全海深高能量密度锂电池组承压电子开关技术研究
时间：2023-01-20 12:30:14 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
赵 胜，李 围，李霞林
应用研究
全海深高能量密度锂电池组承压电子开关技术研究
赵 胜，李 围，李霞林
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）
针对电子开关在全海深耐压环境下工作的问题，深入研究了电子开关的结构、原理和功能，设计了在深海压力下工作的电子开关，并对电子开关的耐压性能进行了循环压力试验。试验结果表明，电子开关在全海深压力条件下能够正常开通和关断，保护电池组正常工作。
全海深 电子开关 压力筛选
电子开关可以分为多种类型，以应用产品类型可分为通用型和专用型两种，例如家电类产品。按负载电源分类可分为直流型和交流型两种，其中直流型固态电子继电器[1]是以功率晶体管作为开关元件的，交流型固态继电器以可控硅作为开关元件的，分别用来接通和断开直流或交流负载。
在深海高压环境条件下，能够克服复杂外部压力，成功控制整个电池组放电回路的开通与断开，对电子开关器件本身有很强的要求，通过对电子开关的结构件以及控制电路板的改良与重复多次的模拟海洋环境压力的耐压试验的对比结果，验证电子开关在实际使用过程中的可靠性。本研究报告主要介绍全海深承压电子开关的技术指标、产品组成、关键技术解决方法及试验结果等内容。
在电池管理系统中电池组主回路的通断需要开关进行控制，全海深压力条件下，接触器和IGBT[2]等电子开关不能正常工作。采用这些常用的开关必须要设计承压壳体并配备承压连接器，这会增加开关的体积和重量，也会大幅度的增加成本。为了解决这些问题，针对全海深工作环境，自研了一种基于MOS 管的电子开关[3]，以实现直流高压电路的通断控制。
首先在设计上对其电子开关的规格大小和性能指标进行设定，通过对实际应用场景的分析，可以确定不同型号的电子开关，并且对电子开关的主要技术指标和功能指标进行规范标准化。
其次，介绍了电子开关的原理、组成，详细地分析电子开关在实际场景中的应用，总结了电子开关自身的优缺点。电子开关在全海深耐压条件下，对电子开关结构本身的耐压性能进行试验分析，以及电子开关各项性能也进行模拟试验，最后对电子开关的性能做总结。电子开关的研究方案如图1所示。
2.1 电子开关原理分析
电子开关的基本工作原理是控制输入信号依次经过控制信号调制器与变压器，进入控制信号解调器，然后通过双Mos 管开关控制输出信号。相对于采用承压壳体的其它开关形式，电子开关具有导通电阻低，开关时间短，控制电压宽，控制电流小，体积小重量轻等诸多优势。电子开关的输入电路主要为直流输入电源，具有固定控制电压的控制信号，输入过程为：接通电源正极（＋），从电子开关S+端输入，S-端输出，接入开关K控制整个回路的通断，闭合开关后，电流通过闭合开关至电源负极（—）。断开开关后，整个电流回路关闭。由于电子开关的独特的性能，在控制端与负载端的隔离，在输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载的作用。下图2介绍了电子开关的工作原理框图：
图1 电子开关设计方案
2.2 电子开关组成
电子开关的结构由外壳及底板组成，外壳的加工材料为黑灰色尼龙板，壳体正面标记主触点标识符号，以及线圈正负端，二极管阳极和阴极相对应位置。壳体里面部分包含控制电路板，开关电路板以及引线板，壳体和电路板共同组成完整的电子开关。两种型号的电子开关的主要组成是为壳体结构（外壳和底板），控制板、开关板、引线板、缓冲板，主触点连接片，控制连接片等。其结构示意图如下图3。
图2 电子开关的工作原理框图
图3 电子开关结构示意图
电子开关的外形图如图4所示。主触点连接片分别为IN电源端和OUT负载端，在控制系统设计中接入主回路影响回路的通断，线圈正端S+和线圈负端S-接入控制电源，控制电源断开，电子开关常闭状态，当控制电源开通时，电子开关常开。二极管阳极DA和二极管阴极DK控制电流的导通方向，可通反向电流。150V150A型和50V150A型电子开关内部为开关板，控制板和引线板。其中开关板为双面板，板厚2 mm，铜层2OZ，控制板为四层板，板厚1.6 mm，铜层1OZ，引线板为双面板，板厚1.6 mm，铜层1OZ。元器件的焊接按照PCB图元器件清单的要求正确焊接，无错装、漏装，元器件排列应整齐、美观。
2.3 电子开关的功能
电子开关的设计方案与常用的继电器有所不同，常用的固态继电器一般只能用于交流工况，或者低压（一般不高于DC24V）直流工况，最重要的原因是不能耐受直流容性负载开通时的浪涌电流，或感性负载关断是的浪涌电压。在本系列电子开关中，基于场效应管的设计，能够附加完善的抗开通浪涌电流和关断浪涌电压电路，可以直接用于直流高压大电流开关的环境条件中。
从整体上看，电子开关有一个控制信号输入端和一个开关输出接口端，工作时只要在控制信号输入端加上一定的控制信号，经过控制信号调解和变压器就可以控制C、D端之间的开通与断开，实现开关的功能，其中耦合电路为A、B端输入的控制信号提供一个输入/输出端之间的通道，但又在电气上断开电子开关中输入端和输出端之间的联系，防止输出端对输入端的影响。触发电路的功能是产生合乎要求的触发信号，驱动开关电路工作，但由于开关电路在不加特殊控制电路时，将产生射频干扰，所以设置控制电路，当加入控制信号后，电子开关线圈两端电压为输入正常值时，电子开关为开通状态，当断开控制信号后，电子开关线圈两端电压为零时，电子开关为断开状态。吸收电路是为防止从电源中传来的尖峰、浪涌对开关器件的冲击和干扰而设计的，一般是用RC串联吸收电路或非线性电阻。检测电子开关是正常工作基本测试的回路图如下图4所示。
图4 电子开关试验电路图
图4中电源为200 V/200 A可调稳压电源，A1为200 A电流传感器，S1为待测电子开关，R1为0.2欧-2欧/200A的可调电阻。另需数字示波器，数字万用表及信号发生器作为配合试验所用仪器。电源通电后，通过调节可调电阻的阻值控制电流传感器的大小，从而检测电子开关的工作性能。
在电池组充放电过程中，在充放电回路中增加电子开关，不仅可以保证充放电过程的稳定运行，而且可以防止充放电过程中发生意外的情况，比如电池过充电或过放电，电池组温度过高，充电电流过大等等，通过控制系统的实时监控，可以做到一旦有上述情况发生，电子开关可以立即断开充放电回路，有效防止危险情况的发生，是电池管理系统中不可缺少的控制手段之一。图5中简单描述了电子开关在电池组控制过程中的流程图。
图5 电子开关在控制系统的流程图
上位机向电池管理系统发送请求指令，电池管理系统将采集到的电池组电压、温度、电流等信息返回给上位机显示，电池管理系统监控电池组各个数据的反馈情况，如发现有异常数据，信息会以报警的形式显示在上位机上，如果达到充放电机设置的的参数保护值，充放电机会自动停止充放电，如果达到电池组数据的保护值，电子开关将自动响应，断开充放电回路，使电池组回到正常的静置状态，并观察电池组数据有无异常。
2.3.1电子开关的功能测试
电子开关的适用环境很多样，可以在自然条件下，也可以在海洋水下压力环境使用，具有很强的抗压和抗干扰能力，除了有很强的耐压性，电子开关同时具有对电池组充放电过程中出现的过压欠压保护，过流保护以及过温保护。全海深11 000 m压力条件对于电子元器件是一个非常严格的要求，不是所有的电子元器件都适合，在进行电池管理系统应用之前对已有的电子开关在全海深压力条件下进行循环压力试验。对电子开关进行通电试验，检测电子开关能不能正常工作。换掉电子开关上被全海深压力压坏的元件，重新通电试验，检测电子开关是否正常。根据试验结果，大部分表面贴片的电子元器件在全海深压力条件下能正常工作，只有很少部分电子元器件不能满足要求。另外，也有部分元器件在深海压力条件下会产生变化，如电阻的值在全海深压力条件会发生偏差，霍尔电流传感器在压力条件压也会发生漂移。因此，在电池管理系统设计之前要对所需的电子开关进行循环压力试验，选出满足要求的器件。
受试150 V/ 150 A电子开关选用的为满足条件的耐压电子元器件，经过入所复验合格产品。
待测电子开关置于压力罐中反复加压。5V电源和电阻，电子开关，二极管组成连续电流回路，为待测开关提供150 A连续电流负荷。
150 V电源和电阻，电容组成储能电源，与电阻及电子开关一起组成高压大电流脉冲工作回路，为待测开关提供150 V/150 A短时开关负荷。
该工作时序由控制板自动控制实施，试验使用的仪器仪表如表1所示。
具体试验步骤如下所示：
1）将开关置于压力灌内；
2）控制板上电，5 V电源上电，150 V电源上电；
3）示波器和万用表监控电流；
4）加压过程如下：
a) 初始压力0MPa；
b) 按2 MPa/min加压速度加压至115 MPa；
c) 115 MPa压力保压1h；
d) 按2 MPa/min加压速度加压至127 MPa
e) 127 MPa压力保压5 min；
f) 按2 MPa/min泄压速度泄压至0 MPa；
g) 重复a）至f）步骤，循环20次。
5）间隔15分钟记录A1、A3电流。
表1 仪器仪表及辅助设备表
2.3.2 试验结果及分析
经试验，电子开关全负荷循环加压验证后试验结果正常。经过115 MPa循环打压试验，电子开关具有很好的耐压性，完全满足全海深工作环境的耐压要求。试验结果以图表形式显示如图9所示。
图 6 电子开关循环加压试验结果图
本文对电子开关结构组成，技术指标和功能，优缺点进行了详细的介绍和分析，以及在实际项目过程中的应用进行了深入的研究，并通过试验验证电子开关的功能的可行性，试验结果也充分证明了电子开关技术方案的可操作性和实用性，对在深海高压环境下的电子开关的应用具有很大参考价值。
[1] 张睿. 高固态电子开关的研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2017.
[2] 孙长荣.无触点防爆电子开关[J]. 电气防爆,2018（2）: 45-46.
[3] 王昌鹏,刘建红,李晨源.一种星用固态电子开关电路的设计[J]. 空间电子技术，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
赵胜（1988），男，工程师，计算机。E-mail：550736090@qq.com
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