СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2008 года по МПК H01M10/44 H01M12/06 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания 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, пассивации 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.

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, Н01М 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, Н01М 10/44) можно не достигнуть, что снижает эффективность и надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи (см. заявку №2005106016/09(007427), предусматривающий заряд никель-водородной аккумуляторной батареи постоянным током до величины (0,6-0,8) ее номинальной емкости 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, в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Известный способ позволяет устранять возникающий разбаланс аккумуляторов, однако, процесс выравнивания длительный по времени (до нескольких суток) и не позволяет достичь высокой степени выравнивания аккумуляторов по емкости, так как при определенной степени выравнивания дополнительная емкость, сообщаемая «слабым» аккумуляторам (по сути - аккумуляторам, имеющим больший саморазряд и соответственно меньшую текущую емкость), полностью компенсируется саморазрядом, а попытки увеличить среднее значение зарядного тока ведут к чрезмерному разогреву аккумуляторной батареи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности устранения разбаланса аккумуляторов аккумуляторной батареи по емкости и, следовательно, повышение емкостных ресурсных характеристик и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что дозаряд импульсным током проводят чередуя зарядные импульсы с разрядными импульсами, причем величину зарядного импульса устанавливают равной величине номинального зарядного тока, а среднее значение зарядных импульсов устанавливают исходя из соотношения:

где I_ЗС - среднее значение зарядных импульсов;

I_РС - среднее значение разрядных импульсов;

I_С - максимальная величина тока саморазряда аккумуляторов;

- коэффициент полезного действия по зарядному току, соответствующий I_С.

На фиг.1 представлен график изменения температуры аккумуляторной батареи (28НВ-50, изготовления ОАО «Сатурн», г. Краснодар) в процессе ее заряда в зависимости от сообщенной емкости.

Из представленного графика видно, что после сообщения батарее емкости, равной 0,7 от номинальной емкости (Сн) аккумуляторов, начинается интенсивный рост температуры.

Этот факт говорит о том, что коэффициент полезного действия по зарядному току () после сообщения аккумуляторам емкости более 0,7Сн начинает существенно снижаться.

Такая зависимость коэффициента полезного действия по зарядному току от степени заряженности позволяет «удерживать» аккумуляторы в аккумуляторной батарее на определенной степени разбаланса в процессе достаточно интенсивного циклирования последней. «Слабые» аккумуляторы заряжаются с большим и в процессе заряда «догоняют» более «сильные» аккумуляторы.

Эффективность такого процесса выравнивания аккумуляторов в аккумуляторной батарее по емкости зависит от интенсивности циклирования аккумуляторной батареи.

При эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, особенно в составе геостационарных ИСЗ, где основная работа приходится на период теневых орбит (2 раза в год по 45 суток, максимальная длительность «тени» - 70 минут), 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.

Такой режим эксплуатации аккумуляторной батареи не способствует выравниванию аккумуляторов по емкости, особенно в межтеневые периоды орбиты, и при входе на теневые орбиты аккумуляторная батарея оказывается существенно разбалансированной по емкости отдельных аккумуляторов, что снижает ее разрядную емкость.

Для снижения величины разбаланса аккумуляторов по емкости перед началом теневых орбит проводят перезаряд аккумуляторной батареи импульсным током (см. заявку №2005106016/09(007427). При этом полностью заряженные аккумуляторы (подавляющее большинство) зарядную энергию превращают в тепло, а «слабые» аккумуляторы (от одного аккумулятора до (5-10)% от общего количества аккумуляторов в аккумуляторной батарее) получают возможность достичь более высокой степени заряженности.

Совершенно очевидно, что такой процесс выравнивания аккумуляторов по емкости ограничен возможностями теплосъема с аккумуляторов, достигших максимальной степени заряженности и превращающих всю зарядную энергию в тепло. При практическом применении такого метода средний ток перезаряда не превышает 0,04Сн. Дальнейшее увеличение среднего тока перезаряда ведет к недопустимому росту температуры. Поэтому эффективность такого выравнивания невысока.

В предлагаемом техническом решении процесс выравнивания аккумуляторов по емкости зарядом импульсным током проводят чередуя зарядные импульсы с разрядными импульсами. Такая технология выравнивания более эффективна, так как позволяет существенно увеличить среднее значение зарядного импульса (по сути - длительность зарядного импульса), а следовательно, и эффективность выравнивания. При этом зарядный импульс не переходит целиком в тепло на «сильных» аккумуляторах, а процесс выравнивания аккумуляторов по емкости реализуется, в основном, за счет разницы в () по зарядному току, а не на простом перезаряде «сильных» аккумуляторов. Этот факт приводит к снижению температуры аккумуляторной батареи в процессе выравнивания, к снижению соответственно токов саморазряда и, как следствие, к достижению более высокой степени выравнивания аккумуляторов по емкости.

Для реализации такой технологии коэффициент полезного действия по зарядному току (как и токи саморазряда) для использования в математическом выражении формулы заявляемого изобретения определяется той степенью заряженности «слабого» аккумулятора, которую поставлена задача достигнуть.

На 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 (напряжения, давления, температуры) 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 (с командно-измерительной радиолинией).

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном 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 прохождения ИСЗ штатных теневых участков орбиты.

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

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

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует текущую емкость аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ «закладывается» программа, реализующая контроль аккумуляторной батареи и управление ее режимами работы:

1. Контролируется текущее состояние аккумуляторной батареи по напряжению аккумуляторов, давлению и температуре.

2. При достижении заранее заданных критериев (или с какой-то периодичностью), по команде с Земли или автоматически, включают программу, реализующую дозаряд аккумуляторной батареи импульсным током, чередуя зарядные импульсы с разрядными импульсами.

3. Величину зарядного импульса устанавливают равной номинальному зарядному току, а среднее значение зарядных импульсов устанавливают исходя из соотношения:

где I_ЗС - среднее значение зарядных импульсов;

I_РС - среднее значение разрядных импульсов;

I_С - максимальная величина тока саморазряда аккумуляторов;

- коэффициент полезного действия по зарядному току, соответствующий I_С.

4. Включение и отключение заряда (зарядных импульсов) реализуется непосредственно управлением работой схемы управления 10 зарядного преобразователя 5 от нагрузки (бортовой ЭВМ) 2, а включение и отключение разрядных импульсов - управлением коммутатором К, подключающим разрядное сопротивление R.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет поддерживать аккумуляторную батарею на высоком уровне заряженности, минимизировать разбаланс аккумуляторов по емкости, а следовательно, повышает емкостные 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 искусственных спутников Земли (ИСЗ). Согласно изобретению способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника Земли заключается в проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, периодических дозарядов импульсным током и контроле текущего состояния аккумуляторов. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности устранения разбаланса аккумуляторов аккумуляторной батареи по емкости, а следовательно - повышение емкостных ресурсных характеристик и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. Дозаряд аккумуляторной батареи импульсным током проводят, чередуя зарядные импульсы с разрядными импульсами, причем величину зарядного импульса устанавливают равной величине номинального зарядного тока, а среднее значение зарядных импульсов устанавливают исходя из соотношения:

где I_Зс - действующее значение зарядных импульсов; I_Рс - действующее значение разрядных импульсов; I_С - максимальная величина тока саморазряда аккумуляторов; - коэффициент полезного действия по зарядному току, соответствующий I_С.. 2 ил.

Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, периодических дозарядов импульсным током и контроле текущего состояния аккумуляторов, отличающийся тем, что дозаряд импульсным током проводят, чередуя зарядные импульсы с разрядными импульсами, причем величину зарядного импульса устанавливают, равной величине номинального зарядного тока, а среднее значение зарядных импульсов устанавливают, исходя из соотношения

где I_Зс - действующее значение зарядных импульсов;

I_Рс - действующее значение разрядных импульсов;

I_С - максимальная величина тока саморазряда аккумуляторов;

_{- коэффициент полезного действия по зарядному току, соответствующий IС.}