СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПРОВЕДЕНИЯ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНОЙ МЕТАЛЛ-ВОДОРОДНОЙ БАТАРЕИ Российский патент 2003 года по МПК H01M10/44 H01M10/34 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации герметичной металл-водородной аккумуляторной батареи.

Известен способ определения времени проведения заряда металл-водородной аккумуляторной батареи (МВАБ) [см.1, стр.262], принятый за аналог. Способ-аналог определения времени проведения заряда заключается в следующем. Заряд начинается в момент времени, при котором за счет саморазряда или разряда давление в корпусе батареи становится равным установленному в алгоритме управления уровню, и по показаниям аналоговых датчиков давления блок управления подключает зарядное устройство к батарее. При повышении в процессе заряда давления в корпусе батареи до установленного в алгоритме управления уровня по показаниям аналоговых датчиков давления блок управления отключает зарядное устройство от аккумуляторной батареи. Заряд отключается также при срабатывании контактов дискретного датчика давления, настроенного на предельно допустимое давление.

Описанный способ позволяет проводить заряд батареи не на предельных уровнях давления и гибко управлять уровнем заряженности батареи в зависимости от требуемой для питания нагрузки разрядной энергии.

Однако этот способ не позволяет учитывать влияния внешних условий на выбор времени проведения заряда, в частности не учитывается влияние температуры батареи. Этот способ можно применять только при какой-то определенной температуре, так как давление водорода, как и любого газа, зависит от температуры. Так, при нахождении космического аппарата (КА) на теневом участке орбиты давление в МВАБ будет падать за счет ее охлаждения, что может привести к более раннему включению заряда, и, как следствие, возможен риск постоянного перезаряда МВАБ, что может вывести ее из строя. В случае нахождения КА на солнечной стороне, наоборот, невозможно будет зарядить МВАБ до требуемых значений емкости, так как давление водорода будет повышаться за счет нагрева батареи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является способ определения времени проведения заряда герметичной МВАБ, принятый авторами за прототип [2]. Этот способ включает измерение давления водорода в батарее и температуры батареи, определение по измеренным значениям текущего уровня заряженности батареи, сравнение текущего уровня заряженности батареи с заданными значениями верхнего и нижнего уровней заряженности батареи.

В способе прототипе температура батареи учитывается для определения плотности водорода, характеризующей реальный уровень заряженности МВАБ, что уменьшает риск перезаряда и недозаряда МВАБ.

Существенным недостатком способа-прототипа, как и способа-аналога, является отсутствие выбора времени проведения заряда в зависимости от внешних условий эксплуатации батареи. В частности, температура батареи хотя и присутствует как фактор, участвующий в расчете плотности водорода, но она не входит явным образом в определение времени проведения заряда. Также не учитываются тепловые потоки, которые оказывают влияние на температуру батареи в ходе заряда. В то же время температурный режим МВАБ является одним из существенных факторов. Достаточно указать, что емкость, до которой можно зарядить батарею, напрямую зависит от температуры на ней (см.[3]). В связи с этим при воздействии внешних тепловых потоков на батарею возможен случай, когда будет невозможно достигнуть величины требуемого уровня заряженности из-за ее перегрева, что в свою очередь может привести к аварийной ситуации на КА.

Указанные недостатки способа-прототипа способствуют также более быстрому протеканию деградационных явлений в МВАБ (уменьшение активности окисно-металлических электродов, например окисно-никелевых электродов, и, как следствие, уменьшение максимальной емкости МВАБ, увеличение скорости саморазряда и т.д.).

Задачей, стоящей перед предлагаемым способом, является определение оптимального времени проведения заряда герметичной МВАБ заданными токами до заданного уровня заряженности с учетом внешних тепловых потоков, действующих на МВАБ.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения времени проведения заряда герметичной МВАБ, включающем измерение давления водорода в батарее, измерение температуры батареи, определение по измеренным значениям текущего уровня заряженности батареи, сравнение текущего уровня заряженности батареи с заданными значениями верхнего и нижнего уровней заряженности батареи, в отличие от известного предварительно определяют диапазон температур батареи в режиме заряда, на котором будет обеспечиваться оптимальный режим заряда батареи заданными токами на фиксированном интервале времени, а в процессе саморазряда батареи от верхнего уровня заряженности до нижнего фиксируют измерения температуры батареи и текущие значения уровней ее заряженности, и определяют допустимые для заряда батареи интервалы времени, в пределах которых температура батареи не выйдет за границы предварительно определенного диапазона температур, далее, перед началом каждого допустимого для заряда интервала времени проверяют выполнение условия превышения нижнего уровня заряженности батареи с начала текущего интервала до начала последующего допустимого для заряда интервала, и если оно не выполняется, то заряд производят на текущем допустимом для заряда интервале времени, в противном случае производят проверку вышеуказанного условия на последующих допустимых для заряда интервалах времени.

Кроме того, предлагается в указанном способе дополнительно определять последующие допустимые для заряда интервалы времени по измерениям температур и уровней заряженности батареи от момента времени окончания предыдущего заряда до данного момента времени.

А также поставленная задача решается тем, что дополнительно заданные значения температуры батареи и саморазряда определяют по результатам измерений этих параметров на предшествующем цикле заряд-саморазряд.

Решение этой задачи позволит проводить заряд в оптимальном режиме для конкретных условий эксплуатации, что, в свою очередь, позволит свести ухудшение электрохимических характеристик батареи к минимуму и максимально эффективно использовать запасаемую энергию.

Для раскрытия сущности предлагаемого изобретения рассмотрим пример наиболее широко применяемых на практике никель-водородных аккумуляторных батарей (НВАБ) с общим газовым коллектором. Подобная НВАБ состоит из герметичного корпуса и электрической батареи (ЭБ), которая, в свою очередь, представляет собой механическую сборку из Nа аккумуляторных ячеек. Каждая аккумуляторная ячейка содержит Na аккумуляторов. Пространство между ЭБ и герметичным корпусом является общим для всех аккумуляторов газовым коллектором. Температурный режим НВАБ регулируется с помощью теплоотводящего устройства, соединенного с помощью тепловых труб с ЭБ. В условиях космического пространства наиболее часто в качестве теплоотводящего устройства применяют радиационный теплообменник (РТО).

Рассмотрим суть предлагаемого изобретения. Для этого в качестве параметров состояния МВАБ используем нижеследующие величины:
T_ЭБV - среднеобъемная температура ЭБ, К;
Т_K - средняя температура корпуса, К;
Т_PTO - температура РТО, К;
С - электрическая емкость батареи, А•ч;
С_b - максимальная установленная электрическая емкость батареи, А•ч;
С_n - зарядная электрическая емкость батареи, достигнутая в заряде при заданной температуре, А•ч;
В описании изобретения для раскрытия его сущности приводятся нижеследующие фигуры:
На фиг.1 приведен график, характеризующий зависимость зарядной электрической емкости батареи от температуры аккумуляторного блока. Используется следующие относительные шкалы. По оси Y отложены величины отношения зарядной емкости А•ч при заданной температуре к максимальной установленной емкости

По оси Х отложена величина отношения температуры Т_ЭБV к величине Т₀= 373,13 К

Буквой "а" обозначена зона рабочих температур батареи, а буквой "б" - область оптимальных температур с экстремальным значением Т_ОПТ=0,7932.

На фиг. 2 приведены графики значений температур корпуса и РТО, реальной НВАБ, находящейся в эксплуатации в качестве составной части системы электроснабжения действующего КА, на протяжении одного зарядно-разрядного цикла, отраженного в текущем времени t, час.

На фиг.3 приведен график, показывающий отношение текущего уровня емкости С_n рассматриваемой НВАБ к установленному уровню электрической емкости С_b для того же зарядно-разрядного цикла, отраженного в текущем времени t, час.

На фиг.4 приведен график рассчитанной величины температуры ЭБ (T_ЭБV) того же зарядно-разрядного цикла НВАБ.

На фиг. 5 представлена блок-схема системы для реализации предлагаемого способа.

В [1] подробно показано, как зарядная емкость батареи зависит от многих факторов, как конструктивного плана, так и условий заряда, в частности от температуры. При конструировании и проведении экспериментальной отработки МВАБ, как правило, подбирают значение зарядного тока величиной в I(U) (здесь U - общее напряжение МВАБ) и ею профиль (например, в [1] стр. 260, описан профиль зарядного тока в виде прямоугольных импульсов частотой 20 кГц). В процессе эксплуатации батареи значение зарядного тока и его профиль поддерживаются при помощи зарядных устройств.

На начальном этапе испытаний МВАБ предлагается определить диапазон температур батареи в режиме заряда, на котором будет обеспечиваться оптимальный режим заряда батареи заданными (номинальными) токами.

Наиболее часто при проведении зарядно-разрядных циклов при испытаниях МВАБ в качестве контрольной температуры принимают среднеобъемную температуру ЭБ (T_ЭБV) как наиболее технологичную в плане приближения измерения к непосредственно физико-химическим процессам, протекающим в батарее. Возможны и другие варианты выбора места измерения температур в МВАБ для аналогичных испытаний, например, температуры корпуса МВАБ, или хладагента, производящего охлаждение батареи. Однако, в отличие от первого варианта, во всех других требуется математическая модель пересчета тепловых потоков для получения температуры непосредственно АБ.

Одними из типовых являются испытания батареи с целью определения протекающих нестационарных процессов в МВАБ при ее перезаряде, при этом экспериментальным путем определяют зависимость С_n от T_ЭБV. График, определяющий указанную зависимость для никель-водородной ЭБ, взятый из [3], приводится на фиг. 1. Из графика видно, что температурная зависимость С_n имеет одномодальный вид. Как отмечено в указанном отчете, падение значения С_n в области повышенных температур объясняется процессом саморазряда положительных электродов аккумуляторных ячеек. А левая ветвь кривой С_n связана с уменьшением кинетических характеристик электролита при низких значениях температуры.

Следовательно, максимум указанной кривой является той оптимальной точкой, к которой необходимо стремиться при заряде МВАБ, так как в указанной точке указанные негативные процессы максимально снижены и коэффициент полезного действия (к.п.д.) заряда максимальный.

На графике фиг.1 указанному максимуму соответствует величина температуры АБ Т_ОПТ в 0,7932 ед. относительной шкалы, что соответствует ~22,8^oС. Если провести сопоставление графиков, взятых из рис XI.5 (см.[1], стр.259), и кривой, приведенной на фиг. 1, то можно сделать вывод, что точки одномодальной кривой на фиг. 1 соответствуют точкам перегибов бародинамических кривых на рис. XI.5. При этом кривая на фиг.1 расширяет характерные границы в сторону отрицательных температур.

Следовательно, если проводить заряд батареи не на полную емкость при температуре Т_ОПТ, то все равно он будет протекать с максимально возможными значениями к. п. д. заряда, так как основные процессы будут происходить до точек перегиба бародинамических кривых (на участках максимальной токовой доли основного процесса заряда).

Однако в реальных условиях эксплуатации МВАБ обеспечить заряд, поддерживая только оптимальную температуру на ЭБ, практически невозможно. Это связано с тем, что тепловые потоки в ЭБ находятся в общем балансе тепловых потоков, которые, в свою очередь, очень сильно зависят от условий эксплуатации батареи.

Рассмотрим для анализа один из наиболее характерных случаев эксплуатации МВАБ на космических аппаратах, находящихся в условиях космического полета.

Тепловой баланс МВАБ в рассматриваемом случае в каждый момент времени описывается выражением

где Q_КОРП [Вт] - тепловой поток между корпусом и окружающими батарею конструктивными элементами отсека КА, включая электронагреватели, - рассчитываемая величина;
Q_ПОГЛ [Вт] - поглощенный радиационным теплообменником внешний тепловой поток (от Солнца - на освещенном участке орбиты, от Земли - на теневом участке) - рассчитываемая величина;
Q_ИЗЛ [Вт] - излученный радиационным теплообменником тепловой поток - рассчитываемая величина;
Q_ЭБ [Вт] - тепловыделение в батарее - известная величина, определяется режимом ее работы (заряд, разряд, саморазряд);
С_ЭБV [Дж/К] - интегральная теплоемкость электрической батареи - известная величина, определена экспериментально-расчетным путем при наземной отработке батареи;
T_ЭБV [К] - среднеобъемная температура электродной группы батареи - рассчитываемая величина;
С_КОРП [Дж/К] - интегральная теплоемкость корпуса - известная величина, определена расчетным путем по конструкции;
Т_К [К] - средняя температура корпуса, определяется по датчикам температуры, установленным на корпусе МВАБ.

Тепловой поток между корпусом и окружающими батарею конструктивными элементами отсека космического аппарата определяется выражением
Q_КОРП = ε_ПРσS_КОРП(T4КОРП

-T4ОTС) (2)
где ε_ПР - приведенная излучательная способность (степень черноты) корпуса - известная величина;
σ=5,67•10-8 [Вт/(м²-К⁴)] - постоянная Стефана-Больцмана;
T_ОТС [К] - средняя температура конструктивных элементов отсека размещения батареи - определяется по датчикам температуры в отсеке.

С другой стороны, тепловой поток между корпусом и окружающими батарею конструктивными элементами равен тепловому потоку между корпусом и наружной поверхностью электрической батареи, который описывается выражением

где λ_H [Вт/(м•К)] - коэффициент теплопроводности водорода - известная величина;
h_Н [м] - средняя толщина слоя водорода между корпусом и наружной поверхностью электрической батареи - известная величина, определена расчетным путем по конструкции;
Т_НПЭБ [К] - температура поверхности электрической батареи - рассчитываемая величина.

В частном случае, если корпус батареи теплоизолирован, то Q_КОРП=0.

Поглощенный теплообменником внешний тепловой поток от Солнца или от Земли определяется соответственно выражениями (3) и (4):
Q_КОРП = q_scos(β)A_S0S_РTО (4)
где q_s= 1360-1400 [Вт/м²] - Солнечная постоянная (значение зависит от положения Земли на орбите);
β[рад] - угол падения Солнечного излучения на радиационный теплообменник;
A_s0 - начальное значение интегральной поглощательной способности Солнечного излучения терморегулирующего покрытия радиационного теплообменника - известная величина, определена расчетно-экспериментальным путем при наземной отработке;
S_РТО [м²] - площадь радиационного теплообменника - известная величина
Q_ПОГЛ = q₃ε_Р0S_РTО (5)
где q₃ [Вт/м2] - удельный тепловой поток от Земли - известная величина, зависит от высоты орбиты космического аппарата;
ε_Р0 - начальное значение излучательной способности терморегулирующего покрытия радиационного теплообменника - известная величина, определена расчетно-экспериментальным путем при наземной отработке.

Излучаемый радиационным теплообменником тепловой поток определяется выражением
Q_ИЗЛ = ε_Р0σS_РTОT4РTО

(6)
где T_PTO [К] - температура радиационного теплообменника - определяется по датчику температуры.

Среднеобъемная температура электрической батареи в любой момент времени t1 определяется выражением

где Т_ЭБ (r, t) [К/(м•с)] - распределение температуры по поперечному размеру электрической батареи - рассчитываемая зависимость;
R [м] - поперечный размер электрической батареи от осевой линии - известная величина.

Нахождение распределения температуры по сечению электрической батареи в каждый момент времени относится к задачам прогрева и охлаждения тел, рассмотренных в теории теплопроводности.

Распределение температуры по поперечному размеру электрической батареи находится из решения граничной задачи

Граничными условиями для решения этой задачи являются определяемые тепловые потоки Q_КОРП на наружной поверхности электрической батареи и разность (Q_ИЗЛ-Q_ПОГЛ) на поверхности контакта внутренней поверхности электрической батареи с устройством теплоотвода.

Как видно из выражений (1)...(8), можно насчитать около десяти только внешних, наиболее характерных факторов, которые могут повлиять на Т_ЭБV. Это в дополнение к тому, что и сама электродная группа ЭБ в процессе заряда подвержена температурным изменениям.

Поэтому первоначально выбирается исходя из потребности КА в запасенной энергии и по полученным экспериментальным данным для батареи рабочий диапазон температур для эксплуатации ЭБ МВАБ.

Так, например, если эксплуатировать батарею на верхнем уровне ее заряженности (С_max)~95% (см.фиг.1) от возможного, то рабочий диапазон Ω_ЭБV составляет 0,75...0,83 единиц относительной шкалы (~6,8...36,7^oC).

Эти данные служат основой для расчета теплообмена конкретной МВАБ с окружающим пространством, выбора устройств для теплообменников и электронагревателей, обеспечивающих температурный режим ЭБ.

Из проектных документов на КА известен также нижний допустимый уровень заряженности МВАБ (С_min).

Авторами предлагается в рабочем диапазоне Ω_ЭБV (область "а" на фиг.1) при испытаниях определять оптимальный диапазон Ω_ЭБVОПT (область "б" на фиг. 1), который будет определяться изменениями температуры МВАБ при ее заряде штатными токами от нижнего до верхнего уровня электрической емкости С из термостабилизированного состояния (Т_К=Т_ЭБV= T_РТО) при имитации усредненных предполагаемых внешних условий эксплуатации. При этом температура Т_ОПТ должна являться средней температурой Т_ЭБV за время заряда.

Если перейти к выражению (1), то необходимо получить первоначально области-интервалы значений ΔT_ЭБV на интервале времени заряда от С_min до С_max для различных начальных условий по Т_ЭБV, близких к Т_ОПТ. Далее из указанных значений для оптимального диапазона необходимо выбрать ту область-интервал, для которой средняя за время заряда температура Т_ЭБVCP электрической батареи равна Т_ОПТ.

Средняя температура электрической батареи при заряде определяется выражением

Определенный вышеописанным образом для конкретной НВАБ оптимальный диапазон температур показан на фиг.1 и составляет 0,779...0,807 единиц относительной шкалы (~17,7...28,1^oС).

Практика эксплуатации МВАБ в условиях космического полета на КА предполагает измерение значений температуры батареи в целом на ее корпусе Т_К и на ее радиационном теплообменнике (РТО) Т_РТО.

На фиг.2 показан 2-суточный график изменения указанных температур никель-водородной батареи, на одном из КА, находящегося на геостационарной орбите.

Указанный 2-суточный интервал выбран в качестве законченного цикла, на котором происходит саморазряд батареи с последующим ее дозарядом.

При этом изменения уровня заряженности НВАБ представлены на фиг.3.

По уравнениям теплового баланса (1) - (9), используя значения, полученные на графиках фиг.2, можно определить изменение температуры Т_ЭБV в 2-суточном зарядно-разрядном цикле НВАБ (см.фиг.4).

Идеальным был бы вариант непосредственного измерения температуры электрической батареи, однако, на сегодняшний день это сопряжено с рядом технологических трудностей изготовления и эксплуатации батареи. Поэтому существующие конструкции НВАБ (см. [1]) предполагают установку температурных датчиков на ее корпусе и на теплообменных устройствах, обеспечивающих рабочий диапазон температур ЭБ.

Если выделить на фоне графика Т_ЭБV (t) определенный ранее оптимальный диапазон температур 0,779...0,807 (~17,7...28,1^oС), то сразу можно определить на 2-суточном цикле четыре (I, II, III, IV) допустимые для заряда интервалы времени (см.фиг.4), в пределах которых температура батареи не выходит за границы указанного диапазона.

Далее необходимо определить, какой из допустимых интервалов выбрать для заряда. Для этого сопоставляем по времени график изменения уровня заряженности батареи, приведенный на фиг.3, с графиком на фиг.4 и проверяем выполнение условия превышения уровнем заряженности батареи нижнего уровня С_min. При этом заряд должен быть произведен до того, как мы достигнем указанного минимального уровня.

Как видно из указанных графиков, проверка перед интервалами I, III, и IV показывает, что при существующей скорости протекания саморазряда последующий допустимый интервал достигается без включения батареи на заряд.

Если же не провести заряд на интервале II, произойдет саморазряд батареи ниже уровня С_min.

Таким образом, для заряда выбирается допустимый для заряда интервал II.

В процессе эксплуатации МВАВ из-за меняющихся внешних факторов, определяющих тепловые потоки, а также благодаря физико-химическим процессам, протекающим в самой батарее, приводящим к изменению ее характеристик, происходит постепенное изменение рассматриваемых температур и увеличение скорости саморазряда НВАБ. Динамика указанных изменений позволяет их учесть с достаточной степенью точности для каждого последующего цикла, если использовать для этого аналогичные полученные данные предшествующего ему цикла.

Кроме этого, в процессе непосредственного заряда батареи на выбранных оптимальных интервалах времени могут также происходить изменения в распределении температур внутри ЭБ. Для того чтобы учесть указанные изменения, предлагается их фиксировать в предыдущих процессах заряда, учитывая при этом уровни заряженности, с которых начинался заряд батареи. Далее при прогнозе заряда на последующих оптимальных допустимых интервалах использовать имеющуюся статистику для внесения поправок в определении момента времени начала заряда по температурам, полученным на ЭБ. При этом критерием оценки оптимальности заряда будет всегда являться величина, характеризующая приближение среднего значения Т_ЭБV на определенном интервале к оптимальному значению Т_ОПТ.

В качестве примера устройств, позволяющих провести реализацию предлагаемого способа, является часть приборного состава, установленном на одном из КА РКК "Энергия", показанная на фиг.5, где введены следующие обозначения:
1 - радиационный теплообменник (РТО);
2, 3 - тепловые трубы (ТТ1, ТТ2);
4 - металл-водородная аккумуляторная батарея (МВАБ);
5 - блок автоматики регулирования и контроля (АРК-100);
6 - система управления бортовой аппаратурой (СУБА);
7 - информационно-телеметрическая система (ИТС);
8 - устройство сопряжения (УС);
9 - мультиплексный канал обмена (МКО);
10 - бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ);
11 - бортовая аппаратура служебного канала управления (БАСКУ);
12 - наземный контур управления (НКУ).

Кроме этого введены обозначения:
- ДТ РТО - датчики температуры на рабочей поверхности РТО;
- ДТК - датчики температуры, установленные на корпусе МВАБ;
- ДД - датчики давления, установленные в МВАБ;
- ЗРУ - зарядное устройство.

Схема работает следующим образом.

РТО обеспечивает сброс избыточного тепла, выделяемого при работе МВАБ в окружающее пространство. Передача тепла от МВАБ к РТО осуществляется через тепловые трубы ТТ1 и ТТ2. На РТО установлены три датчика температуры ДТРТО, с выхода которых в ИТС поступает электрический сигнал, пропорциональный измеряемой температуре.

МВАБ - предназначена для работы в качестве вторичного источника электропитания КА. На корпусе МВАБ установлены три датчика температуры ДТК, с выхода которых в ИТС поступает электрический сигнал, пропорциональный измеряемой температуре. В корпусе МВАБ установлены также три датчика давления, с выхода которых в ИТС поступает электрический сигнал, пропорциональный измеряемому давлению водорода в газовом коллекторе МВАБ.

ИТС выполняет функции сбора телеметрической информации (ТМИ) от аналоговых, температурных и дискретных датчиков (в данном случае от ДТРТО, ДТК, ДД) и преобразования ее в цифровую форму.

Обмен цифровой информацией между устройствами КА осуществляется через МКО.

БЦВМ в рассматриваемом примере осуществляет прием информации от ИТС, ее обработку для расчета плотности водорода, передачу результатов расчета в НКУ, выдачу команд на включение заряда МВАБ по наступлению расчетного времени, полученного от НКУ, и отключение заряда после достижения требуемого значения плотности водорода.

БА СКУ - бортовая аппаратура служебного канала управления, которая служит для связи НКУ по каналу обмена цифровой информацией с БЦВМ.

УС - устройство сопряжения, в данном примере осуществляет прием информации (команды на включение или отключение заряда МВАБ) от БЦВМ и выдачу ее в СУБА.

СУБА - система управления бортовой аппаратурой, осуществляет преобразование и усиление командной информации (команды на включение или отключение заряда МВАБ).

АРК-100 - блок автоматики регулирования и контроля, в состав которого входит зарядно-разрядное устройство (ЗРУ), которое осуществляет включение или отключение по команде из СУБА заряда МВАБ.

НКУ - наземный контур управления, обеспечивает накопление показаний датчиков и рассчитанной БЦВМ величины плотности водорода в общем газовом коллекторе МВАБ по переданной БА СКУ ТМИ, определение оптимального времени заряда по вышеизложенному способу и пересылку рассчитанной информации на КА.

Эффективность и полезность предлагаемого способа может быть проиллюстрирована на основе анализа экспериментальных данных, приведенных в отчете [3].

При анализе причин и механизма регресса характеристик ЭБ НВАБ в [3], в частности, показано, что ресурс никель-водородного аккумулятора определяет, прежде всего, окисно-никелевый электрод. Окончательно установлено, что главной причиной ухудшения характеристик ЭБ является рост дефицита влагосодержания батареи и смещение рабочей точки в "сухую" область из-за изменения пористой структуры окисно-никелевого электрода (ОНЭ) под воздействием выделяющегося при заряде кислорода, фазовых переходов и коррозии никелевой основы.

Выделяющийся при заряде кислород помимо "локальных" эффектов, влияющих на отдельные заряд-разрядные циклы (выдавливание электролита из ОНЭ и уменьшение рабочей поверхности его активного слоя, затопление водородных электродов (ВЭ) и повышение температуры при рекомбинации кислорода с водородом на ВЭ), оказывает и необратимое действие на пористую структуру ОНЭ. Это чисто механическое воздействие на материал стенок пор.

В соответствие с законами образования новой газовой фазы в жидкой среде выделяющийся в конце заряда кислород обладает большим давлением, чем капиллярное давление жидкости и тем более, чем давление водорода в общем газовом коллекторе. Таким образом, ОНЭ в конце каждого заряда испытывает "внутреннее" избыточное давление, максимум которого наступает в первые моменты разряда, когда давление водорода, окружающего батарею, начинает падать. Периодичность заряд-разрядных циклов является причиной динамического характера этого воздействия.

Эксплуатация ЭБ НВАБ в зоне повышенных температур (см.фиг.1) увеличивает периодичность заряд-разрядных циклов, что в свою очередь приводит к более быстрому появлению усталостных дефектов в материале электрода (приводит к появлению и росту трещин).

Аналогичный анализ процессов, происходящих при фазовых переходах в ОНЭ и коррозии никеля в условиях ОНЭ, также показывает, что чем больше эксплуатация уходит из зоны оптимальных температур, тем более быстро наступают эффекты регрессии ЭБ из-за изменения пористой структуры электрода (набухания электрода).

Испытания батареи продолжаются, однако уже сейчас можно отметить, что эксплуатация батареи в зоне повышенных температур (правой части графика, см. фиг. 1) приводит к увеличению скорости саморазряда батареи на 10...15 процентов, т.е. увеличению периодичности заряд-разрядных циклов.

Применение предлагаемого способа также позволяет получить прямой экономический эффект. Очевидно, что обеспечение заряда в оптимальном температурном диапазоне позволяет получить большую энергоотдачу из аккумуляторной батареи при последующем разряде по сравнению с энергоотдачей при заряде в рабочем диапазоне температур тем же током и в течение того же времени, так как при заряде в оптимальном диапазоне температур достигается более высокий уровень заряженности батареи. Следовательно, при одних и тех же условиях эксплуатации - отдаваемых в нагрузку энергии, зарядных токах - применение указанного способа позволяет использовать батарею с меньшей полной энергоемкостью и, соответственно, с меньшей стоимостью.

Для иллюстрации рассмотрим пример применения предлагаемого способа при эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи на космическом аппарате "Ямал-100", выведенном на геостационарную орбиту РКК "Энергия" в 1999 году.

Батарея КА "Ямал-100" эксплуатируется в следующем режиме:
- температура электрохимической группы батареи изменяется в течение одного витка от 6,8 до 36,7^oС или 0,75...0,83 единиц относительной шкалы;
- энергия, отдаваемая в бортовую нагрузку, должна составлять не менее 39 А•ч;
- аварийный резерв в батарее после разряда на нагрузку должен составлять не менее 22 А•ч.

Таким образом, полная емкость батареи С_КА, отдаваемая КА, должна составлять не менее 61 А•ч.

При заряде батареи без учета влияния температуры на эффективность заряда необходимо учитывать, что заряд может происходить и при крайних значениях эксплуатационных температур, то есть эффективность заряда С_n может составлять не более 0,95. Следовательно, при заряде с такой эффективностью для исключения перезаряда установленная емкость батареи С_b должна составлять не менее

При заряде батареи по предлагаемому способу и с учетом возможностей устройств термостатирования батареи температура электрохимической группы может быть обеспечена в диапазоне 0,779...0,807 ед. относительной шкалы, следовательно, эффективность оптимального заряда С_OPT составит 0,99. При заряде с такой эффективностью установленная мощность батареи составит

Таким образом, внедрение предлагаемого способа позволяет использовать на КА батарею с установленной емкостью 61,6 А•ч вместо 64,2 А•ч, что составит экономию порядка 2100 долл. США по каждой батарее.

Литература
1. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. "Металл-водородные электрохимические системы. Теория и практика", Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989.

2. Авторское свидетельство РФ 2084055, МПК: H 01 M 10/44, 1995.

3. Отчет 8819Т-98, Уральский электрохимический комбинат, 1998.

Изобретение относится к способам эксплуатации герметичных металл-водородных аккумуляторных батарей (МВАБ). Техническим результатом изобретения является определение оптимального времени проведения заряда герметичной МВАБ заданными токами до заданного уровня заряженности с учетом внешних тепловых потоков, действующих на МВАБ. Согласно изобретению в способе определения времени проведения заряда герметичной МВАБ, включающем измерение давления водорода в батарее, измерение температуры батареи, определение по измеренным значениям текущего уровня заряженности батареи, сравнение текущего уровня заряженности батареи с заданными значениями верхнего и нижнего уровней заряженности батареи и определение по заданным значениям температуры батареи и саморазряда интервала времени проведения заряда по результатам сравнения, предварительно определяют диапазон температур батареи в режиме заряда, на котором будет обеспечиваться оптимальный режим заряда батареи заданными токами на фиксированном интервале времени, а в процессе саморазряда батареи от верхнего уровня заряженности до нижнего фиксируют измерения температуры батареи и текущие значения уровней ее заряженности и определяют допустимые для заряда батареи интервалы времени, в пределах которых температура батареи не выйдет за границы предварительно определенного диапазона температур, далее перед началом каждого допустимого для заряда интервала времени проверяют выполнение условия превышения нижнего уровня заряженности батареи с начала текущего интервала до начала последующего допустимого для заряда интервала, и если оно не выполняется, то заряд производят на текущем допустимом для заряда интервале времени, в противном случае производят проверку указанного условия на последующих допустимых для заряда интервалах времени. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения времени проведения заряда герметичной металл-водородной батареи, включающий измерение давления водорода в батарее, измерение температуры батареи, определение по измеренным значениям текущего уровня заряженности батареи, сравнение текущего уровня заряженности батареи с заданными значениями верхнего и нижнего уровней заряженности батареи, отличающийся тем, что предварительно по экспериментальным данным на начальном этапе испытаний батареи определяют диапазон температур батареи в режиме заряда, на котором будет обеспечиваться оптимальный режим заряда батареи заданными токами на фиксированном интервале времени, а в процессе саморазряда батареи от верхнего уровня заряженности до нижнего фиксируют измерения температуры батареи и текущие значения уровней ее заряженности и определяют допустимые для заряда батареи интервалы времени, в пределах которых температура батареи не выйдет за границы предварительно определенного диапазона температур, далее перед началом каждого допустимого для заряда интервала времени проверяют выполнение условия превышения нижнего уровня заряженности батареи с начала текущего интервала до начала последующего допустимого для заряда интервала, и если оно не выполняется, то заряд производят на текущем допустимом для заряда интервале времени, в противном случае производят проверку вышеуказанного условия на последующих допустимых для заряда интервалах времени. 2. Способ определения времени проведения заряда герметичной металл-водородной батареи по п. 1, отличающийся тем, что определение последующих допустимых для заряда интервалов времени производят по измерениям температур и уровней заряженности батареи от момента времени окончания предыдущего заряда до текущего момента времени. 3. Способ определения времени проведения заряда герметичной металл-водородной батареи по п. 1, отличающийся тем, что заданные значения температуры батареи и саморазряда определяют по результатам измерений указанных параметров на предшествующем цикле заряд - саморазряд.