СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕРМЕТИЧНОЙ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2008 года по МПК H01M10/44 

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

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (см."Металл-водородные электрохимические системы". Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. - Ленинград: Химия, Ленинградское отделение, 1989 г. стр.262).

Способ эксплуатации заключается в следующем. При снижении за счет саморазряда или разряда давления в аккумуляторах батареи до установленного в способе управления нижнего уровня, подключают зарядное устройство к батарее. При повышении, в процессе заряда, давления в аккумуляторах батареи до установленного в способе управления верхнего уровня отключают зарядное устройство от аккумуляторной батареи.

Заряд отключается также при срабатывании контактов дискретного датчика давления, настроенного на предельно допустимое давление.

Описанный способ позволяет эксплуатировать батарею не на предельных уровнях давления, управлять уровнем заряженности батареи в зависимости от требуемой для питания нагрузки разрядной энергии, т.е. эксплуатировать батарею на минимально необходимом уровне заряженности.

Однако этот способ не позволяет эффективно осуществлять управление зарядом при изменениях температуры аккумуляторной батареи. Этот способ можно применять только при какой-то определенной температуре (узком диапазоне температур), так как давление водорода в аккумуляторах зависит от температуры.

Известен «Способ эксплуатации герметичной никель-водородной батареи, включающий измерение давления водорода в батарее и проведение заряд-разрядных циклов при отклонении величины измеряемого параметра от заданного значения, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру батареи и на основании полученных данных вычисляют плотность водорода, сравнивают полученное значение плотности с заданным, отключают заряд батареи при равенстве или превышении плотности заданной величины и включают заряд батареи при снижении плотности на 5-10% ниже заданного уровня» (см. патент РФ 2084055, кл. Н01М 10/44, 1995 г.).

Недостатком известного способа является его низкая функциональная надежность при обеспечении эффективного использования (обеспечение максимальной разрядной емкости) аккумуляторной батареи.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является «Способ эксплуатации герметичной никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли путем проведения заряд-разрядных циклов, с отключением заряда по заданному уровню измеряемых степени заряженности и температуре аккумуляторов и включением заряда батареи при снижении давления водорода в аккумуляторах до контролируемого нижнего уровня заряженности, при этом отключают заряд после сообщения, от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов, емкости заранее заданной величины, с ограничением ее по предельно допустимой температуре аккумуляторов, причем величину емкости, сообщаемой от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов, корректируют в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи исходя из уровня достигаемой на конец заряда температуры аккумуляторов», принятый за прототип (см. патент РФ №2294581, кл. Н01М 10/44, 2007 г.).

Недостатком известного способа является его сложность низкая функциональная надежность при обеспечении длительной (10 лет и более) эксплуатации аккумуляторной батареи.

Это обусловлено тем, что известный способ не учитывает ресурсные изменения характеристик аккумуляторов в процессе длительной эксплуатации, таких как накопление балластного водорода в результате коррозии активной массы, см. ("Металл-водородные электрохимические системы". Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. - Ленинград: Химия, Ленинградское отделение, 1989 г, стр.268).

Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности и упрощение способа эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная задача достигается тем, что текущую емкость аккумуляторов определяют исходя из соотношения: Ei=(Pi-Po)·k, где - Ei - текущее значение емкости аккумуляторов;

- Pi - текущее значение давления водорода в аккумуляторах;

- Ро - величина балластного давления водорода в аккумуляторах;

- k - коэффициент пересчета давления в емкость,

кроме того, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи величину балластного давления водорода Ро корректируют в сторону увеличения, причем корректировку проводят в случае снижения напряжения на каком-либо аккумуляторе, в процессе разряда аккумуляторной батареи, до нижнего контрольного значения.

Действительно, накопление балластного водорода в аккумуляторах при длительной эксплуатации аккумуляторной батареи приводит к снижению эффективности известного способа, так как уровень заряженности, определяемый по давлению водорода, деградирует в процессе длительной эксплуатации аккумуляторной батареи по отношению к ее истинной емкости.

Проводя мониторинг аккумуляторной батареи в процессе длительной эксплуатации ИСЗ будут фиксироваться факты снижения напряжения отдельных аккумуляторов до нижнего контрольного значения (0,8-0,9) В - см. ("Металл-водородные электрохимические системы". Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. Ленинград: Химия, Ленинградское отделение, 1989 г., стр.255), особенно в случаях, когда разряд аккумуляторной батареи начался после длительного перерыва от момента последнего окончания заряда. Наихудший случай - когда время включения очередного заряда для компенсации саморазряда совпадает со входом ИСЗ на «теневой» участок орбиты.

Факт снижения напряжения отдельных аккумуляторов до нижнего контрольного значения (0,8-0,9) В является основанием для повышения контрольных значений уровня заряженности.

В то же время это будет мнимое повышение уровня заряженности, так как, по сути, это возврат к исходному уровню заряженности аккумуляторной батареи.

Наиболее просто и с сохранением объективной информации об уровне заряженности аккумуляторной батареи можно решить эту проблему путем изменения тарировки зависимости текущей емкости от давления водорода в аккумуляторах, увеличив значение Ро в математическом выражении формулы заявляемого изобретения. Степень увеличения Ро может быть рассчитана исходя из необходимой величины запаса по уровню заряженности аккумуляторной батареи. При этом вся процедура управления зарядом аккумуляторной батареи остается без изменения, а телеметрические данные по уровню заряженности аккумуляторной батареи будут соответствовать действительности.

На чертеже 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, напряжения, давления и температуры аккумуляторов) 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: 10 зарядного преобразователя 5, 12 - разрядного преобразователя 6, 14 - преобразователя напряжения 3, 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, в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.

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 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 аккумуляторов 7 контролирует напряжение, давление и температуру аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2, в которой реализуют следующие технологические операции:

1. Обрабатываются данные по текущему значению давления, напряжения и температуры аккумуляторов и рассчитывается текущий уровень заряженности.

2. При достижении заранее заданных значений уровня заряженности и с учетом температуры аккумуляторов формируется команды на включение и выключение зарядного преобразователя.

3. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных о величине достигаемой на конец заряда напряжения аккумуляторов, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, корректируют величину давления Ро в математическом выражении для расчета текущего уровня заряженности.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить функциональную надежность и упростить способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи и, следовательно, повысить надежность работы 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). Согласно изобретению способ эксплуатации герметичной никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ путем проведения заряд-разрядных циклов, контроля текущей емкости и температуры аккумуляторов, расчета значения текущей емкости и управления зарядом с учетом заранее установленных контрольных значений текущей емкости и температуры аккумуляторов, при этом текущую емкость аккумуляторов определяют исходя из соотношения: Ei=(Pi-Po)·k, где Ei - текущее значение емкости аккумуляторов; Pi - текущее значение давления водорода в аккумуляторах; Ро - величина балластного давления водорода в аккумуляторах; k - коэффициент пересчета давления в емкость, кроме того, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи величину балластного давления водорода Ро корректируют в сторону увеличения, причем корректировку проводят в случае снижения напряжения на каком-либо аккумуляторе, в процессе разряда аккумуляторной батареи, до нижнего контрольного значения. Техническим результатом изобретения является повышение функциональной надежности и упрощение способа эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. 1 ил.

Способ эксплуатации герметичной никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли путем проведения заряд-разрядных циклов, контроля напряжения, давления и температуры аккумуляторов, расчета значения текущей емкости и управления зарядом с учетом заранее установленных контрольных значений текущей емкости и температуры аккумуляторов, отличающийся тем, что значение текущей емкости аккумуляторов определяют исходя из соотношения

Ei=(Pi-Po)k,

где Ei - текущее значение емкости аккумуляторов;

Pi - текущее значение давления водорода в аккумуляторах;

Ро - величина балластного давления водорода в аккумуляторах;

k - коэффициент пересчета давления в емкость,

кроме того, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи величину балластного давления водорода Ро корректируют в сторону увеличения, причем корректировку проводят в случае снижения напряжения на каком-либо аккумуляторе в процессе разряда аккумуляторной батареи до нижнего контрольного значения.