Байпасный переключатель литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата
LITHIUM-ION BATTERY BYPASS SWITCH FOR A SPACECRAFT

Изобретение относится к электротехнике и касается байпасных переключателей в аккумуляторной батарее космического аппарата для парирования отказа аккумулятора путем организации обходной цепи в батарее. Это особенно актуально в литий-ионной аккумуляторной батареи так, как зона работоспособности литий-ионного аккумулятора находится в узком диапазоне напряжений и выход одного аккумулятора может привести к выходу из строя всей батареи.
Основные требования, которые предъявляются к байпасному переключателю литий-ионной аккумуляторной батареи космического аппарата - это надежность и безотказность, минимальные энергетические потери, минимальная масса, сохранение неразрывности цепи батареи при отключении деградировавшего аккумулятора.
Известен переключатель одноразового действия (патент РФ на полезную модель №80708, опубл. в 2009 г.), состоящий из одной пары нормально-замкнутых и одной пары нормально-разомкнутых контактов с подвижными контактами в траверсе, соединенной с приводом, причем в качестве привода траверсы с подвижными контактами использован предварительно впаянный в нагреватель подвижный сердечник с пружиной, а нормально замкнутые контакты имеют систему магнитного дутья, состоящую из постоянных магнитов с полюсными наконечниками и деионных решеток в виде медных пластин, исключающих возможность сваривания контактов. После подачи напряжения на обмотку управления переключателя и расплавления удерживающей пайки пружина перемещает траверсу с подвижными контактами и происходит переключение.
Признаки, общие предлагаемого байпасного переключателя и аналога, следующие:
- неподвижные и подвижные контакты,
- исполнительный механизм с рабочей пружиной.
Недостатком данного переключателя является повышенное переходное сопротивление нормально-замкнутых «сухих» контактов как до, так и после их переключения, поэтому данная схема приводит к заметному снижению выходного напряжения батареи.
Известен переключатель одноразового действия (патент РФ №2403644, опубл. в 2010 г.), содержащий одну нормально замкнутую цепь и одну пару нормально разомкнутых «сухих» контактов, замыкание которых происходит после подачи напряжения на обмотку нагревательного привода, причем в нормально замкнутой цепи в качестве контактов используется плавкая вставка, разрушающаяся после замыкания нормально разомкнутых контактов током короткого замыкания от оставшегося заряда отключаемого аккумулятора. После подачи напряжения на обмотку управления переключателя и расплавления удерживающей пайки, сердечник пружиной перемещает траверсу с подвижными контактами, нормально разомкнутые контактов замыкаются, а под воздействием тока короткого замыкания от оставшегося заряда аккумулятора, плавится вставка нормально-замкнутых контактов и аккумулятор отключается.
Признаки, общие предлагаемого байпасного переключателя и аналога, следующие:
- корпус;
- неподвижные и подвижный контакты, расположенные в корпусе;
- исполнительный механизм с рабочей пружиной.
Недостатком данного переключателя одноразового действия является повышенное переходное сопротивление нормально-замкнутых «сухих» контактов после их переключения, поэтому данная схема приводит к снижению выходного напряжения батареи, а также переключатель невозможно проверить на срабатывание перед использованием по назначению, что снижает его надежность и безотказность срабатывания.
Наиболее близким к предлагаемому переключателю и принятому за прототип, является байпасный переключатель литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата (патент РФ на полезную модель №108881, опубл. в 2011 г), состоящий из корпуса с расположенными в нем исполнительным механизмом с рабочей пружиной, подвижным контактом и неподвижными контактами, фиксатора с силоприводом, выполненным на основе пружины, удерживаемой в сжатом состоянии легкоплавким сплавом, и электронагревательный элемент.
Признаки, общие предлагаемого байпасного переключателя и прототипа, следующие:
- корпус;
- неподвижные контакты, расположенные в корпусе;
- подвижный кольцевой пружинный контакт, расположенный внутри неподвижных контактов;
- управляющий (исполнительный) механизм с рабочей пружиной.
Недостатком прототипа является повышенное переходное сопротивление нормально-замкнутых «сухих» контактов, как до, так и после их переключения, что приводит к снижению выходного напряжения батареи, а также возможного вытекание легкоплавкого сплава из силопривода при срабатывания фиксатора.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом байпасном переключателе заключается в повышении надежности, безотказности его срабатывания и снижения переходного сопротивления контактов, а также в уменьшение габаритных размеров.
Этот технический результат достигается тем, что в байпасном переключателе, состоящем из корпуса, с расположенными в нем неподвижными контактами, подвижный кольцевой пружинный контакт и управляющий механизм с рабочей пружиной расположен внутри неподвижных контактов, причем контакты до и после переключения удерживает от размыкания легкоплавкий сплав, что значительно снижает их переходное сопротивление. Расположение подвижного контакта внутри неподвижных контактов уменьшает габаритные размеры байпасного переключателя, кроме того, в байпасном переключателе расположена группа из трех контактов, отключающая подачу напряжения на обмотку управления после его срабатывания. От попадания посторонний предметов контакты и управляющий механизм байпасного переключателя закрыты крышкой.
Отличительные признаки, обуславливающие соответствие предлагаемого переключателя критерию «новизна», следующие:
- расположение управляющего механизма с рабочей пружиной внутри подвижного контакта;
- введение легкоплавкого сплава, соединяющего контакты до и после их переключения;
- введение группы из трех контактов для отключения подачи напряжения на обмотку управляющего механизма после его срабатывания.
Для обоснования соответствия предлагаемой конструкции байпасного переключателя критерию «изобретательский уровень» был проведен анализ известных решений по литературным источникам. Отличительных признаков заявляемого решения, дающих в совокупности с известными признаками вышеуказанный технический результат, в литературных источниках не обнаружено, поэтому, по мнению авторов, предлагаемая конструкция байпасного переключателя соответствует критерию «изобретательский уровень».
Конструкция предлагаемого байпасного переключателя литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата изображена на фиг. 1.
Предлагаемый байпасный переключатель имеет призматическую форму и состоит из корпуса 1, в котором установлены неподвижные контакты 2, 3, 4, управляющего механизма, содержащего пружину 5 и подвижный кольцевой пружинный контакт 6, причем контакты до и после переключения удерживает от размыкания легкоплавкий сплав 7, что значительно снижает их переходное сопротивление, кроме того, в байпасном переключателе расположена группа 8 из трех контактов, отключающая подачу напряжения на обмотку управляющего механизма после его срабатывания. От попадания посторонних предметов контакты и управляющий механизм байпасного переключателя закрыты крышкой 9.
Пример конкретной работы предлагаемого байпасного переключателя.
Байпасный переключатель устанавливается параллельно каждому литий-ионному аккумулятору в батарее аккумуляторов. При деградации одного из аккумуляторов выполняется активация (подача напряжения) соответствующего байпасного переключателя. При активации переключателя на обмотку управляющего механизма подается напряжение; проходящий ток расплавляет легкоплавкий сплав 7 и освобождает от удержания подвижный кольцевой контакт 6; относительно слабая пружина 5 перемещает подвижный кольцевой пружинный контакт 6 от одного неподвижного контакта 4 к другому контакту 2, при этом в начале происходит замыкание подвижного контакта 6 с другим неподвижным контактом 2, а затем происходит размыкание с ранее замкнутым контактом 3, одновременно размыкается контактная группа 8 и происходит отключение напряжения от обмотки управляющего механизма; легкоплавкий сплав 7 затвердевает и удерживает контакты от размыкания, что значительно снижает их переходное сопротивление. От попадания посторонних предметов контакты и управляющий механизм байпасного переключателя закрыты крышкой 9.
Для повышения надежности и безотказности срабатывания байпасного переключателя выполняется его проверка на срабатывание перед использованием по назначению. Для приведения байпасного переключателя в рабочее состояние после его активации на обмотку управляющего механизма подается напряжение, проходящий ток расплавляет легкоплавкий сплав и освобождает от удержания подвижный кольцевой пружинный контакт, после чего, сжимая пружину, перемещают подвижный контакт в исходное положение, прекращают подачу напряжения на обмотку управляющего механизма и удерживают подвижный контакт до затвердевания легкоплавкого сплава. В таком состоянии байпасный переключатель вновь готов к активации.