СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ ЕМКОСТИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ КА Российский патент 2008 года по МПК H01M10/42 H01M10/34 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания потребителей, установленных на автономных объектах, в частности на космических аппаратах.

Известна проблема с разбежкой аккумуляторов по емкости при длительном циклировании их в последовательной цепи батареи, в результате чего при разряде батареи на нагрузку отдельные аккумуляторы «переполюсовываются» (меняют полярность) и ограничивают разряд батареи. Механизм «разбежки» аккумуляторов по емкости на примере никель-кадмиевых аккумуляторов описан в работе Золотов А.И. «Режим эксплуатации никель-кадмиевых батарей и срок их службы». [Электротехническая промышленность. Серия Химические источники тока. 1980, вып.5 с.22, 23]. Особенностью работы аккумуляторов в батарее является то, что все они заряжаются и разряжаются одним и тем же током и на одну и ту же емкость, что и вся батарея, в то время как аккумуляторы могут иметь некоторые отличия в характеристиках. Источниками разбежки аккумуляторов по емкости могут быть:

- различия в исходной емкости в аккумуляторах при их подборе в батарею;

- отличия в величине внутреннего сопротивления аккумуляторов из-за технологических разбросов;

- отличия в степени деградации аккумуляторов на сроке службы;

- отличия в температуре аккумуляторов и степени саморазряда.

Поэтому разработчики систем электропитания предпринимают различные меры по выравниванию емкости аккумуляторов. Наиболее простым методом является широко используемый в наземных условиях разряд аккумуляторов на индивидуальные разрядные сопротивления, подключаемые к батарее для разряда. Однако из-за сложности его реализации для автоматического режима работы, когда вмешательства обслуживающего персонала исключено, он не нашел применения в автономных объектах.

В космических условиях широко используются два метода выравнивания емкости:

- разрядом батареи на общее сопротивление (этот метод широко используется в разработках США, например на ИСЗ серии Intelsat [Levy E., Ir.Osugi Fred s.Design and Performance of Intelsat - IV Power Subsystem. «7^th Intersoc. Energy Convers Eng Conf., San Diego, Calif., 1972»] - аналог;

- подзарядом батареи малым током после полного заряда (т.н. Trickle charge), см., например, [A Power Subsystem for telecommunication Satellite / L.Croci, P.Galantini, C.Marana Proceeding of the European Space Power Conference Held in Graz, Austria, 23-27 August 1993 (ESA WPP-054, Ang. 1993)] - прототип.

Метод выравнивания емкости разрядом батареи на общее разрядное сопротивление (аналог) не лишен недостатков. Во-первых, он требует дополнительных затрат массы (резисторы, коммутационные переключатели с глубоким резервированием для обеспечения высокой надежности на любой вид отказа), усложняет схему контроля и управления аккумуляторной батареи (АБ). Типовой алгоритм разряда для выравнивания аккумуляторов заключается в разряде батареи до снижения напряжения на любом из аккумуляторов до уровня 0,5 В, затем уменьшение тока разряда (увеличение сопротивления резистора), повторный разряд до 0,5 В на любом из аккумуляторов и т.д. Процедура выравнивания заканчивается последним разрядом до 0,5 В на наиболее "слабом" аккумуляторе. При этом, несмотря на сложную процедуру разряда, полный разряд всех аккумуляторов до 0 В при таком методе не гарантируется.

Суть второго метода (прототип) сводится к тому, что все аккумуляторы независимо от их индивидуального состояния после полного заряда подвергаются перезаряду определенным током.

Величина тока перезаряда выбирается из анализа многих факторов:

- величины саморазряда аккумуляторов;

- температуры;

- способа охлаждения;

- режима циклирования батареи и т.п.

Значение тока выбирается на основе компромисса между обеспечением полной степени заряженности батареи и недопущением перегрева отдельных аккумуляторов. Для исключения разбаланса ток перезаряда должен быть достаточным для «подтягивания» наиболее «слабого» аккумулятора, т.е. аккумулятора, имеющего максимальный саморазряд и минимальный КПД заряда. Поэтому во всех случаях, из-за индивидуальных особенностей аккумуляторов при выбранном токе подзаряда, в батарее имеются аккумуляторы, которые подвергаются наибольшему перезаряду. Известно, что перезаряд герметичного аккумулятора приводит к его перегреву и появлению в газовой фазе кислорода, что отрицательно сказывается на ресурсных характеристиках батареи. Поэтому в реальной практике приходится выбирать меньшее из зол:

- или допускать перегрев отдельных аккумуляторов и идти на риск ухудшения ресурсных характеристик батареи, но при этом обеспечивать в текущий период времени полную заряженность всех аккумуляторов;

- или допускать ограниченный разбаланс аккумуляторов по емкости со снижением разрядной емкости батареи.

Выравнивание емкости за счет подзаряда связано с дополнительными трудностями по управлению, т.к. из-за ресурсной деградации аккумуляторов величина необходимого тока подзаряда должна корректироваться в процессе эксплуатации КА.

В предлагаемом методе выравнивания аккумуляторов по емкости используется свойство никель-водородного аккумулятора - т.н. свойство «селективного катализа», которое выражается в том, что основная реакция:

NiOOH+1/2Н₂⇒Ni(OH)₂.

При замыкании внешней цепи аккумулятора реакция является токообразующей и идет намного быстрее, чем без замыкания цепи. Во втором случае она происходит вследствие химического (а не электрохимического) процесса и определяет саморазряд аккумулятора.

Скорость химического процесса окисления водорода имеет сильную зависимость от температуры. В этой же работе приведены экспериментальные данные, из которых видно, что снижение емкости аккумуляторов до уровня на 50% от начальной при хранении происходит при температуре 15°С за ˜20 суток, при 30°С за 5 суток. Аналогичная зависимость подтверждается и многими другими источниками.

Суть предлагаемого метода заключается в нагреве аккумуляторов и хранении батареи в отключенном от заряда и нагрузки состояния до снижения напряжения на всех аккумуляторах ниже 0,5 В.

По многочисленным источникам емкость аккумулятора практически исчерпывается полностью при снижении напряжения ниже 1,0 В даже при разряде на внешнюю нагрузку малым током. При хранении без внешней нагрузки это условие тем более выполняется.

Длительность хранения до гарантированного полного саморазряда каждого аккумулятора определяется температурой и степенью заряженности перед началом операции. По техническим условиям на никель-водородные батареи максимально допустимая температура аккумуляторов при хранении допускается не более 50°С.

То есть, в процессе эксплуатации, для выравнивания аккумуляторов по емкости батарею периодически отключают от внешней электрической цепи, нагревают, хранят при повышенной температуре в течение времени, достаточного для полного саморазряда всех аккумуляторов, после чего отключают обогрев и подключают батарею к внешней электрической цепи, заряжают и продолжают эксплуатацию. Предлагаемый метод выравнивания позволяет обеспечить независимый саморазряд каждого аккумулятора и не требует дополнительных затрат массы и аппаратно-программных ресурсов для разработчика системы электропитания. Это можно пояснить на примере геостационарного связного КА:

- для обеспечения надежности КА в составе системы электропитания используются как минимум две аккумуляторные батареи, которые в сумме рассчитаны на обеспечение требуемой емкости при прохождении теневых участков орбиты. Длительность периода с теневыми участками орбиты составляет 45 суток в течение полугода. В остальное время около 5 месяцев батареи находятся в режиме поддержания готовности и могут быть использованы для поочередного выравнивания емкости без нарушения режима работы системы электропитания и отсутствии угрозы для живучести КА;

- на большинстве КА используются способы охлаждения батарей излучением тепла в космическое пространство с помощью специальных радиационных панелей. При этом для защиты батарей от переохлаждения (в тех случаях, когда они не подвергаются глубокому циклированию) используются специальные нагреватели. Они подключаются или автоматически при снижении температуры аккумуляторов до установленного значения, или по команде с Земли. Эти же обогреватели могут быть использованы для нагрева АБ при выравнивании емкости;

- при реализации метода на конкретном КА могут быть использованы различные сочетания длительности хранения и температуры нагрева батареи. Для безопасной работы аккумуляторов при дальнейшей эксплуатации максимальную температуру необходимо ограничить уровнем плюс 50°С.

Таким образом, отличительной особенностью предлагаемого метода является возможность полного выравнивания емкости аккумуляторов в батарее при предельной простоте и отсутствии дополнительных затрат на его реализацию. Предлагаемый способ предлагается использовать в разработках КА.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания потребителей, установленных на автономных объектах, в частности на космических аппаратах. Согласно изобретению способ выравнивания заключается в использовании сильной зависимости скорости саморазряда никель-водородных аккумуляторов от температуры и обеспечивается отключением батареи от заряда и нагрузки, ее нагревом и хранением при температуре не выше 50° в течение времени, достаточного для полного разряда всех аккумуляторов, т.е. до снижения напряжения аккумуляторов ниже 0,5 В. Отличительной особенностью предлагаемого способа является то, что он не требует разработки новых специальных мер по его осуществлению, т.к. использует уже имеющиеся в составе аккумуляторной батареи обогреватели. Техническим результатом является возможность полного выравнивания емкости аккумуляторов в батарее при предельной простоте и отсутствии дополнительных затрат на его реализацию.

Способ выравнивания емкости никель-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в отключении ее от внешней цепи, отличающийся тем, что аккумуляторную батарею нагревают и хранят в отключенном состоянии при температуре не выше 50° до полного саморазряда всех аккумуляторов ниже 0,5 В, после чего ее охлаждают до рабочей температуры и подключают к внешней цепи.