СПОСОБ ЗАРЯДА КОМПЛЕКТА ИЗ "n" ЛИТИЙ-ИОННЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В СОСТАВЕ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2012 года по МПК H01M10/44 H01M10/525 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их заряда, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов, и описанные в книге Д.А.Хрусталев. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003 г., глава 4.4. В данной работе отмечаются очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Однако известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.

Наиболее близким техническим решением является способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи путем проведения заряда двумя зарядными устройствами и поэлементного контроля напряжения аккумуляторов с помощью блоков контроля заряда, спроектированных и изготовленных в Исследовательском центре Гленн NASA, которые шунтируют избыточный ток, когда аккумулятор достигает требуемого напряжения конца заряда (см. NASA/TM-2005-213995, ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ NASA ПРОВЕРОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ, Барбара Маккисок, Мишель А. Манзо, Томас Б. Миллер и Конча М. Рейд. Исследовательский центр Гленн, Кливленд, шт.Огайо, Уилльям Р. Беннет и Рассел Гемейнер, Компания QSS Group, Inc., Кливленд, шт.Огайо, раздел Описание испытаний, подраздел Е. Ресурсные испытания).

Этот способ принят за прототип заявляемого технического решения.

Известный способ позволяет проводить эффективный заряд аккумуляторных батарей, однако для его реализации необходимы два зарядных устройства на две аккумуляторные батареи, рассчитанные на полный зарядный ток, что снижает удельно-массовые характеристики системы электропитания ИСЗ.

Задачей заявляемого изобретения является повышение удельных энергетических характеристик системы электропитания ИСЗ и надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.

Поставленная задача решается тем, что заряд аккумуляторных батарей проводят поочередно с периодом τ_з, при этом длительность заряда каждой батареи τ_зi, в течение периода τ_з устанавливают исходя из соотношения

где U_maxi, В - величина максимального текущего значения напряжения аккумулятора в каждой i-той аккумуляторной батарее.

При этом период времени τ_з выбирают исходя из допустимого разбаланса аккумуляторных батарей по емкости исходя из соотношения

ΔC, А·ч - допустимый разбаланс аккумуляторных батарей по емкости;

I_зар, А - ток заряда аккумуляторных батарей.

Действительно, при работе ИСЗ на геостационарной орбите теневой участок составляет менее 2 часов в сутки, следовательно оставшихся 22 часов вполне достаточно, чтоб зарядить аккумуляторные батареи одним зарядным преобразователем. При этом разряд аккумуляторных батарей может быть неодинаков. В связи с этим для обеспечения эффективной балансировки аккумуляторов по напряжению в процессе проведения заряда (подзаряда) аккумуляторных батарей, важное значение имеет время заряда (подзаряда) каждой аккумуляторной батареи.

Рассчитаем реальное значение времени заряда аккумуляторной батареи, учитывая что разбаланс двух аккумуляторных батарей составит 50 А·ч, а ток заряда 25 А для некоторого абстрактного случая:

ΔC=50 А·ч

I_зар=25 А

Тогда общее время заряда аккумуляторной батареи составит

U_max1=4,2 В;

U_max2=4,0 В.

Тогда время заряда аккумуляторной батареи с напряжением 4,2 В составит

Из расчета видно, что время заряда аккумуляторных батарей с разным напряжением неодинаково, и для обеспечения успешной балансировки необходимо батарею с напряжением 4 В заряжать 1,024 часа, а батарею с напряжением 4,2 В заряжать 0,976 часа. Учитывая то, что емкость литий-ионных аккумуляторных батарей прямо пропорциональна напряжению аккумуляторов, это позволит завершить заряд всех аккумуляторных батарей одновременно.

На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемой автономной системы электропитания ИСЗ, с помощью которой поясняется предполагаемый способ заряда.

Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через сериесный преобразователь напряжения 3 и аккумуляторные батареи 4₁-4₂, подключенные через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6₁-6₂ к входу выходного фильтра сериесного преобразователя напряжения 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторным батареям 4₁-4₂ подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7₁-7₂, связанные входом с аккумуляторными батареями 4₁-4₂ для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2.

В силовой цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей 4₁-4₂ установлены измерительные шунты 8₁-8₂.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10. Вольтодобавочный узел зарядного преобразователя 5 выполнен на трансформаторе 5₁, транзисторах 5₂ и выпрямителе на диодах 5₃. Дополнительно в состав зарядного преобразователя 5 введен переключатель выхода 15, состоящий из двух транзисторных ключей 16 и 17, связанных с аккумуляторными батареями 4₁-4₂ и нагрузкой 2.

Каждый разрядный преобразователь 6₁-6₂ состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Сериесный преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра C₁ и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С₂.

Схемы управления:

- 12 разрядных преобразователей 6₁-6₂;

- 14 сериесного преобразователя напряжения 3

выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, связанных измерительными органами с напряжением нагрузки 2 автономной системы электропитания.

Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 связана с измерительными шунтами 8₁-8₂ в силовых цепях аккумуляторных батарей 4₁-4₂ и с напряжением солнечной батареи 1.

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4₁-4₂ работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. При этом поочередно в течение времени, рассчитанном по формуле (1) бортовой ЭВМ заряжая по отдельности каждую аккумуляторную батарею. Это обеспечивается запиранием одного из транзисторных ключей, например ключом 16, и открытием другого ключа 17 по командам с нагрузки 2. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

При этом зарядный преобразователь 5 работает в режиме заряда стабильным током для обеспечения заряда аккумуляторных батарей 4₁-4₂ оптимальными режимами.

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

При прохождении теневых участков орбиты или при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4₁-4₂ через разрядные преобразователи 6₁-6₂.

Устройства контроля 7₁-7₂ контролируют напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4₁-4₂ и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.

Далее бортовая ЭВМ в составе нагрузки 2 реализует алгоритм управления зарядом аккумуляторных батарей. По результатам анализа телеметрической информации алгоритм в процессе эксплуатации ИСЗ может меняться через командно-измерительную радиолинию ИСЗ.

Таким образом, заряд двух аккумуляторных батарей с помощью одного зарядного преобразователя, который попеременно заряжает батареи в течение времени, рассчитанном по формуле (1), решает проблему более эффективной балансировки аккумуляторов по напряжению в процессе проведения заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей (АБ) автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ). Техническим результатом изобретения является повышение удельных энергетических характеристик системы электропитания ИСЗ и надежности эксплуатации литий-ионной АБ в автономной системе электропитания ИСЗ. Согласно изобретению контролируют текущее напряжение аккумуляторов каждой АБ, поочередно с периодом τ_з проводят их заряды постоянным током до достижения напряжения любым аккумулятором каждой АБ заданного значения, при этом длительность заряда каждой аккумуляторной батареи τ_зi в течение периода τ_з устанавливают исходя из соотношения

где U_maxi, В - величина максимального текущего значения напряжения аккумулятора в каждой i-той аккумуляторной батарее; n - число аккумуляторных батарей. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ заряда комплекта из «n» литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли, заключающийся в контроле текущего напряжения аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи и проведении зарядов постоянным током до достижения напряжения любого аккумулятора каждой аккумуляторной батареи заданного значения, отличающийся тем, что заряд аккумуляторных батарей проводят поочередно с периодом τ_з, при этом длительность заряда каждой аккумуляторной батареи τ_зi в течение периода τ_з устанавливают, исходя из соотношения:
,
где U_maxi, В - величина максимального текущего значения напряжения аккумулятора в каждой i-той аккумуляторной батарее;
n - число аккумуляторных батарей.

2. Способ заряда комплекта, состоящего из «n» аккумуляторных батарей по п.1, отличающийся тем, что период времени τ_з выбирают, исходя из допустимого разбаланса аккумуляторных батарей по емкости, исходя из соотношения:
, ч
где ΔС, А·ч - допустимый разбаланс аккумуляторных батарей по емкости;
I_зар, А - ток заряда аккумуляторных батарей.