提高温控开关加热电路在空间化学电源上应用的可靠性

兰 星¹   张彬彬¹    邹睿¹    隗玉林²

（1.中国航天科工集团3401厂，贵州 遵义 563003； 2.中国电子商会电源专业委员会电池电源工作委员会、上海  200333）

摘要：本文论述了在空间化学电源上应用的温控开关加热电路、设计、元器件、原材料的品种及其主要特性：不同温控开关电路的优缺点：指出了温控开关串并联使用是设计上的误区；总结了提高温控开关电路可靠性的措施及出现的异常及故障和处理；温控开关电路是一个非常成熟的电路，已在空间化学电源上得到了广泛的应用。在其它需要低温环境下加热才能工作的领域具有推广应用的价值。

关键词：电路  温控开关 可靠性  故障处理  应用

Heating circuit temperature control switch on the chemical power sources in space applications

LAN Xing¹，ZHANG Bin-Bin¹ ，ZOU Rui¹ ，Wei-yulin²

（1. China Aerospace Science and Industry Corp. 3401 Factory ，Guizhou Zunyi  563003.； 2.Professional Committee of China Electronic Chamber of Commerce, the battery power supply Working Committee，shanghai 200333 ）

Abstract：This article discusses the application of chemical power sources in space, the temperature control switch heating circuit design ；Components ，Varietyof raw materials ，And its main features: The advantages and disadvantages ofdifferent temperature-controlled switching circuits: Pointed out the temperature control switch series and parallel use is the design errors; Summarizes the temperature-controlled switch circuit to improve the reliability of measures; And the emergence of anomalies and handling ；Summarizes the Temperature control switch circuit is a very mature circuit, Chemical power sources in space get a wide range of applications. In other areas of need for low-temperature heating value of popularization and application。

Key words： Circuit  Thermostat  Reliability  Troubleshooting Apply

1 前言

空间用化学电源（电池组）通常使用的温度环境要求电池组应在-40℃~﹢60℃的环境温度范围内的任何温度下都能正常供电。各种化学电源都有{zj0}的工作范围，如空间使用最多的锌—氧化银电池组在+15℃~ +35℃的环境温度下其工作性能{zh0}。如电池组在低于﹢15℃温度下工作时，电池组的供电电压（工作电压）会降低，工作时间会缩短，电池组的输出容量会降低，电池组的承载能力会下降；随着环境温度的降低，电池组的各种性能也随之下降。严重时电池组无法满足空间飞行器的用电使用要求。为了解决在低温环境下化学电源（电池组）能正常供电问题，通常在电池组的设计上采用温度控制开关电路来对电池组加热，用以提升电池组自身的温度并尽可能使电池组处于电池的{zj0}供电温度近上线的范围内，以使电池组体现出{zj0}的供电性能。

2 空间用化学电源温控开关加热电路上使用的元器件及原材料

2.1空间化学电源温控开关加热电路的功能

用于空间用化学电源的温控开关电路是最简单的电路，也是xxx可靠的电路，发现问题最容易分析查找的电路。其功能就是电池（化学电源）在低温环境下需要工作前，用外电源（通常是地面上的电源）通过电池内部设置的温控开关电路（通常称电池组的加热系统）给电池组加热到{zj0}供电温度近上线的范围内，并可在电池组使用前给电池组进行保温，使电池组的温度保持在{zj0}工作温度范围内，以确保电池组的供电性能。在空间飞行器飞行过程中也可以通过电池组上的温控开关电路利用电池组自身的电能量或飞行器上的其他电能给电池组加热以确保电池组能正常供电。

2.2化学电源用温控开关加热电路上使用的元器件及其功能

由于空间用化学电源温控开关电路的功能非常简单，只是控制电池组加热电路的接通与断开，所以电路所使用的元器件、原材料非常少。有温控开关（有些人称之为温度继电器），电磁继电器，加热组件，导线，电热丝，包覆物等。

2.2.1温控开关

2.2.1.1温控开关的作用

温控开关是电路里控制温度的主要和关键性的元件。温控开关的控制温度材料是双金属片，原理是不同的金属在相同温度变化下它们的膨胀（收缩）率不同，制成一定形状的双金属片为动点，温度变化时双金属片形状发生变化，动点与静点的接触与断开达到温度控制的目的。在电池组的装配时，要注意温控开关的温度敏感面的使用。

2.2.1.2温控开关的分类

按密封性来分，有密封温控开关和非密封温控开关。设计上{zh0}选用密封的温控开关，若选用非密封的温控开关也要进行防多余物处理，严防多余物污染温控开关的触点，影响通断效果。触点可通过{zd0}电流有：300mA、1A、2A、5A、8A、10A、15A等多种，根据对电池组加热功率（加热电流的大小）选择温控开关的规格和品种，温控开关的触点应能承受加热电流，并有一定的冗余量。

密封温控开关的体积较小、重量较轻，但回复温度较大。电池组加热时{dy}次断开后，再接通加热的时间间隔相对较长。

非密封温控开关的体积相对大一些，重量相对重一些，与密封温控开关相比由于对温控零件的设计形式和传热方式不同，非密封温控开关的回复温度较小，最小的可以控制在标称温度的±1⁰C间通断。

2.2.2电磁继电器

2.2.2.1电磁继电器的作用

电磁继电器在温控开关加热电路里起着对加热电流分流的作用，用以降低流经温控开关的电流。有些温控开关触点不能承受较大的负载电流，只好选用电磁继电器来分流电流。

2.2.2.2电磁继电器的分类

电池组上所使用的电磁继电器按密封性来分类，有密封电磁继电器和非密封电磁继电器两种。设计上{zh0}选用密封电磁继电器，若选用非密封的电磁继电器也要进行防多余物处理，严防多余物污染继电器的触点，影响通断效果。应根据对电池组加热功率的大小（加热电流的大小）选择电磁继电器，电磁继电器的触点应能承受加热的电流并有一定的冗余量。

2.2.3加热组件

电加热组件是根据电池堆（或单体电池排列）的形状和加热功率要求，用电热材料（电热丝）、绝缘无机纺织布或耐高温的薄膜及胶粘剂制作成的。设计时要注意电热丝的选择，不能太细。制作加热组件时电热丝的排布不能太密或太稀；太密电热丝易相互接触，造成加热功率不准；太稀时加热不均匀。加工成型的电热丝要分布均匀，严防局部过热。加工成型的电热丝要全部被绝缘无机纺织布或耐高温的薄膜包裹好，金属电热丝不能外露。

2.2.4导线

导线在加热电路里起着电路的连接作用，通常选用多股高温导线（氟塑料导线），加热电流不很大时也可选用一般的多股有棉纱的塑料包覆电线（ASTVR导线）。多股导线柔性好，易安装。

2.2.5电热材料

通常选用的电热材料主要成分为镍、铬的合金丝或镍、铬的合金带。镍铬合金是一种高电阻电热合金，具有较低的对铜热电势，较宽的使用温度范围，抗氧化性能好，具有较高的高温强度，主要用作一般的线绕电阻、电位器、限流电阻器、家庭用电热器具，工业用电炉等发热元件等。其性能稳定，成本相对较低。

碳纤维电热丝，纳米碳电热膜也是电热材料，但其成本要高得多，目前在电池领域里很少选用。

电热丝是温控开关加热电路里的通电发热源。根据设计需要可选用圆形电热丝，也可选用扁形电热丝（带）。给电池加热功率的电流与所选电热丝许可通过{zd0}电流值匹配，并要有一定的冗余量，不能太细。

也可用镍鉻合金薄带经化学腐蚀制成电发热零件。其使用在需要加热功率较低的电池电加热设备上。

2.2.6包覆物

包覆物是用来包覆加热用成型的电热丝。通常选用绝缘无机纺织布和有机耐高温薄膜等材料。

2.2.6.1高阻燃平纹无碱玻璃布

高阻燃平纹无碱玻璃布采用铝硼硅酸盐玻璃抽制纤维编织而成，其碱金属化物不大于0.5%、不易折断、性质柔软、绕包平整、抗拉力特强，在温度900℃左右不燃烧，并阻止火焰穿过，隔绝空气，保护电缆绝缘层免常受燃烧，现在普遍用于高阻燃耐火电线电缆；交联阻燃电缆等大截面电缆包扎，是阻燃耐火电缆生产中最理想的饶包护层材料。高阻燃平纹无碱玻璃布价格相对要低些。

使用高阻燃平纹无碱玻璃布时要经过去油脂处理和粘接预处理。

目前使用更多的是一般的平纹无碱玻璃布，其性能要差一些，价格要便宜些。

2.2.6.2聚酰亚胺薄膜

聚酰亚胺薄膜是一种新型的耐高温有机聚合物薄膜,是由均苯四甲酸二酐(PMDA)和二氨基二苯醚(ODA)在极强性溶剂二甲基乙酰胺(DMAC)中经缩聚并流涎成膜,再经亚胺化而成.它是目前世界上性能{zh0}的薄膜类绝缘材料,具有优良的力学性能、电性能、化学稳定性以及很高的抗辐射性能、耐高温和耐低温性能 (-269℃至+400℃)。现在已广泛应用于航空、航海、宇宙飞船、火箭导弹、原子能、电子电器工业等各个领域。聚酰亚胺薄膜价格较高。用聚酰亚胺薄膜制成的加热组件的防绝缘性下降要优越。

2.2.7胶粘剂

制作加热组件和预处理（高阻燃）平纹无碱玻璃布使用的胶粘剂是用聚乙烯醇缩丁醛料粒溶解在无水乙醇里。配置成一定浓度的溶液，粘度要适当，便于操作。

3 温控开关加热电路的分类及优缺点

3.1单一温控开关组成的温控加热电路

3.1.1单一温控开关组成的温控加热电路电路示意图,见图1。

图1 单一温控开关组成的温控加热电路电路示意图

Fig 1 Composedofa single temperature switch circuit diagram of temperature control heating circuit

3.1.2 单一温控开关加热电路的优缺点

3.1.2.1 单一温控开关加热电路的优点

单一温控开关加热电路所用原器件最少，线路简单，易制作，可靠性高，对电池组的小型化有利。对尺寸设计较紧张的电池组是优选的温控电路。

3.1.2.2单一温控开关电路的缺点

单一温控开关加热电路所使用的温控开关大多是小型密封的，这种小型密封温控开关有一个“回复温度”指标。生产单位制定的“回复温度”指标一般都在15⁰C左右，如果要想选择“回复温度”范围较小些的温控开关产品的价格就会提高。单一温控开关电路所选用的温控开关所通过的电流较大，双金属片及触点等电流流经时有热效应（会发热），多次通断工作或较长时间工作时，在温控开关的密封又小型的空间里温度会上升，这就影响温控开关的正常通断指标。

3.2温控开关、电磁继电器等组成的温控电路

3.2.1温控开关，电磁继电器等组成的温控加热电路有三种。一种是纯加热电路；另一种是加热和保温电路，即有一个加热分路，还有一个保温分路，第三种是选用两种控制温度不同的温控开关，一个控制总的加热电路，另一个控制一个加热支路，达到控制不同温度的目的。纯加热温控电路示意图见图2，加热和保温温控电路示意图见图3，两种控制温度不同的温控开关电路示意图见图4。

图2 温控开关，电磁继电器等组成的纯温控加热电路示意图

Fig 2 Temperature switches, electromagnetic relays composed of pure temperature-controlled heating circuit diagram

图3温控开关，电磁继电器等组成的加热和保温温控电路示意图

Fig 3 Temperature switches, electromagnetic relays composed of heating and insulation temperature control circuit diagram

图4 两个控制不同温度的温控开关串联与电磁继电器等组成的温控电路电路示意图

Fig4 Two different temperature control temperature control switch in series with the electromagnetic relay circuit composed of temperature control circuit diagram

3.2.2温控开关、电磁继电器等组成的温控加热电路的优缺点

3.2.2.1温控开关、电磁继电器等组成的温控电路的优点

电磁继电器在电路中起到对电池组加热电流的分流作用，电路中百分之九十以上的电流可从电磁继电器流通。很小部分的电流通过温控开关通道，这种电路在工作过程中温控开关内部的温升很小，温控开关随加热电路的工作时间增长和多次反复工作其接通断开的温度特性指标变化很小。这就克服了单一温控开关电路的缺点。

3.2.2.2温控开关、电磁继电器等组成的温控加热电路的缺点

与单一温控开关电路相比多了一个电磁继电器这在一定程度上降低了温控开关的可靠性。曾出现过在电池组的使用前准备时，电路在加热的接通工作中，由于电磁继电器的接触动点粘连，使得电路不能正常断开的故障。由于多了电磁继电器在一定程度上增加了电池组的体积、重量和成本。

4 温控开关的使用误区

有的设计人员把两个或两个以上相同型号、相同性能的温控开关并联或串联使用（示意图见图5，图6），想用来降低通过单个温控开关的电流及提高加热温控电路的可靠性，这种设计是不可取的，尽量不使用。

图5 两个温控开关并联的单一温控开关组成的温控加热电路电路示意图

Fig 5 Two temperature-controlled switches in parallel consisting of a single temperature-controlled switch circuit diagram of temperature control heating circuit

两个温控开关并联使用在正常加热时固然可以使电路里的电流分担在两个温控开关上，降低了通过每个温控开关的电流和温控开关自身的发热量，认为可提高接通电路的可靠性，认为当一个温控开关出现故障，不能接通时，另一个温控开关还可以保障接通电路。但是使用两个或两以上的温控开关并联会降低断开加热电路的可靠性，一旦有一个温控开关失效了，不能断开，则加温电路就不能断开了。而两个或两以上的温控开关的接通与断开的温度指标不可能xx相同，即使电池组装配前通过对温控开关的严格筛选，选用和配组在一个电池组内的多个温控开关的接通与断开的温度指标非常接近，似乎可以认为选用xx相同。但是从生产角度来看接通与断开的温度指标xx相同（接通与断开温度xx重合）是不可能的，另外温控开关装在电池组里随电池组的干态储存，也会引发控制通断性能的零部件（双金属片）性能变化，尽管可能是微量的变化，但也会增加两个温控开关接通与断开的温度指标差异（加大接通与断开的温度指标差距）。在加热电路加热工作中，如果一个温控开关到达断开温度断开时，电路里的电流会全部加到另一个温控开关上。电流的加大，易使后断开的温控开关触点出现拉弧现象，一旦出现拉弧，温控开关的触点温度会升高，就易发生触点粘连，导致温控开关失效，这样加热电路就不会断开了，如不及时的切断加热电路的加热电源会给化学电源造成严重的后果。

图6 两个温控开关串联的单一温控开关组成的温控加热电路电路示意图

Fig 6 Two temperature-controlled switches in series consisting of a single temperature-controlled switch circuit diagram of temperature control heating circuit

两个温控开关串联使用，目的是想增加加热电路的断开可靠性。一旦一个温控开关断开了，加热电路就断开了。但是这种电路降低了接通的可靠性，如果一个温控开关不能接通，则加热电路就不会接通了。并降低了电路的可靠度。

从串联系统的可靠度的计算原理可知：

温控开关串联加热电路计算原理示意图，见图7

图7 串联系统可靠度计算原理示意图

Fig7 Schematic diagram of series system reliability calculation

已知温控开关Ai的可靠度为Ri(i=1,2,3┄┄n),则系统的可靠度Rs为

由于Ri是温控开关Ai完成预定功能的概率，即

0<Ri≤1,   i=1,2,3,┄,n

所以采用串联连接使用，其系统的可靠度小于（或等于）单一使用一个温控开关的可靠度，即0<Rs≤Ri,    i=1,2,3,┄,n

从并联系统的可靠度的计算原理可知：

并联系统可靠度计算原理示意图，见图8

图8 并联系统可靠度计算原理示意图

Fig8 Schematic diagram of parallel system reliability calculation

如温控开关并联加热电路系统S由n个独立的温控开关A₁,A₂,┄，An组成，若n个温控开关都失效后，则加热电路系统S才能失效。

对于温控开关并联加热系统S，如果已知Ai的可靠度是Ri(i=1,2,┄,n),即Ai的不可靠度为Fi=1─Ri。由于所有的温控开关都失效后，温控开关控制的加热电路系统才失效，故系统S的不可靠度F为

所以温控开关并联加热系统S的可靠度Rs满足下式

即有

从上式可以看出温控开关并联加热系统S的可靠度比每个单独使用一个温控开关电路的接通可靠度都高。对只有接通要求的温控开关电路并联使用多个温控开关是可以提高系统的可靠度，这时的并联系统是一种平行储备系统，又称冗余系统。但对于接通和断开都有要求的温控开关电路采用两个或两个以上的温控开关并联使用不能全面提高电路的可靠度，建议慎重选用。

多个温控开关串联或并联使用及多个电磁继电器串联或并联使用，还会增加电池组使用元器件的成本，一定程度上增加电池组的重量，或许还会增加电池组的体积。所以，一般不主张两个或两个以上的温控开关、电磁继电器的串联或并联使用。

多个温控开关串、并联与电磁继电器等组成的温控电路（电路示意图见图9）与多个温控开关串、并联的单一温控开关组成的温控电路电路基本相似，优缺点相同。

图9两个温控开关并联与电磁继电器组成的温控电路电路示意图

Fig9 Two temperature-controlled switches in parallel with the composition of the electromagnetic relay circuit diagram of temperature control circuit

5 提高温控开关加热电路可靠性的措施

温控开关电路在空间电源上是作为一个“加热系统”而配套的。它的可靠性是由组成温控开关电路的各个元器件，原材料及制作工艺等因素决定的。根据多年的工作经验总结，提高温控开关加热电路可靠性具有以下措施。

5.1 加强对温控开关，电磁继电器等元器件进库前和装配前的复验和筛选

尽管生产厂家对温控开关，电磁继电器等元器件的生产过程进行了严格的质量控制和质量管理，出厂前按产品的技术条件进行了严格的测试，给产品出具了产品合格证或质量保证书；但使用单位在进库前和装配前仍要进行复验和筛选，以确保温控开关电路可靠。应进行触点的通断复验和产品基本一致性的筛选。复验和筛选的方法要和温控开关、电磁继电器生产单位的检验方法相一致，这样才能对被测产品有一个公正的结果。复验是对在电池产品上使用的主要技术指标的认同，筛选，是因为温控开关、电磁继电器在库房内存放一段时间后某些技术指标又会发生一些变化，可进一步剔除不符合要求的产品。

5.2 设计人员要根据电池产品的配套装配要求，选择符合质量等级的温控开关、电磁继电器等元器件，切不可以牺牲质量来降低电池产品的成本。

5.3设计人员对温控开关电路里所选用的各种元器件，原材料的容许通过电流主要技术指标要考虑有百分之三十以上的冗余量。绝不可以百分之百的使用产品的技术指标。但也不要过度的考虑冗余量，而出现大马拉小车的现象。

5.4在电池组内部装配条件容许的条件下，尽可能选用大（外形尺寸，负载功率等）一些的充氮密封温控开关和密封电磁继电器。因为越小的密封温控开关和密封电磁继电器其内部空间越小，要求配套使用的零件越小，其使用功率越小，相对来说可靠性要低一些。

5.5设计人员在设计上使用非密封的温控开关和电磁继电器时要注意对产品上的通气孔（通风面）的防多余物的保护处理，但又不要过大的阻止气体的流通。

5.6非密封的温控开关和电磁继电器不能在潮湿，低温（冰点以下）的环境下使用；因为触点部位一旦结冰、结霜，就会影响电路的正常通断。

5.7要选用多股的塑料棉纱包覆导线作为线路的连接线，因为其柔韧性好，能弯曲又不易折断、强度好、电绝缘性好。

5.8 电热丝制成的加热带，其电热丝之间的距离要适当，距离太小时临近的电热丝易相碰，形成局部短路，距离太大时加热不均匀。如电热丝间只能小距离排布，应在进行包覆工序时要先把电热丝固定。

5.9电热丝的无机编织包覆物要进行绝缘处理，防止碱（酸）液、（气）的渗透，必要时可以对无机编织包覆物表面进行喷塑处理。

5.10焊接点要规范，不能过大，焊接点要进行绝缘处理和包覆。

5.11尽可能使用无铅封焊技术，有利于环境保护和操作人员健康。

5.12温控开关加热电路（电池上的加热系统）在电池上装配好后，要进行3～5次的电路通、断检测。对电路存在的问题可早发现及时处理，以确保使用上的可靠。

6 温控开关加热电路使用过程中出现的异常现象和处理

用温控开关加热电路对低温环境下电池组加热在线路的调试和使用过程中有时会有以下异常现象出现。

6.1加热时间很短电路就断开

6.1.1异常现象的表现

温控开关加热电路接通后给电池组加热，加热时间很短电路就断开，测量电池组内单体电池的温度并没有到达所需的温度。

6.1.2异常现象的原因和处理

6.1.2.1异常现象的原因

产生这种现象原因通常是温控开关的位置放置有误。温控开关的温度敏感面直接贴到加热带的电热丝上，使得温控开关温升较快，很快就到达断开温度，致使加热电路断开。

6.1.2.2处理方法

A 移动温控开关的位置。温控开关的温度敏感面移开电热丝，不要直接贴到加热带的电热丝上。

B 在温控开关的温度敏感与加热带之间插入隔热片（通常采用环氧玻璃钢板或石棉板），用以延长热量的传导时间，从而加热时间。

6.2加热时间很长加热电路仍不能断开

6.2.1异常现象的表现

电路接通后给电池组加热，加热时间很长电路仍不断开，测量电池组内单体电池的温度已超过所需的温度。

6.2.2异常现象的原因和处理

6.2.2.1异常现象的原因

产生这种现象原因通常是温控开关的位置放置有误。温控开关的温度敏感面远离了加热带的电热丝，延长了热的传导时间。温控开关的温度敏感面装配反了，使得温控开关温升较慢，很长时间才到达断开温度，才使加热电路断开。

6.2.2.2处理方法

A 移动温控开关的位置，温控开关的温度敏感面靠近加热带的电热丝，但不要直接贴到加热带的电热丝上。

B 在温控开关的温度敏感与加热带的电热丝之间减少插入的隔热片（通常采用环氧玻璃钢板或石棉板）用量或厚度，用以缩短加热时间。

C 缩短加热带内电热丝之间的距离，使加热更加均匀。

D 更正安装反了的温控开关的温度敏感面。

6.3温控开关加热电路通断非常频繁

6.3.1现象

在给电池组加热时，加热温度到达温控开关断开温度后会正常断开；而后再接通，其后电路里的电流表指针显示会通断非常频繁。

6.3.2现象的原因和处理

6.3.2.1原因

这种现象并非温控开关的失效，也不是加热电路有问题。常出现在使用非密封温控开关的加热电路上，非密封温控开关的回复温度较小，最小的可以控制在标称温度的±1⁰C间通断，使加热通断非常灵敏。出现这种现象不是温控开关的问题，不会使电路失效。

6.3.2.2处理方法

可选择接通断开间隔大的温控开关更换掉通断非常灵敏，再重新装配。

6.4温控开关加热电路不接通

6.4.1现象

在接上加热电源时，电池组加热系统电路不接通，电池组不能加热。

6.4.2现象的原因和处理:

6.4.2.1原因

电池组的加热电路处于断路状态，温控开关失效，电磁继电器失效。

6.4.2.2 处理方法

查出断路处重新焊接好接通；更换失效的温控开关失；更换失效的电磁继电器。

6.5温控开关加热电路不能断开

6.5.1现象

在接上加热电源时，电池组加热系统电路接通，但长时间加热电路不能断开，电池组加热时间过长，电池组里的单体电池温度远远超过所需温度。

6.5.2现象的原因和处理

6.5.2.1 原因

温控开关加热电路里的温控开关失效或电磁继电器失效。

6.5.2.2处理方法

更换失效的温控开关或失效的电磁继电器。若不能及时更换失效的电子元件时，要及时切断加热电源，严防电池组损坏。为严防万一，设计{zh0}给出电池组低温下加热时需要人为断开加热的参考时间曲线。

7 结束语

温控开关加热电路是一个最简单的电路，可靠性高，故障好查找，故障原因易分析的电路；已成功的应用在空间用化学电源的低温环境下对电池组的加热上。温控开关加热电路的成功设计和应用解决了化学电源（电池组）在低温环境下的可使用问题，并提高了空间用化学电源（电池组）使用上的灵活性和机动性。温控开关加热电路对其它领域里使用的化学电源（电池组）、在低温环境下需要加热才能正常工作的电子产品都具有推广应用的价值。

作者介绍：

兰星，工程师， 主要研究方向为化学电源及工艺技术；

张彬彬，助理工程师  主要研究方向为化学电源技术管理；

邹睿，高级工程师， 主要研究方向为化学电源及工艺技术；

隗玉林，研究员    主要研究方向为化学电源

本文联系人，隗玉林