duì)太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化，對(duì)太陽(yáng)照射面積有較高需求；燃料電池依賴(lài)于對(duì)燃料中化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，對(duì)燃料灌注體積有較高需求。因此，在設(shè)計(jì)中依據(jù)二者在空間占用上的不同特點(diǎn)，將兩者內(nèi)外嵌套，光伏電池布置在裝置的外表面、燃料電池布置在光伏電池形成的內(nèi)部空間中，既可實(shí)現(xiàn)光伏電池面積的最大化，又可實(shí)現(xiàn)燃料電池體積的最大化，有效提升有限空間下關(guān)鍵供能單元的發(fā)電能力。

儲(chǔ)能模塊和能源管理模塊對(duì)于空間的占用需求相對(duì)較小，其中儲(chǔ)能模塊主要為超級(jí)電容器，能源管理模塊主要為控制電路板，超級(jí)電容器可封裝為一個(gè)電性能件集成于控制電路板上，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與能源管理模塊在物理形態(tài)上的融合。

供能模塊在系統(tǒng)內(nèi)體積占比最大，占用裝置的上部大部分空間，儲(chǔ)能和能源管理模塊在物理形態(tài)上融合后占用裝置的底部空間。在該集成架構(gòu)下，裝置外包絡(luò)面內(nèi)的全部空間都可被有效利用，能提升裝置的等效能量密度，另外系統(tǒng)架構(gòu)較為精簡(jiǎn)，可提升系統(tǒng)的可靠性。微小型復(fù)合能源裝置的空間布局如圖2所示。

圖2 微小型復(fù)合能源裝置的空間布局

1.4 電氣互連

根據(jù)裝置的系統(tǒng)組成及空間布局，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效互連，本文采用了依托三維共形電路和彈性連接器的結(jié)構(gòu)功能一體化集成手段，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)互連的高可靠和低空間占用，可有效減輕系統(tǒng)的體積質(zhì)量。

其中三維共形電路是將導(dǎo)帶、圖形等元素直接集成于結(jié)構(gòu)殼體表面的一種工藝手段，不需要單獨(dú)的電路基板承載，與常規(guī)的產(chǎn)品相比具有散熱效率高、后續(xù)裝配工作量少以及空間利用率高的特點(diǎn)，可有效提升系統(tǒng)的可靠性，降低重量與體積[6-8]。三維共形電路可在幾乎不占用額外空間的情況下將裝置中原有的純結(jié)構(gòu)件變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)功能一體化構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)替代傳統(tǒng)線纜和充當(dāng)燃料電池反應(yīng)電極等電氣功能，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電氣互連和輕量化的關(guān)鍵技術(shù)。

其中彈性連接器是一種新型的接觸式電氣互連方式，可在空間占用更小的情況下替代傳統(tǒng)能源裝置中的插合式電連接器實(shí)現(xiàn)模塊間的電氣互連，有效匹配裝置的集成架構(gòu)，并進(jìn)一步提升裝置的集成度。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上述系統(tǒng)集成思路開(kāi)展微小型復(fù)合能源裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮到太陽(yáng)能電池接收輻射的效率，裝置整體外觀采用六棱臺(tái)形式，并主要分為上、下兩個(gè)部分，上面部分為供能模塊，下面部分為儲(chǔ)能與能源管理模塊。微小型復(fù)合能源裝置的結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖3所示。

圖3 微小型復(fù)合能源裝置的結(jié)構(gòu)爆炸圖

2.1 供能模塊

供能模塊由布置于外部的光伏電池和布置于內(nèi)部的燃料電池組成。其中光伏電池包括結(jié)構(gòu)殼體、光伏電池板、三維共形電路以及彈性連接器，光伏電池板以最大面積鋪滿(mǎn)結(jié)構(gòu)殼體外表面，以便隨著日照方向和角度的變化實(shí)現(xiàn)有效照射與供能；三維共形電路布置在結(jié)構(gòu)殼體上，實(shí)現(xiàn)各光伏電池板之間的電連接，并通過(guò)三維共形電路將光伏電池正負(fù)極接至彈性連接器。燃料電池選用質(zhì)子交換膜燃料電池，其組成包括燃料罐、反應(yīng)膜、分離式反應(yīng)電極、三維共形電路以及彈性連接器，反應(yīng)膜與分離式反應(yīng)電極由內(nèi)至外依次布置在燃料罐表面，燃料罐表面與分離式反應(yīng)電極開(kāi)設(shè)有小孔，用于輸送燃料與空氣至反應(yīng)膜，發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生電能[9]。三維共形電路設(shè)置于燃料罐表面與分離式反應(yīng)電極構(gòu)成燃料電池的正負(fù)電極，并分別接至彈性連接器。

光伏電池和燃料電池兩者嵌套留下的間隙可作為燃料電池的反應(yīng)區(qū)，光伏電池結(jié)構(gòu)殼體上留有通腔，用于空氣流通至光伏電池與燃料電池之間的間隙。

2.2 儲(chǔ)能及能源管理模塊

儲(chǔ)能模塊和能源管理模塊集成于一個(gè)功能電路板上，功能電路板與三維轉(zhuǎn)接座上的內(nèi)側(cè)焊盤(pán)互連，光伏電池與燃料電池的彈性連接器分別通過(guò)壓接的方式與轉(zhuǎn)接座上的外部焊盤(pán)互連。功能印制板安裝于結(jié)構(gòu)盒體內(nèi)，三維轉(zhuǎn)接座安裝于盒體邊緣，盒體上的凸臺(tái)結(jié)構(gòu)用于電路板上發(fā)熱器件散熱，密封墊用于對(duì)模塊的密封，防止進(jìn)水。

此外，光伏電池殼體的頂部和儲(chǔ)能及能源管理模塊盒體的頂部均采用傾斜設(shè)計(jì)，防止長(zhǎng)期積水造成設(shè)備進(jìn)水或腐蝕。光伏電池和燃料電池的外露表面涂有防水涂層，以提高裝置對(duì)野外潮濕淋雨環(huán)境的適應(yīng)性。

2.3 裝置樣機(jī)

基于上述各模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路，針對(duì)某小型化無(wú)人值守設(shè)備的典型供電需求，本文開(kāi)展了微小型復(fù)合能源裝置樣機(jī)的設(shè)計(jì)加工。樣機(jī)外形尺寸為122.1 mm×107.2 mm×45.6 mm（ 長(zhǎng) × 寬 × 高），體積為180 cm3，質(zhì)量為200 g，樣機(jī)實(shí)物如圖4所示。

圖4 微小型復(fù)合能源裝置樣機(jī)實(shí)物

3 仿真與試驗(yàn)

3.1 力學(xué)仿真分析

為驗(yàn)證裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)合理性，采用ANSYS對(duì)微小型復(fù)合能源裝置開(kāi)展有限元仿真，主要分析裝置的固有頻率及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)情況。設(shè)備剛度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為最低固有頻率＞150 Hz，強(qiáng)度評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為結(jié)構(gòu)在經(jīng)受隨機(jī)振動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生破壞，其強(qiáng)度裕度至少大于1。

固有頻率仿真分析得出，裝置的第一階固有頻率為1 419.1 Hz，滿(mǎn)足大于150 Hz的要求，剛度較好，不易變形，滿(mǎn)足剛度要求，前6階固有頻率見(jiàn)表1。裝置中光伏電池和燃料電池結(jié)構(gòu)剛度較好，變形及模態(tài)主要出現(xiàn)在儲(chǔ)能及能源管理模塊的蓋板上。

表1 微小型復(fù)合能源裝置樣機(jī)固有頻率

按照《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》（GJB 150.16A—2009）中規(guī)定的高速卡車(chē)運(yùn)輸振動(dòng)條件進(jìn)行裝置樣機(jī)隨機(jī)振動(dòng)仿真，分析顯示，在3個(gè)方向上的隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力都較小，垂向、橫向和縱向分別為0.88 MPa、0.008 MPa、0.09 MPa，應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。仿真最大變形和應(yīng)力主要出現(xiàn)在剛度較小的儲(chǔ)能及能源管理模塊的蓋板上。隨機(jī)振動(dòng)仿真應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5。

圖5 裝置隨機(jī)振動(dòng)仿真應(yīng)力云圖

通過(guò)以上力學(xué)仿真分析表明，微小型復(fù)合能源裝置剛度和強(qiáng)度均能滿(mǎn)足應(yīng)用需求，力學(xué)性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3.2 熱學(xué)仿真分析

為驗(yàn)證裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的熱學(xué)合理性，采用熱仿真軟件FloEFD對(duì)微小型復(fù)合能源裝置進(jìn)行熱仿真，通過(guò)分析計(jì)算獲得樣機(jī)中關(guān)鍵部位的溫度，以此驗(yàn)證樣機(jī)的熱學(xué)性能是否滿(mǎn)足要求。微小型復(fù)合微能源裝置的應(yīng)用場(chǎng)景是在野外無(wú)人值守條件下長(zhǎng)時(shí)間工作，在工作時(shí)主要的熱量來(lái)源包括太陽(yáng)輻射、燃料電池反應(yīng)發(fā)熱、功能電路板上器件發(fā)熱[10]?？紤]到體積質(zhì)量限制以及長(zhǎng)期可靠性，樣機(jī)采用自然散熱方式，主要為表面空氣對(duì)流和表面向環(huán)境的輻射散熱。

燃料電池發(fā)熱和功能電路板上的器件發(fā)熱可以直接通過(guò)體熱源模擬，共計(jì)4.25 W，太陽(yáng)輻射按照能量密度1 330 W/m2垂直照射帶入仿真。綜合考慮空氣對(duì)流和表面輻射散熱，仿真顯示太陽(yáng)能電池表面的最高溫為78.3 ℃，燃料反應(yīng)電極的最高溫度為77.9 ℃，控制電路板上器件的最高殼溫為60.1 ℃，均小于許用溫度85 ℃，滿(mǎn)足設(shè)備散熱要求，熱設(shè)計(jì)方案合理。發(fā)熱模塊溫度場(chǎng)云圖如圖6所示。

圖6 微小型復(fù)合能源裝置發(fā)熱模塊溫度云圖

通過(guò)以上熱學(xué)仿真分析表明，微小型復(fù)合能源裝置中各發(fā)熱器件的散熱均滿(mǎn)足要求，熱設(shè)計(jì)方案合理。

3.3 功能振動(dòng)試驗(yàn)

按照《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法 第16部分：振動(dòng)試驗(yàn)》（GJB 150.16A—2009）規(guī)定的高速卡車(chē)運(yùn)輸振動(dòng)條件對(duì)微小型復(fù)合能源裝置樣機(jī)進(jìn)行垂向、橫向、縱向3個(gè)方向的功能振動(dòng)試驗(yàn)，記錄各方向試驗(yàn)前、后裝置伏安特性曲線的變化情況，要求變化小于15%。

各方向試驗(yàn)前后伏安特性曲線變化情況如圖7所示，測(cè)試情況如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，垂向、橫向、縱向試驗(yàn)前后伏安特性變化率最大分別為8.6%、9.6%、9.7%，滿(mǎn)足要求。

圖7 微小型復(fù)合能源裝置振動(dòng)前后伏安特性曲線

圖8 微小型復(fù)合能源裝置測(cè)試情況

4 結(jié) 論

能源裝置的微型化和高可靠是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守小型化設(shè)備廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文基于結(jié)構(gòu)功能一體化集成思路設(shè)計(jì)的微小型復(fù)合能源裝置集成度高、結(jié)構(gòu)可靠，力熱仿真及測(cè)試均滿(mǎn)足要求，對(duì)于類(lèi)似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有工程借鑒意義。