СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ И АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2007 года по МПК H01M10/44 

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).

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 на солнечных орбитах.

Отличительной особенностью эксплуатации таких батарей является сочетание интенсивных заряд-разрядных циклов в течение 45 суток (период теневых орбит) с последующим длительным, 4,5 месяца, хранением в заряженном состоянии на солнечных орбитах.

Опыт эксплуатации геостационарных ИСЗ показал, что при использовании известных способов эксплуатации аккумуляторных батарей могут иметь место такие негативные моменты как: температурный градиент аккумуляторов, «тепловой разгон» и разбаланс аккумуляторов по емкости, которые существенно ограничивают энергетические возможности и ресурс никель-водородных аккумуляторных батарей, что снижает эффективность использования последних.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (патент №2084055, Н 01 М 10/44), согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают исходя из плотности водорода рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов, который обеспечивает заряд аккумуляторной батареи до уровня (60-80)% номинальной емкости.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (авт.св. №1746443, Н 01 М 10/44, 12/06), в котором управление заряд-разрядными циклами проводят по двухуставочному датчику давления с разницей уставок давления ΔР и температуре, а разряд оканчивают по минимальному напряжению, при достижении на разряде аккумуляторов минимального значения напряжения, периодически повышают уставки датчика давления, причем нижнюю уставку повышают до уровня верхней, а верхнюю - на величину ΔР.

При практическом применении известных способов эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей были выявлены следующие особенности поведения аккумуляторов.

Так на одном из действующих геостационарных ИСЗ для управления зарядом никель-водородной аккумуляторной батареи с номинальной емкостью аккумуляторов 70 Ач были применены два аккумулятора с двухуставочными датчиками давления, верхняя уставка которых была настроена в интервале (60-80)% номинальной емкости, а нижняя на 4 Ач меньше. Для компенсации ресурсных изменений НВ АБ в составе батареи предусмотрено еще два аккумулятора с двухуставочными датчиками давления, верхняя уставка которых повышена на ΔР≈4 Ач, а нижняя поднята до уровня верхней. Для контроля уровня давления водорода все четыре аккумулятора были снабжены аналоговыми датчиками давления (АДД).

На чертеже, фиг.1, представлено поведение давления в 4-х никель-водородных аккумуляторах как в процессе хранения в заряженном состоянии, так и в процессе заряд-разрядных циклов на теневых орбитах.

Как видно из приведенных графиков, уровень давления водорода в аккумуляторах, которые управляют зарядом никель-водородной аккумуляторной батареи, постоянный, что свидетельствует об их стабильном состоянии. Однако на одном из двух других аккумуляторов наблюдается постепенное снижение давления водорода. Учитывая, что давление водорода пропорционально степени заряженности никель-водородного аккумулятора, констатируем, что в батарее возник постепенно нарастающий разбаланс аккумуляторов. Более тщательный анализ напряжения аккумуляторов показал, что имеется еще некоторое количество аккумуляторов, имеющих тенденцию к снижению емкости. Под разбалансом емкости понимается разница в степени заряженности управляющих аккумуляторов и аккумуляторов без датчиков давления.

После перехода на управление зарядом от двух других аккумуляторов с повышенными на ΔР уставками снижение емкости прекратилось при сохранении величины разбаланса.

Однако при прохождении теневых участков орбиты в процессе заряд-разрядных циклов процесс нарастания разбаланса возобновился и с окончанием теневых участков величина разбаланса вновь стабилизировалась.

Появление в составе батареи ряда аккумуляторов с пониженной емкостью резко сокращает энергетические возможности и ресурс батареи и ИСЗ в целом.

Для повышения емкости аккумуляторов, имеющих разбаланс емкости, было произведено очередное повышение уставок управления зарядом. Процесс разбалансирования аккумуляторов по емкости был полностью остановлен, однако на очередных теневых орбитах было зафиксировано несколько (5) аккумуляторов, разрядное напряжение которых составило порядка 1-1,05 В, в то время как остальные имели напряжение в районе 1,25 В.

Проведенные исследования показали, что причиной пониженного разрядного напряжения этих аккумуляторов явилось возникновение в них температурного радиального градиента. В результате этого из электролита, в центральной области активной массы, «уходит» вода (в более холодные граничные области), повышается концентрация электролита и, как следствие, внутреннее сопротивление аккумулятора с понижением разрядного напряжения.

Кроме того, при повышении 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.

Известны аккумуляторные батареи, описанные в B.C.Багоцкий, А.М.Скундин. «Химические источники тока», Москва, Энергоиздат, 1981 г. [1].

Известны никель-водородные аккумуляторные батареи, описанные в (Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. "Металл-водородные электрические системы", Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г., стр.265-266 [2]).

Однако известные материалы не содержат рекомендаций по количеству и местам установки управляющих аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Известные аккумуляторные батареи приняты за прототип.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что аналоговые датчики давления устанавливают на аккумуляторах, находящихся в наиболее теплонапряженных условиях, а включение и отключение дозаряда проводят по среднеарифметическим показаниям аналоговых датчиков давления, причем включение и отключение дозаряда проводят из условия обеспечения нахождения установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления в интервале (0,003-0,006) номинальной емкости аккумуляторной батареи, а при проведении заряд-разрядных циклов среднеарифметические показания аналоговых датчиков давления поднимают до уровня, обеспечивающего нахождение величины установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи. В аккумуляторной батарее, для реализации способа, содержащей «n» последовательно соединенных аккумуляторов, из которых на «m» аккумуляторах установлены аналоговые датчики давления, количество аккумуляторов с установленными аналоговыми датчиками давления выбрано из соотношения m/n≥0,07÷0,14, причем указанные аккумуляторы расположены в секторах конструкции аккумуляторной батареи с наихудшим теплоотводом.

На чертеже, фиг.2, представлены зависимости токов саморазряда (Jc) четырех аккумуляторов НВ-70 (разработка ОАО "Сатурн", г.Краснодар) от степени их заряженности относительно номиналов емкости (Сном), которые выбраны в качестве управляющих зарядом никель-водородной аккумуляторной батареи и расположены в самых теплонапряженных условиях.

Кроме того, на чертеже представлена зависимость тока саморазряда одного из аккумуляторов, который расположен в более холодных условиях.

Как видно из приведенных графиков, аккумуляторы имеют значительный разброс по токам саморазряда, который обусловлен разницей в активной массе электродов и температурой.

В процессе проведения заряд-разрядных циклов или периодических дозарядов аккумуляторной батареи токи саморазряда всех аккумуляторов приходят к единой величие (установившемуся значению). Это происходит автоматически - каждый аккумулятор выходит на уровень заряженности, при котором его ток саморазряда сравнивается с током саморазряда управляющего аккумулятора.

Если в качестве управляющего аккумулятора будет выбран аккумулятор, у которого ток саморазряда в интервале емкости (60÷80)% Сном будет меньше токов саморазрядов некоторых других аккумуляторов, то последние будут иметь тенденцию к снижению емкости, т.к. их ток саморазряда будет стремиться к току саморазряда управляющего аккумулятора, а это равенство достигается при емкости аккумуляторов значительно меньших величин, чем находящийся в интервале (60÷80)% Сном управляющий аккумулятор. В итоге, аккумуляторы в аккумуляторной батарее разбалансируются.

Абсолютно одинаковые аккумуляторы, но находящиеся в разных температурных условиях, также приводят к этому эффекту, если в качестве управляющего аккумулятора будет выбран более холодный аккумулятор. Переход на управление зарядом от аккумулятора с повышением на ΔР верхней уставкой уменьшает риск разбаланса, но может стать причиной повышенного тепловыделения аккумулятора, что тоже нежелательно.

Таким образом, основным недостатком способов эксплуатации по двухуровневому датчику давления является отсутствие учета фактора саморазряда аккумуляторов и дискретный характер изменения уставок датчика давления (ΔР).

Отрицательный эффект разброса токов саморазряда компенсируется, если управляющие аккумуляторы находятся в одинаковых температурных условиях и в самых теплых секторах конструкции батареи, что гарантирует величину тока саморазряда этих аккумуляторов больше токов саморазрядов остальных аккумуляторов и исключает явление разбаланса и, если верхняя и нижняя уставки управления дозарядом батареи устанавливаются по среднеарифметическому значению показаний аналоговых датчиков давления.

Экспериментально установлено, что оптимальное количество аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления удовлетворяет соотношению: m/n≥(0,07÷0,14), где

m - количество аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления;

n - количество аккумуляторов в батарее.

С точки зрения длительного хранения в заряженном состоянии необходимо обеспечивать минимальное тепловыделение аккумуляторов, что исключает возможность теплового разгона и возникновения температурного градиента. Этому условию удовлетворяет эксплуатация аккумуляторов на пологой ветви графика тока саморазряда и нахождение установившегося тока саморазряда в интервале (0,003÷0,006) Сном. При этом рабочая емкость батареи может быть меньше требуемой для прохождения теневого участка Земли.

При переходе к заряд-разрядным циклам на теневых участках орбиты для повышения рабочей емкости, достаточной для прохождения теневых участков Земли, среднеарифметические значения уставок поднимают до уровня, при котором установившийся ток саморазряда батареи находится в интервале (0,01÷0,012) Сном, что соответствует эксплуатации аккумуляторов на вертикальном участке графика зависимости тока саморазряда от степени заряженности.

Отличительным признаком такого управления является то, что закон управления зарядом носит не дискретный, а непрерывный (аналоговый) характер, что позволяет учитывать любые нюансы поведения аккумуляторов, что невозможно при дискретном характере изменения уставок. При этом, несмотря на более высокое тепловыделение, риск теплового разгона и возникновения температурного градиента исключаются за счет того, что значения верхних уставок не превышают (60÷80)% Сном, а сам заряд-разрядный цикл никель-водородных батарей есть чередование экзотермических реакций с выделением тепла на разряде и эндотермических с поглощением тепла в первой фазе заряда до достижения напряжения, соответствующего термонейтральному. Таким образом, в режиме заряд-разрядных циклов обеспечиваются условия для более высокого заряда без возникновения температурного градиента.

На чертеже, фиг.3, 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 аккумуляторов 7 (в частности, давления аккумуляторов, которое определяет их текущую емкость) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

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

Зарядный преобразователь 5 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.

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 преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце).

Питание нагрузки 2 осуществляется 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 аккумуляторов 7 контролирует давление в аккумуляторах и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ «закладывается» программа по следующему алгоритму:

1. Обрабатываются данные аналоговых датчиков давления в «m» аккумуляторах с вычислением среднеарифметического значения давления (или степени заряженности).

2. Среднеарифметическое значение давления «m» аккумуляторов (или степени заряженности) сравнивается со значениями верхней и нижней уставок давления, заложенными в логику управления зарядом. При превышении верхней уставки зарядный преобразователь выключается, при уменьшении ниже нижней уставки снова включается.

3. Рассчитывается установившееся значение тока саморазряда батареи по формуле: Jc=ΔP_i/Δt, где

- ΔР_i - разница между уставками в Ач;

- Δt - время саморазряда в часах.

4. При хранении аккумуляторной батареи с периодическими дозарядами уставки (верхняя и нижняя) устанавливаются таким образом, чтобы установившееся значение тока саморазряда, аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления, находилось в интервале (0,003-0,006) номинальной емкости аккумуляторной батареи, а при проведении заряд-разрядных циклов уставки корректируют до уровня, обеспечивающего нахождение величины установившегося тока саморазряда в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи.

На чертеже, фиг.4, приведен пример реализации конструкции никель-водородной аккумуляторной батареи типа 20НВ-70.

Аккумуляторная батарея содержит двадцать последовательно соединенных аккумулятора 1 (номинальной емкости в 70 А*ч), из которых на двух аккумуляторах 2 установлены (в пределах соотношения: m/n≥0,07÷0,14) аналоговые датчики давления. Аккумуляторная батарея выполнена с жидкостным контуром охлаждения (жидкостным коллектором 3) по боковым поверхностям корпуса 4 батареи.

Места установки аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления 2 выбраны из условия наихудшего теплоотвода.

Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи позволяет поддерживать последнюю на высоком уровне заряженности при прохождении теневых орбит и обеспечивать хранение в заряженном состоянии на солнечных орбитах без ухудшения эксплуатационных характеристик и, следовательно, повышает эффективность использования и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.

Использование: при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат заключается в повышении эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. Способ заключается в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по аналоговым датчикам давления, установленным на отдельных аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии и проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, при этом аналоговые датчики давления устанавливают на аккумуляторах, находящихся в наиболее теплонапряженных условиях, а включение и отключение дозаряда проводят по среднеарифметическим показаниям аналоговых датчиков давления, причем включение и отключение дозаряда проводят из условия обеспечения нахождения установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления в интервале (0,003-0,006) номинальной емкости аккумуляторной батареи, а при проведении заряд-разрядных циклов среднеарифметические показания аналоговых датчиков давления поднимают до уровня, обеспечивающего нахождение величины установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи. В аккумуляторной батарее, для реализации способа, из "n" последовательно соединенных аккумуляторов, на "m" аккумуляторах установлены аналоговые датчики давления, количество аккумуляторов с установленными аналоговыми датчиками давления выбрано из соотношения m/n≥0,07÷0,14, причем указанные аккумуляторы расположены в секторах конструкции аккумуляторной батареи с наихудшим теплоотводом. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания геостационарного искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по аналоговым датчикам давления, установленным на отдельных аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии и проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, отличающийся тем, что аналоговые датчики давления устанавливают на аккумуляторах, находящихся в наиболее теплонапряженных условиях, а включение и отключение дозаряда проводят по среднеарифметическим показаниям аналоговых датчиков давления, причем включение и отключение дозаряда проводят из условия обеспечения нахождения установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления в интервале (0,003-0,006) номинальной емкости аккумуляторной батареи, а при проведении заряд-разрядных циклов среднеарифметические показания аналоговых датчиков давления поднимают до уровня, обеспечивающего нахождение величины установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи.2. Аккумуляторная батарея для реализации способа по пп.1 и 2, содержащая n последовательно соединенных аккумуляторов, из которых на m аккумуляторах установлены аналоговые датчики давления, отличающаяся тем, что количество аккумуляторов с установленными аналоговыми датчиками давления выбраны из соотношения m:n≥0,07÷0,14, причем указанные аккумуляторы расположены в секторах конструкции аккумуляторной батареи с наихудшим теплоотводом.