СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПЛЕКТА НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ГЕОСТАЦИОНАРНОГО КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2013 года по МПК H01M10/00 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в системах электропитания космических аппаратов (КА), функционирующих на геостационарной орбите.

При эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей в системе электропитания геостационарного космического аппарата необходимо учитывать специфику работы АБ на геостационарной орбите. Она заключается в следующем: на орбитах со 100%-ной освещенностью, в течение двух периодов в году по 5 месяцев АБ непрерывно находятся в режиме "мелкого" цитирования в состоянии, близком к полной заряженности. При включениях электрореактивной двигательной установки (например, стационарного плазменного двигателя) для коррекции орбиты, которая может происходить дважды в сутки, возможен разряд АБ на ограниченную емкость. Этот режим разряда для АБ не является критичным и проверочным. Наиболее критичным периодом для АБ является пребывание КА на орбите с теневыми участками (периоды в области равноденствий). При постепенном нарастании длительности тени глубина разряда АБ увеличивается от 0 до максимума при максимальной длительности тени 1,2 часа и затем снижается до нуля. Способ эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей в системе электропитания геостационарного космического аппарата должен обеспечивать проведение своевременных профилактических мероприятий, восстанавливающих текущую емкость аккумуляторных батарей перед прохождением КА теневых участков орбиты и исключающих незапланированные перерывы в работе целевой аппаратуры КА.

Известен способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей по патенту РФ №2289178, заключающийся в том, что проводят зарядно-разрядные циклы, осуществляют контроль напряжения каждого аккумулятора и батареи в целом, определяют текущую разрядную и зарядную емкости, а также ток заряда, заряд АБ проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости. Перед началом теневых участков геостационарной орбиты выполняют восстановительный разрядно-зарядный цикл АБ, при этом разряд проводят на сопротивление величиной, определяемой по формуле

$$R=n\cdot \frac{\mathrm{1,25}\cdot T_0}{C_{ном}}$$

где n - количество аккумуляторов в никель-водородной аккумуляторной батарее;

1,25 - среднее разрядное напряжение аккумуляторов;

T_o - время разряда, ч;

C_ном - номинальная емкость никель-водородной аккумуляторной батареи,

с ограничением разряда по величине напряжения, равного числу (n-1) аккумуляторов в батарее, в течение 40-50 ч (T₀), а заряд проводят током, величиной не менее 0,15 номинальной емкости.

Недостатком известного способа является то, что он не регламентирует следующие важные эксплуатационные аспекты работы с АБ:

1) проверка готовности АБ к прохождению теневых участков;

2) технология оценки текущей разрядной емкости АБ;

3) проведение при необходимости восстановительных действий с последующим контролем их эффективности.

Кроме того, разряд АБ в известном способе ограничивают исходя из состояния заряженности какого-либо аккумулятора, что ограничивает возможность использования всей имеющейся в аккумуляторной батарее емкости.

Все это снижает надежность и эффективность эксплуатации АБ, в частности, и надежность целевого использования КА в целом.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей по патенту РФ №2399122, выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что периодически, например один раз в 6-9 месяцев, вводят запрет заряда для одной из АБ, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают в вольтах равным числу n либо (n+1) аккумуляторов в аккумуляторной батарее, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, включая тем самым ее в штатную работу, значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла, используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, при этом промежуток времени от завершения формовочного цикла одной АБ до начала формовочного цикла другой АБ выбирают исходя из температурного режима отформованной АБ.

Недостатком известного способа является то, что он ориентирован на работу комплекта АБ в составе низкоорбитальных КА и не учитывает специфики работы КА на геостационарной орбите, что снижает надежность и эффективность эксплуатации АБ, в частности, и надежность целевого использования КА в целом.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности и эффективности эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей и надежности целевого использования КА.

Поставленная задача решается тем, что при эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей в системе электропитания геостационарного космического аппарата, заключающейся в проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии подзарядов и разрядов, когда степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по уровню давления водорода в аккумуляторах, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например электрическую емкость, напряжение аккумуляторов и температуру, периодически вводят запрет заряда для одной из аккумуляторных батарей и проводят ее профилактический разряд с ограничением его по заданному критерию, после чего снимают запрет заряда аккумуляторной батареи, включая тем самым ее в штатную работу, аналогичную последовательность операций повторяют, при необходимости, для других АБ, запрет заряда и проведение профилактического разряда проводят перед началом теневых участков орбиты, при этом оценивают величину разрядной электрической емкости на предмет ее достаточности для прохождения последующих теневых участков, при необходимости профилактический разряд повторяют. При этом глубину профилактического разряда аккумуляторной батареи выбирают по минимальной величине ее напряжения, при котором обеспечивается стабильный уровень напряжения на выходе системы электропитания конкретной структуры. Кроме того, при несоответствии разрядной электрической емкости величине, достаточной для прохождения последующих теневых участков, последующую зарядную электрическую емкость пересчитывают в разрядную по формуле С_р=с_з·η_з,

где C_р - разрядная емкость аккумуляторной батареи, А*ч;

C_з - зарядная емкость аккумуляторной батареи, А*ч;

η_з - коэффициент полезного действия процесса заряда аккумуляторной батареи,

а полученный результат используют для оценки величины разрядной электрической емкости на предмет ее достаточности для прохождения последующих теневых участков.

Действительно, современные никель-водородные аккумуляторные батареи, используемые в космической технике, имеют в своем составе байпасные диоды, шунтирующие аккумуляторы в разрядном направлении при полном разряде какого-либо аккумулятора. Наличие указанных разрядных диодов (с низким падением напряжения менее 0,3 В) позволяет разряжать аккумуляторные батареи (без риска вывести какой-либо аккумулятор из строя) на их предельную глубину, определяемую общим минимальным напряжением АБ, при котором обеспечивается стабильный уровень напряжения на выходе системы электропитания конкретной структуры. Иными словами, использовать имеющуюся в АБ энергию по максимуму.

Проведение глубокого профилактического разряда АБ способствует проработке активной массы аккумуляторов и соответственно снижению их внутреннего сопротивления, снижению разбаланса аккумуляторов по емкости, что в конечном итоге повышает ее текущие емкостные возможности. При этом факт повышения емкости АБ после профилактического разряда можно увидеть на последующем заряде или на повторном цикле. Более глубокий профилактический разряд дает более полный эффект, а разрядную емкость АБ можно оценить по ее последующей (за разрядом) зарядной емкостью, пересчитав ее в разрядную по формуле Сp=с_з·η_з,

где C_р - разрядная емкость аккумуляторной батареи, А*ч;

C_з - зарядная емкость аккумуляторной батареи, А*ч;

η_з - коэффициент полезного действия процесса заряда аккумуляторной батареи.

На фиг.1 приведена функциональная схема автономной системы электропитания КА для реализации заявляемого способа.

Автономная система электропитания КА содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 4₁-4_n, подключенные через зарядные преобразователи 5₁-5_n к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6₁-6_n ко входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3. Кроме того, аккумуляторные батареи 4₁-4_n содержат в своем составе байпасные разрядные цепи, состоящие из диодов, подключенных параллельно каждому аккумулятору в разрядном направлении.

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

Параллельно аккумуляторным батареям 4₁-4_n подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7₁-7_n, связанные входом с аккумуляторными батареями 4₁-4_n для контроля напряжения, давления и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2. Кроме того, устройства контроля аккумуляторных батарей 7₁-7_n содержат в своем составе разрядные сопротивления (на схеме не показано) для проведения профилактических разрядов аккумуляторных батарей 4₁-4_n.

В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8₁-8_n.

Зарядные преобразователи 5₁-5_n состоят из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 5-5, транзисторах 5-1 и 5-2 и выпрямителя на диодах 5-3 и 5-4.

Разрядные преобразователи 6₁-6_n состоят из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра на конденсаторе 3-1 и выходного фильтра на диоде 3-2, дросселе 3-3 и конденсаторе 3-4.

Схемы управления 10-зарядных преобразователей 5₁-5_n, 12-разрядных преобразователей 6₁-6_n, 14 - преобразователя напряжения 3 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5₁-5_n дополнительно связаны с измерительными шунтами 8₁-8_n и нагрузкой 2.

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4₁-4_n работают, в основном, в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 5₁-5_n. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации КА 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 КА на Солнце, нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4₁-4_n через разрядные преобразователи 6₁-6_n.

Устройства контроля 7₁-7_n контролируют напряжение, давление и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4₁-4_n и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи перед началом теневых участков орбиты по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию запускают программу профилактического разряда какой-либо аккумуляторной батареи. При этом с помощью бортовой ЭВМ реализуются необходимые действия по блокировке (запрет заряда) и последующей разблокировке работы зарядного преобразователя, включению и выключению профилактического разряда, контролю разрядной и зарядной емкости, проведению вычислений и принятию решения о положительном завершении профилактической работы (завершению работы программы).

Таким образом, применение предлагаемого способа эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей в системе электропитания геостационарного космического аппарата позволяет повысить надежность и эффективность их эксплуатации и надежность целевого использования КА.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в системах электропитания космических аппаратов (КА), функционирующих на геостационарной орбите. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей и надежности целевого использования КА. Указанный результат достигается тем, что запрет заряда и проведение профилактического разряда проводят перед началом теневых участков орбиты, при этом оценивают величину разрядной электрической емкости на предмет ее достаточности для прохождения последующих теневых участков, при необходимости профилактический разряд повторяют. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации комплекта никель-водородных аккумуляторных батарей в системе электропитания геостационарного космического аппарата, заключающийся в проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов и разрядов, при этом степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по уровню давления водорода в аккумуляторах, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например электрическую емкость, напряжение аккумуляторов и температуру, периодически вводят запрет заряда для одной из аккумуляторных батарей и проводят ее профилактический разряд с ограничением его по заданному критерию, после чего снимают запрет заряда аккумуляторной батареи, включая тем самым ее в штатную работу, аналогичную последовательность операций повторяют, при необходимости, для других АБ, отличающийся тем, что запрет заряда и проведение профилактического разряда проводят перед началом теневых участков орбиты, при этом оценивают величину разрядной электрической емкости на предмет ее достаточности для прохождения последующих теневых участков, при необходимости профилактический разряд повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что глубину профилактического разряда аккумуляторной батареи выбирают по минимальной величине ее напряжения, при котором обеспечивается стабильный уровень напряжения на выходе системы электропитания конкретной структуры.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при несоответствии разрядной электрической емкости величине, достаточной для прохождения последующих теневых участков, последующую зарядную электрическую емкость пересчитывают в разрядную по формуле Ср=с_з·η_з, где
Ср - разрядная емкость аккумуляторной батареи, А·ч;
С_з - зарядная емкость аккумуляторной батареи, А·ч;
η_з - коэффициент полезного действия процесса заряда аккумуляторной батареи,
а полученный результат используют для оценки величины разрядной электрической емкости на предмет ее достаточности для прохождения последующих теневых участков.