CN104638279A - 一种伺服电源的高压热电池单元激活电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种伺服电源的高压热电池单元激活电路，属于机电领域，用于解决现有的高压热电池单元激活时间长、可靠性低的问题。本发明提供的激活电路包括第一激活回路、冗余激活回路和输出脉冲电压信号的激活信号发生电路；第一激活回路包括为常开式继电器的第一电磁继电器和第二电磁继电器，第一电磁继电器中的三个开关的一端分别通过待激活的伺服电源中的一个高压热电池单元的第一激活电桥与第二电磁继电器中的三个开关的一端连接，第一电磁继电器中的三个开关的另一端同时与激活信号发生电路的输出正极连接，第二电磁继电器中的三个开关的另一端同时与激活信号发生电路的输出负极连接。本发明提供的上述方案对高压热电池单元的激活时间短、可靠性高。

Description

一种伺服电源的高压热电池单元激活电路

技术领域

本发明涉及机电领域，特别是指一种伺服电源的高压热电池单元激活电路。

背景技术

伺服系统是我国对运载火箭等的飞行控制执行闭环系统的统称，其典型应用之一就是应用在固体运载火箭上完成发动机的推力矢量控制。机电伺服系统因其固有的组成与结构简单、使用与维护方便、存储期长等优点，逐步成为固体运载火箭推力矢量控制主流的应用与发展方向。

机电伺服系统主要由以下几个部分组成：机电作动器、伺服控制驱动器、伺服动力电源及系统电缆网。其中，伺服动力电源为整个机电伺服系统提供直流电能，是机电伺服系统的初级能源。固体运载火箭推力矢量控制用伺服系统的特点是要求系统提供的峰值功率输出高、功率密度高、空间体积小。针对这一工作特点，固体运载火箭机电伺服系统通常选择热电池作为伺服动力电源，提供系统所需的初级电能。

目前，针对大功率机电伺服系统要求输出峰值功率高、瞬间响应速度快的特点，伺服动力电源中的热电池通常采用高压供电方案设计。而热电池作为化学电池，其基本组成为电池单体，每一片呈薄片状的电池单体具有固定的电压，电池弹体通过串联可以组成圆柱状的电池单元。受制造工艺与安装要求的限制，电池单元能够提供的电压有一定上限，因此，若设计完成满足使用要求的高压热电池必须，必须将多个电池单元串联使用。

而热电池为一次性使用的化学电池，在激活前不对外输出电压，因此在使用前必须提前激活。其激活的原理是每个电池单元内有火工品桥丝，为提高可靠性通常是一个电池单元中有两个火工品桥丝，为双冗余设计。在热电池准备使用前，通过在桥丝两端施加一定的电压，使火工品桥丝上通过其规定的电流，电流的热效应就可激活桥丝，即激活整个热电池单元。如前面所述，伺服动力电源中的高电压热电池是多个电池单元串联的组合，因此在使用时必须将串联的所有电池单元同时激活，且高压热电池单元的火工品桥丝在完成点火激活后都必须两两之间断开，不能搭接，否则有整个热电池熔穿的风险。

图1为一种典型的现有伺服动力电源的高压热电池激活回路结构示意图，如图1中所示，伺服动力电源的高压热电池组由第一热电池单元1、第二热电池单元2和第三热电池单元3共三个热电池单元串联而成，如果每个热电池单元的电压为140V，则串联后伺服动力电源的电压高达420V，为典型的高压热电池。第一热电池单元1、第二热电池单元2和第三热电池单元3中电池的组成与结构完全相同，分别由单元热电池电化学的本体部分和电桥组成，电桥即点火器或称之为火工品点火器。每个热电池单元有两个并联的电桥，为双冗余设计，其目的为通过冗余设计提高热电池的激活可靠性，正常激活同一个热电池单元的两个电桥中任何一个电桥都可以激活相应的热电池单元。由于是高压热电池，所以必须保证在激活后伺服动力电源中的所有电桥，例如图1中的第一电桥4、第二电桥5、第三电桥6、第四电桥7、第五电桥8和第六电桥9之间完全物理隔离，不能有搭接，这样才能保证热电池在工作过程中的使用安全。

目前在固体运载火箭上为火工品提供激活电压的只能是同一个电池，由于热电池单元的电压太高，采用同一个电池与各热电池单元的点火器激活端连接容易使不同热电池单元中的电桥之间相互影响，这种高压热电池激活方式容易造成熔穿热电池的问题，整个热电池的激活时间长、可靠性低、安全性低，因此，急需一种能够用于固体运载火箭推力矢量控制用机电伺服系统中的伺服电源的高压热电池单元激活方案，能够短时间、高可靠性、高安全性地在实现热电池串联电池单元火工品桥丝全部激活的情况下，使所有热电池单元的火工品桥丝能够两两之间断开。

发明内容

本发明的目的在于提供一种伺服电源的高压热电池单元激活电路，用于解决现有的固体运载火箭推力矢量控制用机电伺服系统中的机电伺服系统的高压热电池激活方式容易造成熔穿热电池的问题，整个热电池的激活时间长、可靠性低、安全性低的问题。

本发明提供的一种伺服电源的高压热电池单元激活电路，包括与待激活的高压热电池单元连接的第一激活回路和冗余激活回路，还包括输出脉冲电压信号的激活信号发生电路；

所述第一激活回路包括第一电磁继电器和第二电磁继电器；待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第一电桥的正极通过所述第一电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出正极连接，所述待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第一电桥的负极通过所述第二电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出负极连接；其中，n＝1,2，…，N；所述N为所述第一电磁继电器和第二电磁继电器各自包含的开关总数；所述第一电磁继电器和第二电磁继电器为常开式继电器，所述激活信号发生电路输出的脉冲电压信号能使所述第一、第二继电器的开关吸合。

在一些具体实施方案中，所述冗余激活回路包括第三电磁继电器和第四电磁继电器；所述待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第二电桥的正极通过所述第三电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出正极连接，所述待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第二电桥的负极通过所述第四电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出负极连接；其中，所述第三电磁继电器和第四电磁继电器为常开式继电器。

在一些具体实施方案中，所述第一激活回路还包括第一消反峰电路，所述第一消反峰电路包括第一二极管和第一释放电阻；所述第一二极管的正极与所述激活信号发生电路的输出负极连接，所述第一二极管的负极串联所述第一释放电阻后与所述激活信号发生电路的输出正极连接。

在一些具体实施方案中，所述冗余激活回路还包括第二消反峰电路，所述第二消反峰电路包括第二二极管和第二释放电阻；所述第二二极管的正极与所述激活信号发生电路的输出负极连接，所述第二二极管的负极串联所述第二释放电阻后与所述激活信号发生电路的输出正极连接。

在一些具体实施方案中，所述激活信号发生电路输出的脉冲电压信号宽度可调。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案能够带来如下有益效果：

1)可以实现以热电池为基础的伺服动力电源的快速高可靠激活，继电器组的响应时间极高，激活脉冲信号只要100ms，继电器组即可可靠激活伺服动力电源，满足固体运载火箭推力矢量控制的要求；

2)可以实现高压热电池双冗余的设计使用要求。继电器组的两路激活电路物理上完全独立，功能一致，只要一路可靠工作即可确保伺服动力电源的正常激活，极大提高了激活可靠性，满足运载火箭的可靠性指标要求。

3)可以有效隔离热电池组中各个单元热电池点火器的物理连接，实现激活后各点火器之间两两物理断开，不存在耦合，避免高压热电池的熔穿现象，满足运载火箭的安全性与可靠性要求。

4)可扩充性强，理论上该点火激活器可以适应任意单元热电池数量的热电池组的激活使用要求。

5)体积小、重量轻、成本低。作为独立的设备，其体积、重量、成本相对于热电池组本身都非常低，可以方便的满足固体运载火箭的安装使用要求，同时在一定程度上降低成本。

6)设备自身可靠性高，安全可靠。该方案采用成熟的继电器即可满足使用要求，同时在设计中采取了消反峰电路设计，可以有效保证在完成激活动作后，线路上的剩余电量通过消反峰电路释放掉，不会损坏与该设备连接的任何其他设备。

附图说明

图1为一种典型的现有伺服动力电源的高压热电池激活回路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种伺服电源的高压热电池单元激活电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的具有消反峰电路的伺服电源的高压热电池单元激活电路结构示意图。

[附图标记说明]

1、   第一热电池单元；

2、   第二热电池单元；

3、   第三热电池单元；

4、   第一电桥；

5、   第二电桥；

6、   第三电桥；

7、   第四电桥；

8、   第五电桥；

9、   第六电桥；

10、  第一激活回路；

11、  冗余激活回路；

21、  待激活的伺服电源；

22、  第一激活回路；

23、  冗余激活回路；

24、  激活信号发生电路；

25、  第一激活电桥；

26、  第二激活电桥；

K11、K12、K13、  第一电磁继电器的三个开关；

K21、K22、K23、  第二电磁继电器的三个开关；

K31、K32、K33、  第三电磁继电器的三个开关；

K41、K42、K43、  第四电磁继电器的三个开关；

R11、  第一电磁继电器的线包电阻；

R22、  第二电磁继电器的线包电阻；

R33、  第三电磁继电器的线包电阻；

R44、  第四电磁继电器的线包电阻；

D1、  第一二极管；

R1、  第一释放电阻；

D2、  第二二极管；

R2、  第二释放电阻。

具体实施方式

为解决现有技术存在的问题，本发明创新性地设计了一种以继电器组为基础的伺服动力电源的高压热电池单元激活电路，利用该激活电路，可以高可靠的兼容实现推力矢量控制用机电伺服系统伺服动力电源的地面激活或空中激活，满足固体运载火箭推力矢量控制使用不同的应用方式。

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图2为本发明实施例提供的一种伺服电源的高压热电池单元激活电路结构示意图，如图2中所示，本实施例提供的伺服电源的高压热电池单元激活电路包括与待激活的伺服电源21连接的第一激活回路22和冗余激活回路23，还包括输出脉冲电压信号的激活信号发生电路24。其中，第一激活回路22包括第一电磁继电器和第二电磁继电器；图2中用开关K11、K12、K13分别表示第一电磁继电器的三个开关触点，用开关K21、K22、K23分别表示第二电磁继电器的三个开关触点，并用电阻R11表示第一电磁继电器的线包电阻，用电阻R22表示第二电磁继电器的线包电阻。第一电磁继电器中的三个开关K11、K12、K13的一端均与激活信号发生电路24的输出正极连接，K11、K12、K13的另一端分别与待激活的伺服电源21中的三个高压热电池单元的第一激活电桥25的正极连接；第二电磁继电器中的三个开关K21、K22、K23的一端均与激活信号发生电路24的输出负极连接，第二电磁继电器中的三个开关K21、K22、K23的另一端分别与待激活的伺服电源21中的三个高压热电池单元的第一激活电桥25的负极连接。其中，第一电磁继电器和第二电磁继电器为常开式继电器；激活信号发生电路输出的脉冲电压信号能使所述第一、第二继电器的开关吸合，激活信号发生电路例如可以采用一预定电压的电压源(如电池)和一预定阻值的限流电阻的串联电路作为激活信号发生电路，通过控制该电路向第一激活电路的两端输出一预定时长的电压即可，显然，激活信号发生电路可以采用现有的任一种能够产生所需脉冲电压的电路，此处不再赘述。

图2中是为了方便表示，设待激活的伺服电源包括三个高压热电池单元进行示意，实际上，待激活的伺服电源可以包括N(N为自然数)个高压热电池单元，则采用的第一、第二继电器也应该各自配置有N个开关。即，本发明提供的伺服电源的高压热电池单元激活电路中，事实上第一激活回路中，待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第一激活电桥的正极通过第一电磁继电器中的第n个开关与激活信号发生电路的输出正极连接，待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第一激活电桥的负极通过第二电磁继电器中的第n个开关与激活信号发生电路的输出负极连接；其中，n＝1,2，…，N。

本发明实施例提供的伺服电源的高压热电池单元激活电路中继电器组的工作原理是：当继电器线包两端分别通电，则继电器线包上产生一定的电流，电流产生磁场吸合继电器的开关触点，而当继电器线包两端通电断开后，电流产生的磁场消失，则继电器的开关触点弹开。选择使用的常开式继电器在继电器线包不通电的状态下，继电器开关是打开的，开关所处线路为断开状态，继电器线包通电后继电器的开关所处线路接通。在运载火箭的实际使用过程中，当激活信号发生电路24输出的脉冲电压信号时，第一、第二继电器线包由于两端施加的电压而使线包上流过电流，电流产生的磁力吸合继电器开关触点，这样，只要三条开关线路K11-R3-K21、K12-R3-K22、K13-R3-K23中有任意一条连通，继电器线包两端施加的激活电压同样可加在待激活的伺服电源21的激活电桥25的桥丝上，桥丝上通过一定的电流可以使热电池单元激活；而当脉冲电压信号过后，第一、第二继电器的开关触点会弹开，确保高压热电池单元被激活后全部桥丝之间物理上隔离，不会造成高压热电池的使用安全性问题。

优选地，本发明提供的伺服电源的高压热电池单元激活电路中的冗余激活回路包括第三电磁继电器和第四电磁继电器，待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第二激活电桥的正极通过第三电磁继电器中的第n个开关与激活信号发生电路的输出正极连接，待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第二激活电桥的负极通过第四电磁继电器中的第n个开关与激活信号发生电路的输出负极连接。以下仍以待激活的伺服电源包括三个高压热电池单元为例进行说明，如图2所示，用开关K31、K32、K33分别表示第三电磁继电器的三个开关触点，用开关K41、K42、K43分别表示第四电磁继电器的三个开关触点，并用电阻R33表示第三电磁继电器的线包电阻，用电阻R44表示第四电磁继电器的线包电阻。第三电磁继电器中的三个开关K31、K32、K33的一端均与激活信号发生电路24的输出正极连接，K31、K32、K33的另一端分别与待激活的伺服电源21中的三个高压热电池单元的第二激活电桥26的正极连接；第四电磁继电器中的三个开关K41、K42、K43的一端均与激活信号发生电路24的输出负极连接，第四电磁继电器中的三个开关K41、K42、K43的另一端分别与待激活的伺服电源21中的三个高压热电池单元的第二激活电桥26的负极连接。其中，第三电磁继电器和第四电磁继电器也选用常开式继电器。该冗余激活回路23的工作原理和前面所述的第一激活回路22的工作原理类似，此处不再赘述。

由于继电器线包电阻上存在少量电感，因此在继电器线包两端电压断开瞬间，若不采取相应措施，会导致电感上的电流因无处释放而将电能反灌到线路的其他设备上，或造成“打火”等现象，有损坏与之连接其他设备的风险。因此，为解决该问题，优选地，本发明在该伺服电源的高压热电池单元激活电路中进一步设计了消反峰电路，如图3中所示，第一激活回路22还包括第一消反峰电路，第一消反峰电路包括第一二极管D1和第一释放电阻R1；第一二极管D1的正极与激活信号发生电路24的输出负极连接，第一二极管D1的负极串联第一释放电阻R1后与激活信号发生电路24的输出正极连接。如此设计，使得该伺服电源的高压热电池单元激活电路在完成热电池的激活动作后，线路上的剩余电量通过“二极管+释放电阻”组成的消反峰电路释放掉到释放电阻上，剩余电量不会损坏与该设备连接的任何其他设备。

优选地，如图3所示，冗余激活回路23还包括第二消反峰电路，第二消反峰电路包括第二二极管D2和第二释放电阻R2；第二二极管D2的正极与激活信号发生电路24的输出负极连接，第二二极管D2的负极串联第二释放电阻R2后与激活信号发生电路24的输出负极连接。第二消反峰电路的作用类似于第一消反峰电路，用于在冗余激活回路完成热电池的激活动作后，释放剩余电路中的剩余电量，避免剩余电能反灌到线路的其他设备上。

图3中所示伺服电源的高压热电池单元激活电路中，第一继电器和第二继电器共用第一消反峰电路，控制待激活的伺服电源中各高压热电池单元的一个激活电桥；第三继电器和第四继电器一组，共用第二消反峰电路，控制待激活的伺服电源中各高压热电池单元的另外一个电桥。两组激活电路物理上完全独立，实现双冗余的使用要求。

优选地，激活信号发生电路24输出的脉冲电压信号宽度可调，宽度范围优选为100ms～200ms。

本发明实施例提供的上述方案中，以继电器组为基础的激活回路的输入端可以兼容双冗余的设计要求，可以接受单路点火激活脉冲信号或双路冗余点火激活脉冲信号，双冗余设计电路相互独立，只要其中一路能够正常工作，就可保证全部热电池单元正常激活，可以极大提高运载火箭的可靠性指标。同时，该激活控制器可以实现在激活动作完成后，热电池组的全部单元热电池的点火器两两之间相互物理隔离，满足高压热电池安全性使用的要求，可以避免采取传统的串联或并联激活方式引起的高压热电池因点火器的物理上有连接，而造成熔穿热电池失效的问题。此方案的能够带来如下有益效果：

1)可以实现以热电池为基础的伺服动力电源的快速高可靠激活，继电器组的响应时间极高，激活脉冲信号只要100ms，继电器组即可可靠激活伺服动力电源，满足固体运载火箭推力矢量控制的要求；

2)可以实现高压热电池双冗余的设计使用要求。继电器组的两路激活电路物理上完全独立，功能一致，只要一路可靠工作即可确保伺服动力电源的正常激活，极大提高了激活可靠性，满足运载火箭的可靠性指标要求。

3)可以有效隔离热电池组中各个单元热电池点火器的物理连接，实现激活后各点火器之间两两物理断开，不存在耦合，避免高压热电池的熔穿现象，满足运载火箭的安全性与可靠性要求。

4)可扩充性强，理论上该点火激活器可以适应任意单元热电池数量的热电池组的激活使用要求。

5)体积小、重量轻、成本低。作为独立的设备，其体积、重量、成本相对于热电池组本身都非常低，可以方便的满足固体运载火箭的安装使用要求，同时在一定程度上降低成本。

6)设备自身可靠性高，安全可靠。该方案采用成熟的继电器即可满足使用要求，同时在设计中采取了消反峰电路设计，可以有效保证在完成激活动作后，线路上的剩余电量通过消反峰电路释放掉，不会损坏与该设备连接的任何其他设备。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种伺服电源的高压热电池单元激活电路，包括与待激活的高压热电池单元连接的第一激活回路和冗余激活回路，其特征在于：还包括输出脉冲电压信号的激活信号发生电路；

所述第一激活回路包括第一电磁继电器和第二电磁继电器；待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第一激活电桥的正极通过所述第一电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出正极连接，所述待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第一激活电桥的负极通过所述第二电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出负极连接；其中，n＝1,2，…，N；所述N为所述待激活的伺服电源中的高压热电池单元的数量；所述第一电磁继电器和第二电磁继电器为常开式继电器，所述激活信号发生电路输出的脉冲电压信号能使所述第一、第二继电器的开关吸合。

2.如权利要求1所述的伺服电源的高压热电池单元激活电路，其特征在于，所述冗余激活回路包括第三电磁继电器和第四电磁继电器；所述待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第二激活电桥的正极通过所述第三电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出正极连接，所述待激活的伺服电源中的第n个高压热电池单元的第二激活电桥的负极通过所述第四电磁继电器中的第n个开关与所述激活信号发生电路的输出负极连接；其中，所述第三电磁继电器和第四电磁继电器为常开式继电器。

3.如权利要求2所述的伺服电源的高压热电池单元激活电路，其特征在于，所述第一激活回路还包括第一消反峰电路，所述第一消反峰电路包括第一二极管和第一释放电阻；所述第一二极管的正极与所述激活信号发生电路的输出负极连接，所述第一二极管的负极串联所述第一释放电阻后与所述激活信号发生电路的输出正极连接。

4.如权利要求2所述的伺服电源的高压热电池单元激活电路，其特征在于，所述冗余激活回路还包括第二消反峰电路，所述第二消反峰电路包括第二二极管和第二释放电阻；所述第二二极管的正极与所述激活信号发生电路的输出负极连接，所述第二二极管的负极串联所述第二释放电阻后与所述激活信号发生电路的输出正极连接。

5.如权利要求1至4任一项所述的伺服电源的高压热电池单元激活电路，其特征在于，所述激活信号发生电路输出的脉冲电压信号宽度可调。