СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2006 года по МПК H01M10/44 H02J7/02 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ).

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи происходит разбалансировка аккумуляторов по емкости. Это может быть следствием разных условий охлаждения отдельных аккумуляторов в батарее, наличия в отдельных аккумуляторах внутренних микрошунтов, пассивация активной массы аккумуляторов из-за неблагоприятных условий их эксплуатации и многих других факторов. Поэтому появление в процессе разряда аккумуляторной батареи полностью разряженного аккумулятора, когда батарея в целом имеет достаточную емкость, вполне реально и неоднократно подтверждалось на практике.

В настоящее время на практике в большинстве случаев разряд батареи прекращают по минимальному напряжению аккумуляторов, что снижает эффективность использования аккумуляторной батареи в целом.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи путем проведения зарядно-разрядных циклов и шунтирования неисправного аккумулятора, отличающийся тем, что величину сопротивления шунтирующей аккумулятор цепи выбирают из условия:

R<0,3I, где

I - максимальная величина тока через аккумулятор

Известен также способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, по которому контролируют наличие емкости в аккумуляторной батарее и минимальное напряжение аккумуляторов, а шунтирование соответствующего аккумулятора проводят при наличии емкости в батарее по минимальному напряжению этого аккумулятора

Недостатком этих способов является определенное усложнение конструкции аккумуляторной батареи и автономной системы электропитания в целом, что не всегда целесообразно. Кроме того, снижение текущей емкости аккумулятора не свидетельствует однозначно о необратимом его отказе. Такой аккумулятор вполне может быть восстановлен полностью или частично специальными профилактическими циклами.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов (патент №2084055, Н 01 М 10/44).

Недостатком известного способа является то, что он обеспечивает заряд аккумуляторной батареи только до уровня (60-80)% номинальной емкости. Попытки установить уровень заряженности более 80% номинальной емкости приводят к повышению тепловыделения и повышению температуры аккумуляторов.

При превышении температуры аккумуляторов выше расчетной величины, для данной конструкции аккумуляторной батареи, может развиваться явление так называемого "теплового разгона", состоящего в том, что дальнейшее повышение температуры при перезаряде вызывает более интенсивное выделение кислорода из положительного электрода и увеличивает активность отрицательного электрода, что увеличивает, в свою очередь, скорость рекомбинации кислорода с водородом и интенсифицирует тепловыделение. В итоге процесс развивается с положительной обратной связью. В этом случае заданного уровня плотности водорода в аккумуляторах (согласно патенту №2084055, Н 01 М 10/44) можно не достигнуть, что снижает эффективность и надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи, предусматривающий "обход" отказавшего в процессе эксплуатации аккумулятора посредством диодных /байпасных/ цепей /см. W.I.Billerbeck, W.E.Baker "The desing of reliable power systems for communi cations satelite", Comsat Laboratories Clarksbufg, AIAA/NASA Spacesyst. Technol. Conf. 14/8, 5-7 June, 1984/, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и включающий контроль напряжения каждого аккумулятора, контроль текущей разрядной емкости и температуры никель-водородной аккумуляторной батареи, который выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что он предназначен для "обхода" действительно отказавшего в процессе эксплуатации аккумулятора, что соответствует либо разгерметизации корпуса аккумулятора, либо обрыву по электрической цепи. В обоих случаях к отказавшему аккумулятору прикладывается напряжение обратной полярности величиной более 0,5 В, байпасный диод открывается и разрядный ток батареи "обходит" неисправный аккумулятор. Применительно к исправному аккумулятору, который разбалансировался в процессе эксплуатации, данный способ имеет ряд недостатков снижающих надежность и ресурсные характеристики аккумуляторной батареи.

Типичный ход давления и напряжения при разряде и переразряде приведен на фиг.1.

Напряжение аккумулятора при его переразряде составляет примерно 0,3 В, что меньше напряжения открытия байпасного диода (0,5 В). В связи с этим переразряд аккумулятора может продлиться неопределенно долгое время.

Никель-водородный аккумулятор обладает естественным механизмом защиты от переразряда - это замкнутый водородный цикл, который реализуется следующими электрохимическими реакциями на окисно-никелевом (ОНЭ) и водородном (ВЭ) электродах:

ОНЭ

Н₂О+е^-→ОН^-+1/2Н₂

поглощается на ВЭ по реакции:

ВЭ

1/2Н₂+ОН^-→Н₂О+е^-

Для обеспечения водородного цикла мощность водородного электрода предусматривают выше мощности положительного электрода, либо в аккумулятор вводят избыточный (балластный) водород (см. главу X1, Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы", Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г., [1]), в противном случае в аккумуляторе будет накапливаться кислород по следующей электрохимической реакции:

2(ОН)^-→2е+1/2О₂+Н₂О.

Кислород может накапливаться при переразряде аккумулятора и в следствии снижения мощности положительного электрода в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи или при длительном переразряде аккумулятора.

Отсутствие регламентации времени нахождения аккумулятора в режиме переразряда и влиянии этого режима на эксплуатационные характеристики аккумуляторной батареи не позволяет снять ограничения по минимальному напряжению аккумулятора, что снижает эффективность использования емкости аккумуляторной батареи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение емкостных ресурсных характеристик и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что разряд никель-водородной аккумуляторной батареи ограничивают величиной напряжения, равной числу (n-1) аккумуляторов в никель-водородной батарее, и дополнительно величиной разрядной емкости, полученной после достижения любым из аккумуляторов напряжения менее нуля и на уровне (0,1÷0,2) номинальной емкости никель-водородной батареи, заряд никель-водородной аккумуляторной батареи проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости никель-водородной аккумуляторной батареи с последующим дозарядом импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов.

Кроме того, что величину среднего дозарядного тока выбирают в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости, а перед началом теневых орбит проводят восстановительный разряд-заряд никель-водородной аккумуляторной батареи, при этом разряд проводят на сопротивление величиной, определяемой по формуле:

где

n - количество аккумуляторов в никель-водородной аккумуляторной батарее;

1,25 - среднее разрядное напряжение аккумуляторов;

Т₀ - время разряда, час;

С_ном - номинальная емкость никель-водородной аккумуляторной батареи,

с ограничением разряда по величине напряжения, равного числу (n-1) аккумуляторов в батарее, в течение 40÷50 часов (Т₀), а заряд проводят током, величиной не менее 0,15 номинальной емкости.

Действительно, снятие ограничения разряда по минимальному напряжению любого из аккумуляторов аккумуляторной батареи существенно повышает величину разрядной емкости и, следовательно, емкостные ресурсные характеристики аккумуляторной батареи. Однако при этом возникает вопрос надежности (безопасности) эксплуатации аккумуляторной батареи, имеющей в своем составе аккумулятор(ы) с пониженной емкостью. Это обусловлено следующими причинами.

В процессе разряда аккумуляторной батареи при появлении в аккумуляторе кислорода (при полном отсутствии водорода) происходит его накапливание и в случае последующего активного заряда аккумуляторной батареи и интенсивного выделения водорода в аккумуляторе могут образоваться локальные зоны с взрывоопасной смесью. Образование таких зон приводит к микровзрывам в аккумуляторе, а микровзрывы - к внутренним шунтам в аккумуляторе. Поэтому величину переполюсовки аккумулятора, а следовательно, величину накопленного кислорода, необходимо ограничить.

Экспериментально установлено, что если ограничить разряд аккумуляторной батареи напряжением, равным величине (n-1) В, где n - количество аккумуляторов в батарее, и дополнительно величиной разрядной емкости переполюсовки аккумулятора на уровне (0,1-0,2) номинальной емкости, то этот аккумулятор гарантированно не попадает в ситуацию, приводящую к микровзрывам. Другими словами, запас мощности водородного электрода или избыточного (балластного) водорода обеспечивает эффективность работы замкнутого водородного цикла.

На фиг.2 представлены графики изменения температуры аккумуляторной батареи 40НВ-70 (измерение проводилось на двух из 40 последовательно соединенных никель-водородных аккумуляторов с номинальной емкостью 70 А·ч, разработки ОАО "Сатурн", г.Краснодар) при заряде ее током 12,0 А на величину 0,7 номинальной емкости (диапазон 0,6-0,8 в формуле предлагаемого изобретения выбран с учетом инерционности тепловых процессов), что соответствует сообщенной емкости примерно 50 А·ч. При этом видно, что в конце заряда температура аккумуляторной батареи начинает интенсивно расти в следствии роста тепловыделения в аккумуляторах.

Попытки уменьшить тепловыделение путем снижения зарядного тока в определенной степени приводят к снижению температуры аккумуляторной батареи, однако при малых токах заряда снижается эффективность самого процесса заряда - процесс заряда идет с меньшим коэффициентом полезного действия. В итоге такой заряд неэффективен как по сообщаемой емкости, так и по тепловыделению.

Данная проблема решается последующим дозарядом аккумуляторной батареи импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов.

Экспериментально установлено, что для безусловного достижения полного заряда аккумуляторной батареи величина среднего дозарядного тока находится в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости аккумуляторов.

На фиг.3 представлены графики изменения температуры аккумуляторной батареи 40НВ-70 (измерение проводилось на двух из 40 последовательно соединенных никель-водородных аккумуляторов) с зарядом постоянным током 12,0 А на величину (0,6-0,8) номинальной емкости и последующим дозарядом импульсным током (пауза 75 минут, заряд током 12,0 А в течение 15 минут, снова пауза и так далее, до достижения заданного уровня заряженности). Средний ток дозаряда при этом составляет 2,0 А (˜0,03 номинальной емкости аккумуляторов).

Как видно из приведенных графиков, температура аккумуляторной батареи в начале заряда повысилась до 29°С, а с переходом на импульсный дозаряд снизилась до исходного уровня и стабилизировалась на нем, что говорит о эффективности процесса дозаряда.

При эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в составе геостационарных ИСЗ основная работа приходится на период теневых орбит (2 раза в год по 45 суток, максимальная длительность "тени" - 70 минут). В остальное время аккумуляторная батарея, в основном, работает в режиме хранения с периодическими подзарядами для компенсации саморазряда.

В процессе длительной эксплуатации основной причиной ресурсной деградации никель-водородных аккумуляторов является "уширение" окисно-никелевого электрода, заключенного в бахитовую матрицу. Разбухание окисно-никелевого электрода имеет место при разряде и особенно большое при переразряде. Гальванической основой окисно-никелевого электрода является волоконная никелевая структура (волокна никеля толщиной в несколько микрон). При разбухании окисно-никелевого электрода из-за электрической неоднородности бахитовой матрицы волокна никеля могут образовать с корпусом аккумулятора гальванические "мостики", которые получили наименование "микрошунтов". Окисно-никелевый электрод является "положительным" электродом, а корпус аккумулятора связан с отрицательным электродом. Возникающие микрошунты приводят к возрастанию тока саморазряда и возникновению разбалланса аккумуляторов по емкости.

В результате, если не принимать профилактических мер, на следующих теневых орбитах аккумуляторы, имеющие микрошунты (соответственно, меньшую емкость), будут переполюсовываться и при превышении емкости переполюсовки величины более (0,1-0,2) номинальной емкости могут выйти из строя из-за микровзрывов, что снижает ресурс и эксплуатационную надежность аккумуляторной батареи в целом.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при разряде аккумуляторной батареи до напряжения (n-1) В на сопротивление, обеспечивающее время разряда (40-50) часов, аккумуляторы, имеющие микрошунты, переполюсовываются на величину емкости не более (0,1-0,2) от номинальной емкости. При этом степень разбухания окисно-никелевого электрода достигает такой величины, что гальванические мостики между волокнами никеля и корпусом аккумулятора приближаются к характеру металлических. При подаче зарядного тока величиной не менее 0,15 от номинальной емкости аккумуляторов гальванические мостики выгорают и аккумулятор полностью восстанавливает свои характеристики.

Для нейтрализации отрицательного влияния на аккумуляторные батареи возникающих в процессе эксплуатации в отдельных аккумуляторах микрошунтов предлагается перед началом "теневых" орбит проводить восстановительный заряд-разряд, обеспечивающий глубокую проработку активной массы электродов.

Для организации глубокого разряда аккумуляторных батарей на освещенном участке орбиты ИСЗ предусматриваются разрядные сопротивления. Величина этих сопротивлений рассчитывается из условия обеспечения полного разряда всех аккумуляторов током определенной величины.

Для расчета среднее напряжение аккумуляторов принято на уровне 1,25 В. При этом среднее разрядное напряжение аккумуляторной батареи составит: n 1,25 В.

Средний ток разряда рекомендуется выбрать на уровне (0,02-0,025) номинальной емкости аккумуляторов, что соответствует (40-50) часам их разряда (То), исходя из снятия емкости в пределах номинальной емкости аккумуляторов.

С учетом изложенного, величина разрядного сопротивления может быть рассчитана по формуле: .

На фиг.4 приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 - к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля напряжения аккумуляторов и напряжения аккумуляторной батареи 7 связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

Кроме того, параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено разрядное сопротивление R через коммутатор К управляемый нагрузкой 2 (бортовой ЭВМ или по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.

Зарядный преобразователь состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2 и выпрямителя на диодах D1 и D2.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 14 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2 (командно-измерительной радиолинией).

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном (98% ресурса) в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный стабилизированный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля напряжения аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и аккумуляторной батареи и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ "закладывается" программа по следующему алгоритму:

1. Если в процессе разряда аккумуляторной батареи зафиксировано снижение напряжения какого-либо аккумулятора ниже минимального уровня, бортовой ЭВМ начинается отсчет снимаемой с аккумуляторной батареи емкости по данным о величине тока разряда с шунта 8.

2. После снижения напряжения аккумуляторной батареи до минимального значения, равного (n-1) В, либо после снятия с аккумуляторной батареи от момента достижения любым из аккумуляторов напряжения менее 0 В емкости (0.1-0.2) номинальной емкости аккумуляторов, разряд аккумуляторной батареи принудительно прекращают (или существенно снижают) путем частичного или полного отключения сеансной нагрузки ИСЗ.

3. Если события по п.2 не наступили до появления избыточной мощности солнечной батареи и соответственно до перехода в режим заряда аккумуляторной батареи, то продолжается штатная работа до следующего разрядного периода.

4. Для повышения емкостных характеристик аккумуляторной батареи проводят заряд с контролем сообщенной емкости до величины (0,6-0,8) номинальной емкости никель-водородной аккумуляторной батареи с последующим дозарядом импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего дозарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов, причем величину среднего до зарядного тока выбирают в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости.

5. Перед началом теневых орбит по команде с Земли проводят восстановительный разряд-заряд никель-водородной аккумуляторной батареи, при этом разряд проводят на сопротивление с ограничением разряда по величине напряжения, равного числу (n-1) аккумуляторов в батарее, в течение 40-50 часов (Т₀), а заряд проводят током, величиной не менее 0,15 номинальной емкости.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет поддерживать аккумуляторную батарею на высоком уровне работоспособности, исключить появление локальных зон с взрывоопасной смесью и обеспечивает в то же время восстановление аккумуляторов, имевших внутренние микрошунты, а следовательно, повышает ресурсные характеристики и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ). Предлагается способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (ИСЗ). состоящей из "п" аккумуляторов, снабженных байпасными диодами, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и включающий контроль напряжения каждого аккумулятора и батареи в целом, контроль текущей разрядной и зарядной емкости и тока заряда никель-водородной аккумуляторной батареи. Техническим результатом является повышение емкостных ресурсных характеристик и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. Разряд никель-водородной аккумуляторной батареи ограничивают величиной напряжения, равной числу (n-1) аккумуляторов в никель-водородной батарее, и дополнительно величиной разрядной емкости, полученной после достижения любым из аккумуляторов напряжения менее нуля и на уровне (0,1-0,2) номинальной емкости никель-водородной батареи, заряд никель-водородной аккумуляторной батареи проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости никель-водородной аккумуляторной батареи с последующим дозарядом импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов. Кроме того, что величину среднего дозарядного тока выбирают в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости, а перед началом теневых орбит проводят восстановительный разряд-заряд никель-водородной аккумуляторной батареи, при этом разряд проводят на сопротивление величиной, определяемой по формуле:

, где

n - количество аккумуляторов в никель-водородной аккумуляторной батарее; 1,25 - среднее разрядное напряжение аккумуляторов; Т₀ - время разряда, час; С_ном - номинальная емкость никель-водородной аккумуляторной батареи, с ограничением разряда по величине напряжения, равного числу (n-1) аккумуляторов в батарее, в течение 40-50 часов (Т₀), а заряд проводят током величиной не менее 0,15 номинальной емкости. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи искусственного спутника Земли, состоящей из n аккумуляторов, снабженных байпасными диодами, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и включающий контроль напряжения каждого аккумулятора, контроль текущей разрядной емкости и температуры никель-водородной аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что разряд никель-водородной аккумуляторной батареи ограничивают величиной напряжения, равной числу (n-1) аккумуляторов в никель-водородной батарее, и дополнительно величиной разрядной емкости, полученной после достижения любым из аккумуляторов напряжения менее нуля и на уровне (0,1-0,2) номинальной емкости никель-водородной батареи, кроме того, заряд никель-водородной аккумуляторной батареи проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости никель-водородной аккумуляторной батареи с последующим дозарядом импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что величину среднего дозарядного тока выбирают в пределах 0,02-0,04 номинальной емкости.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед началом теневых орбит проводят восстановительный разряд-заряд никель-водородной аккумуляторной батареи, при этом разряд проводят на сопротивление величиной, определяемой по формуле

,

где n - количество аккумуляторов в никель-водородной аккумуляторной батарее;

1,25 - среднее разрядное напряжение аккумуляторов;

Т_о - время разряда, ч;

С_ном - номинальная емкость никель-водородной аккумуляторной батареи,

с ограничением разряда по величине напряжения, равного числу (n-1) аккумуляторов в батарее, в течение 40-50 ч (Т₀), а заряд проводят током, величиной не менее 0,15 номинальной емкости.