СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ИЗ n ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ АККУМУЛЯТОРОВ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2012 года по МПК H01M10/44 

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

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи происходит разбаланс аккумуляторов по емкости. При разряде аккумуляторной батареи аккумуляторы с наименьшей емкостью могут подвергаться переполюсовке, что приводит к выделению в них кислорода. Для исключения выделения кислорода мощность водородного электрода предусматривают выше мощности положительного электрода либо в аккумулятор вводят избыточный (балластный) водород (см. главу XI, Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы". Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г., [1]).

Химические реакции на положительном и отрицательном электродах на примере никель-водородного аккумулятора при его переразряде имеют следующий вид.

На положительном электроде:

2NiOOH+2H₂O+2e^→2Ni(OH)₂+2OH^-.

На отрицательном электроде:

- при наличии балластного водорода 1/2Н₂+ОН^-→H₂O+е;

- при отсутствии водорода в аккумуляторе 2(OH)^-→2e+1/2O₂+H₂O.

Однако в современных аккумуляторных батареях существующее требование по повышению их удельных энергетических характеристик вынуждает разработчиков аккумуляторных батарей (полностью или частично) пренебрегать известными приемами.

При появлении в аккумуляторе кислорода (при полном отсутствии водорода) происходит его накапливание и в случае последующего активного заряда аккумуляторной батареи и интенсивного выделения водорода в аккумуляторе образуются локальные зоны с взрывоопасной смесью. Образование таких зон приводит к нестационарной рекомбинации в аккумуляторе, а нестационарная рекомбинация - к появлению внутренних шунтов в аккумуляторе. В результате данный аккумулятор приобретает повышенный саморазряд и, как следствие, пониженную емкость и в процессе разряда аккумуляторной батареи вновь переполюсовывается. С каждым разом процесс все более усугубляется.

В настоящее время на практике в большинстве случаев разряд батареи прекращают по минимальному напряжению аккумуляторов, что исключает появление кислорода, однако это снижает эффективность использования аккумуляторной батареи в целом.

Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи, предусматривающий "обход" отказавшего в процессе эксплуатации аккумулятора посредством диодных /байпасных/ цепей /см. W.I.Billerbeck, W.E.Baker "The desing of reliable power systems for communi ca-tions satelite", Comsat Laboratories Clarksbufg, AIAA/NASA Spacesyst. Technol.Conf. 14/8, 5-7 June, 1984/.

Недостатком известного способа является то, что в процессе разряда аккумуляторной батареи при полном разряде какого-либо аккумулятора наличие падения напряжения на диодах /0,4-0,6/ В, приложенного к отказавшему аккумулятору в обратной полярности, способствует протеканию в последнем электрохимических реакций, связанных с выделением кислорода, что может привести к его последующему отказу (см. главу XI,[1]).

Тем не менее наличие диодов ограничивает степень переполюсовки аккумулятора.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, «обходе» аккумуляторов, имеющих меньшую емкость, разрядными байпасными диодами и контроле напряжения каждого аккумулятора, согласно которому заряд аккумуляторной батареи начинают с контроля напряжения разомкнутой цепи каждого аккумулятора и при наличии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины их электрохимической пары штатный заряд аккумуляторной батареи проводят после предварительного подзаряда малым током, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, до достижения напряжением на всех аккумуляторах величины выше стандартной величины их электрохимической пары, далее повторно контролируют напряжение разомкнутой цепи аккумуляторов и при отсутствии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины их электрохимической пары включают штатный заряд, в противном случае подзаряд повторяют (патент RU, №2254644). Этот патент в качестве прототипа заявляемому изобретению.

Известный способ позволяет исключить нестационарную рекомбинацию путем дозированной подачи зарядного тока (дозированным выделением водорода в аккумуляторе), исключающим появление локальных зон с взрывоопасной смесью.

Величина восстановительного тока подзаряда зависит от конкретной конструкции аккумулятора и должна быть определена на этапе разработки аккумуляторной батареи.

В процессе заряда переполюсованного аккумулятора наличие кислорода в аккумуляторе препятствует восстановлению напряжения разомкнутой цепи аккумулятора до стандартного значения данной электрохимической пары.

Поэтому за порог, гарантирующий отсутствие кислорода в аккумуляторе, в известном способе принято его напряжение разомкнутой цепи (НРЦ) аккумулятора не менее стандартного значения. Стандартное значение НРЦ для никель-водородного аккумулятора составляет 1,267 В (см. [1], Таблица 1.1).

Недостатком известного способа является то, что поэлементный контроль напряжения аккумуляторов не всегда возможен. Например, при работе аккумуляторной батареи в составе ИСЗ на заключительных этапах работ по подготовке ИСЗ к запуску количество электрических цепей для обслуживания аккумуляторной батареи наземными средствами ограничено возможностями ракеты-носителя (или разгонного блока). Это снижает функциональные возможности и надежность известного способа.

Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональных возможностей и надежности способа эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что при проведении заряда и разряда, «обходе» аккумуляторов, имеющих меньшую емкость, разрядными байпасными диодами, хранении в разряженном состоянии, контроле напряжения аккумуляторной батареи и проведении подзаряда, при необходимости, малым током, перед проведением заряда, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, на этапе изготовления аккумуляторной батареи определяют минимальное E_min, В и максимальное E_max, В значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов, а подзаряд малым током, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, проводят перед проведением заряда аккумуляторной батареи, если напряжение разомкнутой цепи на ней менее n·E_min, В, а число аккумуляторов n<E_min/(E_max-E_min)+1, при этом подзаряд проводят с сообщением емкости в пределах (0,02-0,06) от номинальной емкости аккумуляторов, А·ч, после чего повторно контролируют напряжение разомкнутой цепи аккумуляторной батареи, и при напряжении разомкнутой цепи более n·E_min В включают заряд, в противном случае подзаряд малым током повторяют. Кроме того, минимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов увеличивают при необходимости по формуле: E_min>(n-1)·E_max/n, для достижения соответствия неравенства по п.1 реальному числу аккумуляторов в эксплуатируемой аккумуляторной батарее, при этом минимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов увеличивают в пределах до величины максимального значения напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов. Для никель-водородной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов в составе искусственного спутника Земли минимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов принимают равным 1,12 В, а максимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов принимают равным 1,16 В.

Известно, что НРЦ аккумулятора зависит от активности компонентов, давления водорода и других конструктивных факторов аккумулятора (см. [1], Глава 1.3). Реальное значение НРЦ разряженного никель-водородного аккумулятора несколько ниже известной стандартной величины и составляет, согласно проведенному анализу, (1,12÷1,16) В.

Очевидно, что если НРЦ разряженной аккумуляторной батареи больше n·1,16 В (E_max), то в ней однозначно нет переполюсованных (содержащих кислород) аккумуляторов. Однако в этом случае подзаряд малым током необходимо будет проводить практически всегда, так как в аккумуляторной батарее часть аккумуляторов (пусть даже один аккумулятор) скорее всего будут иметь НРЦ меньше 1,16 В (E_max), в пределах до 1,12 В (E_min).

Для снижения вероятности проведения технически необоснованного подзаряда целесообразно снизить «контрольную» величину НРЦ аккумуляторной батареи до n·1,12 В. Однако в этом случае необходимо обеспечить выполнение соотношения (E_max-E_min)·(n-1)<E_min, когда все, кроме одного аккумулятора, имеют максимальное значение НРЦ (худший случай). Тогда число аккумуляторов в этой аккумуляторной батарее составит:

n<E_min/(E_max-E_min)+1 или для рассматриваемого конкретного случая: n<1,12/(1,16-1,12)+1 или n<29 аккумуляторов.

Если в аккумуляторной батарее число аккумуляторов больше 28, например 40, то величину E_min необходимо увеличить для достижения соответствия неравенства реальному числу аккумуляторов в эксплуатируемой аккумуляторной батарее. В данном случае, преобразуя выше приведенное неравенство, получим:

E_min>(n-1)·E_max/n или E_min>(40-1)·1,16/40 или E_min>1,131 В. Если принять E_min=1,132 В, то n составит: n<1,132/(1,16-1,132)+1 или n<41 аккумулятора.

На чертеже, фиг.1, представлена структурная схема рабочего места для автономной работы с аккумуляторными батареями в составе ИСЗ в наземных условиях.

Рабочее место содержит:

- Зарядно-разрядный комплекс 1 в составе устройства зарядно-разрядного 2, устройства контроля напряжения и датчиков давления 3 и устройства расширения интерфейса 4;

- ПЭВМ 5;

- ИСЗ 6 с установленными аккумуляторными батареями 7.

В процессе наземной эксплуатации аккумуляторная батарея 7 подвергается хранению в разряженном состоянии.

Так как рабочее место для автономной работы с аккумуляторными батареями 7 в составе ИСЗ 6 оснащено ПЭВМ 5, имеющей связь через «устройство расширения интерфейса» 4 с «устройством зарядно-разрядным» 2 и «устройством контроля аккумуляторов» 3, то задача автоматического включения предшествующего подзаряда решается простыми программными средствами, в случае, когда НРЦ аккумуляторной батареи окажется меньше заданной величины.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет исключить появление локальных зон с взрывоопасной смесью и исключить внутренние микровзрывы в аккумуляторах при проведении заряда аккумуляторной батареи без контроля НРЦ аккумуляторов, что повышает функциональные возможности и надежность способа эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (НВАБ). Техническим результатом изобретения является повышение функциональных возможностей и надежности способа эксплуатации НВАБ. Согласно изобретению способ эксплуатации НВАБ из n последовательно соединенных аккумуляторов в составе искусственного спутника Земли заключается в проведении заряда и разряда, «обходе» аккумуляторов, имеющих меньшую емкость, разрядными байпасными диодами, хранении в разряженном состоянии, контроле напряжения аккумуляторной батареи и проведении подзаряда, при необходимости, малым током перед проведением заряда, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, при этом на этапе изготовления аккумуляторной батареи определяют минимальное E_min, В и максимальное E_max, В значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов, а подзаряд малым током проводят перед проведением заряда аккумуляторной батареи. Приводятся математические выражения, определяющие условия подзаряда малым током. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов в составе искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении заряда и разряда, «обходе» аккумуляторов, имеющих меньшую емкость, разрядными байпасными диодами, хранении в разряженном состоянии, контроле напряжения аккумуляторной батареи и проведении подзаряда, при необходимости, малым током, перед проведением заряда, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, отличающийся тем, что на этапе изготовления аккумуляторной батареи определяют минимальное E_min, В, и максимальное E_max, В, значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов, а подзаряд малым током, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, проводят перед проведением заряда аккумуляторной батареи, если напряжение разомкнутой цепи на ней менее n·E_min, В, а число аккумуляторов n<E_min/(E_max-E_min)+1, при этом подзаряд проводят с сообщением емкости в пределах (0,02÷0,06) от номинальной емкости аккумуляторов, А·ч, после чего повторно контролируют напряжение разомкнутой цепи аккумуляторной батареи и при напряжении разомкнутой цепи более n·E_min, В, включают заряд, в противном случае подзаряд малым током повторяют.

2. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов в составе искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что минимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов увеличивают, при необходимости по формуле: E_min>(n-1)·E_max/n, для достижения соответствия неравенства по п.1 реальному числу аккумуляторов в эксплуатируемой аккумуляторной батарее.

3. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов в составе искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что минимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов увеличивают в пределах до величины максимального значения напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов.

4. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных аккумуляторов в составе искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что минимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов принимают равным 1,12 В, а максимальное значение напряжения разомкнутой цепи разряженных аккумуляторов принимают равным 1,16 В.