СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ К ШТАТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ Российский патент 2013 года по МПК H01M10/44 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при подготовке литий-ионных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Вывод ИСЗ на орбиту связан обычно с длительным нахождением аппарата на участке выведения, до 7-10 часов, когда основной источник электроэнергии - солнечная батарея - находится в сложенном состоянии, а электропитание аппаратуры обеспечивается в основном от аккумуляторных батарей. Энергия аккумуляторных батарей требуется и тогда, когда происходит раскрытие панелей солнечной батареи, поиск Солнца и ориентация панелей солнечной батареи, что занимает дополнительно еще 2-3 часа. Возможные задержки в ориентации ИСЗ также приводят к увеличению времени работы бортовой аппаратуры от аккумуляторных батарей.

Исходя из вышеизложенного, к начальной энергии аккумуляторных батарей предъявляются очень высокие требования. Высокие требования обеспечиваются как типом электрохимической системы аккумулятора (например, литий-ионный), так и эффективностью технологии подготовки аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации (предстартового заряда).

Особенностями литий-ионных аккумуляторных батарей являются минимальный саморазряд аккумуляторов и малое внутреннее сопротивление (соответственно, малое тепловыделение). Первая особенность позволяет проводить подготовку литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации (предстартовый заряд аккумуляторных батарей) заблаговременно, а вторая - оптимизировать технологию проведения подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации с целью ее упрощения на завершающем этапе подготовки ИСЗ к штатной эксплуатации.

Существующий, тем не менее, саморазряд аккумуляторов и режим хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии ведет к частичной потере емкости и некоторому разбалансу аккумуляторов по емкости (последнее так же ведет к снижению разрядной емкости аккумуляторной батареи), что следует иметь в виду, формируя технологию подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации.

Устранение (нивелирование) разбаланса аккумуляторов по емкости, в процессе проведения подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации, можно реализовать режимом балансировки аккумуляторов по напряжению. При этом необходимо учитывать баланс между тепловыделением и возможностями текущего теплосъема, для предотвращения излишнего нагрева аккумуляторной батареи.

Известен способ подготовки аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли (см. патент №2401485 RU), согласно которому проводят термостатирование в статическом режиме посредством продувки полости обтекателя космической головной части воздухом, контролируют температуру воздуха посредством датчиков температуры и регулируют при необходимости температуру воздуха, контролируют температуру аккумуляторной батареи, проводят стартовый заряд номинальным током и последующий дозаряд малым током, при этом, прекращение заряда номинальным током проводят после повышения температуры аккумуляторной батареи на 2-5°С, от предшествующего стартовому заряду значения, с ограничением по допустимой для аккумуляторной батареи температуре, причем, между зарядом номинальным током и дозарядом малым током предусматривают паузу для отвода тепловой энергии от аккумуляторной батареи накопленной на предшествующем заряде номинальным током.

Недостатком известного способа является то, что он касается работы преимущественно с никель-водородными аккумуляторными батареями и для литий-ионных аккумуляторных батарей практически неприемлем.

Наиболее близким по технической сущности является способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи (подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли), описанный в книге А.А. Тагановой, Ю.И. Бубнова, С.Б. Орлова, Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации, Санкт-Петербург, Химиздат, 2005 г., главы 7 и 5 [1]. Согласно приведенному источнику, максимальная степень заряженности литий-ионной аккумуляторной батареи может быть достигнута путем комбинированного заряда: вначале стабильным током, затем стабильным напряжением до снижения зарядного тока до 0,03 от номинальной емкости аккумуляторной батареи. При этом необходимо проведение периодической балансировки аккумуляторов по напряжению. Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.

Недостатком известного способа является то, что он не рассматривает режимов термостатирования аккумуляторной батареи и других технологических условий для достижения оптимального результата (наибольшей емкости на начало штатной эксплуатации аккумуляторной батареи), что снижает надежность известного способа, так как может привести к необоснованному нагреву аккумуляторной батареи в процессе проведения подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации, что снизит эффективность ее заряда.

Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности и обеспечение эффективного заряда литий-ионных аккумуляторных батарей при ограниченном теплосъеме при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ.

Поставленная задача решается тем, что при проведении заряда, балансировки аккумуляторов по напряжению и последующего дозаряда, перед отправкой искусственного спутника Земли на полигон запуска проводят предварительный заряд аккумуляторной батареи с обеспечением термостатирования, а на полигоне запуска проводят окончательный заряд, с последующей балансировкой аккумуляторов по напряжению, и проводят как минимум один дозаряд аккумуляторной батареи без обеспечения ее термостатирования. Кроме того, предлагается проводить «n» дозарядов с периодом в 10-20 суток без обеспечения термостатирования аккумуляторной батареи, а заключительный дозаряд на полигоне запуска проводят не ранее промежутка времени до запуска искусственного спутника Земли, рассчитанного исходя из соотношения: Т≤ΔСс/Jc, где

Т - максимальное время до запуска искусственного спутника Земли от проведения заключительного дозаряда с предшествующей балансировкой, час;

ΔСс - допустимая величина снижения емкости, А·час;

Jc - максимальный ток саморазряда аккумуляторов (включая токи утечки на бортовую автоматику ИСЗ), А.

Действительно, проведение предварительного заряда с обеспечением термостатирования аккумуляторной батареи на заводе-изготовителе искусственного спутника Земли перед отправкой его на полигон запуска, позволяет провести эту часть работы в комфортных температурных условиях и упростить последующую работу по подготовке аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации на полигоне запуска ИСЗ.

Как отмечено в [1], «за 12 месяцев аккумуляторы теряют 10-20% запасенной емкости». Из этого следует, что величина необходимого заряда аккумуляторной батареи на полигоне запуска, время балансировки аккумуляторов по напряжению и последующего дозаряда будут меньше номинальных значений, что позволит исключить принудительное термостатирование аккумуляторной батареи, что упрощает технологию работ и повышает надежность.

Из того же источника [1] следует, что «саморазряд литий-ионного аккумулятора составляет 4-6% за первый месяц». Исходя из этого, предлагается проводить «n дозарядов с предшествующей балансировкой с периодом в 10-20 суток без обеспечения термостатирования аккумуляторной батареи, что позволит обеспечить высокую степень заряженности аккумуляторной батареи на начало ее штатной эксплуатации. Более высокую степень готовности предлагается обеспечить путем проведения заключительного дозаряда с предшествующей балансировкой на полигоне запуска не ранее промежутка времени до запуска искусственного спутника Земли, рассчитанного исходя из соотношения: Т≤ΔСс/Jc, где

Т - максимальное время до запуска искусственного спутника Земли от проведения заключительного дозаряда с предшествующей балансировкой, час;

ΔСс - допустимая величина снижения емкости, А·час;

Jc - максимальный ток саморазряда аккумуляторов (включая токи утечки на бортовую автоматику ИСЗ), А.

Пример реализации предлагаемого решения поясняется чертежом, где на 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, состоящий из устройств зарядно-разрядных 2, устройств контроля напряжения аккумуляторов 3 и устройства расширения интерфейса 4;

- ПЭВМ 5;

- ИСЗ 6 с установленными аккумуляторными батареями 7.

Аккумуляторные батареи 7 в своем составе содержат балансировочные резисторы (на чертеже не показаны), подключенные параллельно к аккумуляторам через коммутаторы бортовые или наземные.

«Устройства контроля напряжения аккумуляторов» 3 предназначены для контроля напряжения аккумуляторов и коммутации балансировочных резисторов аккумуляторных батарей 7.

В процессе подготовки литий-ионных аккумуляторных батарей 7 к штатной эксплуатации проводится их заряд (дозаряд) от устройств зарядно-разрядных 2 с контролем напряжения аккумуляторов устройствами контроля напряжения аккумуляторов 3 и балансировка аккумуляторов по напряжению, так же устройствами контроля напряжения аккумуляторов 3. Токи заряда (дозаряда) и уставки ограничения напряжения аккумуляторов в процессе заряда (дозаряда) заносятся в программу ПЭВМ 5, которая через устройство расширения интерфейса 4 управляет работой устройствами зарядно-разрядными 2 и устройствами контроля напряжения аккумуляторов 3. Аналогично проводится балансировка аккумуляторов по напряжению. Устройства контроля напряжения аккумуляторов 3 замыкают цепи разрядных резисторов, подключенных параллельно аккумуляторам (на чертеже не показано) аккумуляторных батарей 7, кроме аккумуляторов с наименьшими напряжениями. Далее аккумуляторы в каждой аккумуляторной батарее 7 разряжаются до достижения величины их напряжения величине наименьшего значения напряжения аккумулятора в данной аккумуляторной батарее 7. Разряд каждого аккумулятора прекращается размыканием цепи разрядных резисторов в устройствах контроля напряжения аккумуляторов 3. Структура рабочего места на заводе-изготовителе ИСЗ и на полигоне запуска ИСЗ равнозначна.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить функциональную надежность и обеспечить эффективный заряд литий-ионных аккумуляторных батарей при ограниченном теплосъеме при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ.

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при подготовке литий-ионных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ). Техническим результатом является повышение функциональной надежности и обеспечение эффективного заряда литий-ионных аккумуляторных батарей при ограниченном теплосъеме при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ. Указанный результат достигается тем, что перед отправкой искусственного спутника Земли на полигон запуска проводят предварительный заряд аккумуляторной батареи с обеспечением термостатирования, а на полигоне запуска проводят окончательный заряд, с последующей балансировкой аккумуляторов по напряжению, и проводят как минимум один дозаряд аккумуляторной батареи без обеспечения ее термостатирования. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении заряда, балансировки аккумуляторов по напряжению и последующего дозаряда, отличающийся тем, что перед отправкой искусственного спутника Земли на полигон запуска проводят предварительный заряд аккумуляторной батареи с обеспечением термостатирования, а на полигоне запуска проводят окончательный заряд, с последующей балансировкой аккумуляторов по напряжению, и проводят как минимум один дозаряд аккумуляторной батареи без обеспечения ее термостатирования.

2. Способ подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что на полигоне запуска проводят «n» дозарядов с периодом в 10-20 суток без обеспечения термостатирования аккумуляторной батареи.

3. Способ подготовки литий-ионной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли по п.2, отличающийся тем, что заключительный дозаряд на полигоне запуска проводят не ранее промежутка времени до запуска искусственного спутника Земли, рассчитанного исходя из соотношения: Т≤ΔСс/Jc,
где Т - максимальное время до запуска искусственного спутника Земли от проведения заключительного дозаряда с предшествующей балансировкой, ч;
ΔСс - допустимая величина снижения емкости, А·ч;
Jc - максимальный ток саморазряда аккумуляторов (включая токи утечки на бортовую автоматику ИСЗ), А.