СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2007 года по МПК H01M10/42 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).

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 дозарядами, 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, Н01М 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, Н01М 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 предшествующей верхней. Для контроля уровня давления водорода все четыре аккумулятора были снабжены аналоговыми датчиками давления (АДД).

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в отдельных аккумуляторах наблюдалось 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 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 по емкости, было произведено очередное повышение уставок управления зарядом. Процесс разбалансирования аккумуляторов по емкости был полностью остановлен, однако на очередных теневых орбитах было зафиксировано несколько аккумуляторов, разрядное напряжение которых составило порядка 1-1,05 В, в то время как остальные имели напряжение примерно 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) и, как следствие, повышается внутреннее сопротивление аккумулятора с соответствующим понижением разрядного напряжения.

Кроме того, при повышении температуры аккумуляторов выше расчетной величины, для данной конструкции аккумуляторной батареи, может развиваться явление так называемого "теплового разгона", состоящее 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.

Наиболее близким по технической сущности является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе геостационарного искусственного спутника Земли (заявка №2005122357 от 14.07.05 г.), заключающийся в контроле установившегося тока саморазряда и степени заряженности аккумуляторной батареи по аналоговым датчикам давления, хранении в заряженном состоянии с проведением периодических дозарядов, для компенсации саморазряда, аккумуляторной батареи на солнечных орбитах и в проведении заряд-разрядных циклов на теневых орбитах, причем установившийся ток саморазряда аккумуляторной батареи поддерживают в интервале (0,003-0,006) ее номинальной емкости с прекращением дозаряда по среднеарифметическому показанию аналоговых датчиков давления, величина которого обеспечивает требуемый установившийся ток саморазряда в режиме проведения дозарядов и в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи в режиме проведения заряд-разрядных циклов. Этот способ принят за прототип.

Недостатком способа (заявка №2005122357) является то, что он не учитывает температурные условия эксплуатации аккумуляторной батареи. В результате, при эксплуатации аккумуляторной батареи при температуре ниже (10-12)°С заряд, при проведении заряд-разрядных циклов на теневых орбитах, проводят до достижения установившегося тока саморазряда величины (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи, в то время как уже при установившемся токе саморазряда величиной (0,003-0,006) номинальной емкости аккумуляторная батарея имеет емкость порядка (0,8-0,9)Сн и дальнейший ее заряд приведет к неоправданному повышению температуры.

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

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно контролируют температуру посадочного места аккумуляторной батареи, а установившийся ток саморазряда аккумуляторной батареи в интервале (0,003-0,006) от номинальной емкости поддерживают при температуре посадочного места аккумуляторной батареи ниже (10-12)°С, как в режиме дозарядов, так и при проведении заряд-разрядных циклов, а при температуре посадочного места батареи выше (12-14)°С, после прекращения заряда на теневых орбитах в режиме проведения заряд-разрядных циклов, по среднеарифметическому показанию аналоговых датчиков давления, величина которого обеспечивает установившийся ток саморазряда в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи, проводят дополнительно импульсный заряд, параметры которого (период и скважность зарядного тока) выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше установившегося тока саморазряда аккумуляторов в 2-3 раза.

Суть предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены графики зависимости токов саморазряда аккумуляторов от степени их заряженности, а на фиг.2 - функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.

На чертеже, фиг.1, представлены усредненные графики зависимости токов саморазряда аккумуляторов НВ-70 (разработка ОАО "Сатурн", г.Краснодар) от степени их заряженности относительно номиналов емкости (Сн), которые выбраны в качестве управляющих зарядом никель-водородной аккумуляторной

При этом график 1 соответствует аккумуляторам аккумуляторной батареи с температурой посадочного места ниже (10-12)°С, а график 2 соответствует аккумуляторам аккумуляторной батареи с температурой посадочного места выше (12-14)°С. График 3 условно показывает момент начала проведения импульсного заряда.

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) Сн. 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 которых установившийся ток саморазряда батареи находится в интервале (0,01÷0,012) Сн, что соответствует эксплуатации аккумуляторов на вертикальном участке графика зависимости тока саморазряда от степени заряженности, а сама степень заряженности соответствует величине (0,8 -0,9) Сн.

При этом после достижения установившегося тока саморазряда батареи (0,01÷0,012) Сн, включают режим импульсного заряда, параметры которого (период и скважность зарядного тока) выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше установившегося тока саморазряда аккумуляторов в 2-3 раза.

Для примера, токи саморазряда аккумуляторов НВ-70 в этом режиме работы составляют (0,7-0,84) А. Следовательно, средний зарядный ток импульсного заряда необходимо выбрать в диапазоне (1,4-2,52) А.

Экспериментально установлено, что такой режим дозаряда не приводит к дальнейшему разогреву аккумуляторов и способствует сообщению аккумуляторной батарее дополнительной емкости для достижения степени заряженности близкой к 0,9 Сн (и более).

При температуре посадочного места аккумуляторной батареи ниже (10-12)°С переход на установившийся ток саморазряда в интервале (0,01÷0,012) Сн не требуется, так как при этой температуре емкость аккумуляторной батареи входит в диапазон (0,8-0,9) Сн при токах саморазряда в интервале (0,003÷0,006) Сн.

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 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.2, 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 и температуры посадочного места аккумуляторной батареи) 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 обработке аналоговых датчиков давления и температуры и управления зарядом:

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 выключают, при уменьшении ниже нижней уставки - снова включают.

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. Обрабатываются данные аналоговых датчиков теипературы посадочного места аккумуляторной батареи.

5. 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, при условии, что температура посадочного места аккумуляторной батареи выше (12-14)°С.

6. После отключения заряда аккумуляторной батареи, при температуре посадочного места аккумуляторной батареи выше (12-14)°С, включают режим импульсного заряда, обеспечивающий компенсацию текущего саморазряда и эффективное (без разогрева) сообщение дополнительной емкости.

Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи позволяют поддерживать последнюю на высоком уровне заряженности (до 0,9 Сн и выше) 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, а также 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 геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе геостационарного искусственного спутника Земли заключается в контроле установившегося тока саморазряда и степени заряженности аккумуляторной батареи по аналоговым датчикам давления, хранении в заряженном состоянии с проведением периодических дозарядов для компенсации саморазряда аккумуляторной батареи на солнечных орбитах и в проведении заряд-разрядных циклов на теневых орбитах, причем установившийся ток саморазряда аккумуляторной батареи поддерживают в интервале (0,003-0,006) ее номинальной емкости с прекращением дозаряда по среднеарифметическому показанию аналоговых датчиков давления, величина которого обеспечивает требуемый установившийся ток саморазряда в режиме ведения дозарядов и в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи в режиме проведения заряд-разрядных циклов. Дополнительно контролируют температуру посадочного места аккумуляторной батареи, а установившийся ток саморазряда аккумуляторной батареи в интервале (0,003-0,006) от номинальной емкости поддерживают при температуре посадочного места аккумуляторной батареи ниже (10-12)°С как в режиме дозарядов, так и при проведении заряд-разрядных циклов, а при температуре посадочного места батареи выше (12-14)°С после прекращения заряда на теневых орбитах в режиме проведения заряд-разрядных циклов по среднеарифметическому показанию аналоговых датчиков давления, величина которого обеспечивает установившийся ток саморазряда в интервале (0,01-0,012) номинальной емкости аккумуляторной батареи, проводят дополнительно импульсный заряд, параметры которого (период и скважность зарядного тока) выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше установившегося тока саморазряда аккумуляторов в 2- 3 раза. Технический результат - повышение эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. 2 ил.

Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе геостационарного искусственного спутника Земли, заключающийся в контроле установившегося тока саморазряда и степени заряженности аккумуляторной батареи по аналоговым датчикам давления, хранении в заряженном состоянии с проведением периодических дозарядов для компенсации саморазряда аккумуляторной батареи на солнечных орбитах и в проведении заряд-разрядных циклов на теневых орбитах, причем установившийся ток саморазряда аккумуляторной батареи поддерживают в интервале 0,003-0,006 номинальной емкости с прекращением дозаряда по среднеарифметическому показанию аналоговых датчиков давления, величина которого обеспечивает установившийся ток саморазряда в режиме проведения дозарядов и в интервале 0,01-0,012 номинальной емкости аккумуляторной батареи в режиме проведения заряд-разрядных циклов, отличающийся тем, что дополнительно контролируют температуру посадочного места аккумуляторной батареи, а установившийся ток саморазряда аккумуляторной батареи в интервале 0,003-0,006 номинальной емкости поддерживают при температуре посадочного места аккумуляторной батареи ниже 10-12°С, как в режиме дозарядов, так и при проведении заряд-разрядных циклов, а при температуре посадочного места батареи выше 12-14°С, после прекращения заряда на теневых орбитах в режиме проведения заряд-разрядных циклов по среднеарифметическому показанию аналоговых датчиков давления, величина которого обеспечивает установившийся ток саморазряда в интервале 0,01-0,012 номинальной емкости аккумуляторной батареи, проводят дополнительно импульсный заряд, параметры которого (период и скважность зарядного тока) выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше установившегося тока саморазряда аккумуляторов в 2-3 раза.