СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК H01M10/44 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании никель-водородных аккумуляторных батарей и автономных систем электропитания космических аппаратов (КА).

Известны аккумуляторные батареи и способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, описанные в технической литературе (см. Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы", Ленинград "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г., [1]).

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (авт.св. №1746443, Н01М 10/44, 12/06), в котором управление заряд-разрядными циклами проводят по двухуставочному датчику давления с разницей уставок давления ΔР и температуре, а разряд оканчивают по минимальному напряжению, при достижении на разряде аккумуляторов минимального значения напряжения, периодически повышают уставки датчика давления, причем нижнюю уставку повышают до уровня верхней, а верхнюю - на величину ΔР.

При практическом применении известных способов эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей были выявлены следующие особенности поведения аккумуляторов.

Так на одном из действующих геостационарных КА, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, в отдельных аккумуляторах наблюдалось постепенное снижение давления водорода. Учитывая, что давление водорода пропорционально степени заряженности никель-водородного аккумулятора, констатируем, что в батарее возник постепенно нарастающий разбаланс аккумуляторов по емкости. Более тщательный анализ напряжения аккумуляторов показал, что имеется некоторое количество аккумуляторов, имеющих тенденцию к снижению емкости.

Появление в составе батареи ряда аккумуляторов с пониженной емкостью резко сокращает энергетические возможности и ресурс батареи и КА в целом.

Проведенные исследования показали, что причиной пониженного разрядного напряжения этих аккумуляторов явилось возникновение в них температурного градиента. В результате этого из электролита, в центральной области активной массы, «уходит» вода в более холодные граничные области и, как следствие, повышается внутреннее сопротивление аккумулятора с соответствующим понижением разрядного напряжения.

Такой же эффект снижения энергетических характеристик отдельных аккумуляторов зафиксирован при эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА Intelsat V F-6 и экспериментально подтвержден в лаборатории COMSAT (см. Martin Earl and Todd Burke Comsat Labs., Andrew Dunnet, INTELSAT. Method for Rejuvenating Ni-H₂ Battery Cells. Eng. Conf. "Technol. Energy Effic. 21-st Century", San Diego, Calif., aug. 3-7, 1992: IECIC-92 Vo1.1, 1992, p.127-132, [2]).

Движущей силой данного процесса является градиент температур: чем он выше, тем интенсивнее во времени происходит конденсация пара из электролита на более холодных областях аккумулятора.

Существует предельный градиент температур, ниже которого не происходит конденсация пара (при 15°С - примерно 7°С, а при 25°С - около 8°С).

Наиболее близким по технической сущности является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении ее зарядов, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся в тепловом сопряжении с цилиндрическими поверхностями аккумуляторов, согласно которому дополнительно термостатируют поверхности аккумуляторов, не находящиеся в тепловом сопряжении с термоплатой для повышения их текущей температуры (патент №2366041, RU). Этот способ принят за прототип.

Известный способ позволяет пассивными средствами снизить вероятность появления критичного (выше предельного) градиента температур, что повышает надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.

Однако эффективность известного способа распространяется на малые мощности циклирования аккумуляторных батарей. При разряде аккумуляторной батареи большими токами (более 0,5 номинальной емкости) и на глубину до 0,8 номинальной емкости и более, вероятность появления критичного (выше предельного) градиента температур сохраняется, что снижает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Известна автономная система электропитания космического аппарата, описанная в материалах патента №2334337, RU, принятая за прототип. Известная автономная система электропитания КА содержит солнечную батарею, подключенную к нагрузке через преобразователь напряжения, аккумуляторные батареи, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи - к входу выходного фильтра преобразователя напряжения. При этом нагрузка в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию. Параллельно аккумуляторным батареям подключены устройства контроля аккумуляторных батарей, связанные входом с аккумуляторными батареями для контроля напряжения, давления и температуры аккумуляторов, а выходом - с нагрузкой.

Недостатком известной автономной системы электропитания является то, что она не решает задач, связанных с устранением эффекта перераспределения воды в аккумуляторах аккумуляторных батарей, что снижает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА.

Поставленная цель достигается тем, что при проведении зарядов аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании цилиндрических поверхностей аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся с ними в тепловом сопряжении, термостатировании поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, для повышения их текущей температуры, термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, проводят путем принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями. Кроме того, термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, путем принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями проводят в процессе хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, при отсутствии токов заряда и разряда. При этом в автономной системе электропитания космического аппарата для реализации способа, содержащей первичный источник электроэнергии, аккумуляторные батареи и зарядные и разрядные преобразователи, зарядные преобразователи выполнены с двумя уровнями ограничения по выходному напряжению: уровень проведения заряда и уровень отключенного заряда, последний - с напряжением менее напряжения разомкнутой цепи аккумуляторной батареи, кроме того, на выходе зарядных преобразователей установлены дополнительные выпрямители для подключения соединенных в последовательную цепь всех электронагревателей через управляемые коммутаторы этой цепи.

Действительно, активный теплосъем с никель-водородной аккумуляторной батареи осуществляется посредством термоплаты, находящейся в тепловом сопряжении с цилиндрическими (наиболее теплонапряженными) поверхностями аккумуляторов. Пассивное термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой (для повышения их текущей температуры), применяемое в прототипе, малоэффективно и неспособно к какому-либо регулированию в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи. Применение же принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями позволяет гибко регулировать степень нагрева практически в любой конкретной ситуации и гарантированно исключить возникновение нежелательного градиента температур в осевом сечении аккумуляторов. При этом термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, путем принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями целесообразно проводить в процессе хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, при отсутствии токов заряда и разряда, так как это не снижает текущие энергетические характеристики аккумуляторных батарей и в то же время обеспечивает необходимый технический эффект. Наиболее просто это в автономной системе электропитания КА решается подключением соединенных в последовательную цепь всех электронагревателей через управляемые коммутаторы этой цепи к выходу зарядных преобразователей через дополнительно установленные выпрямители. В этом случае в режиме разряда аккумуляторных батарей (при недостатке мощности первичного источника электроэнергии) работа зарядных преобразователей автоматически заблокирована и соответственно питание с электронагревателей снято.

Защита от разряда аккумуляторной батареи в режиме ее хранения в заряженном состоянии (ток заряда отсутствует) обеспечивается диодами в выходных выпрямителях, а подзаряд заряженных аккумуляторных батарей заблокирован тем, что зарядные преобразователи выполнены с двумя уровнями ограничения по выходному напряжению: уровень проведения заряда и уровень отключенного заряда с напряжением менее напряжения разомкнутой цепи аккумуляторной батареи.

При этом в процессе заряда аккумуляторной батареи возможна одновременная работа электронагревателей, если коммутатор цепи находится в замкнутом состоянии, на что будет тратиться часть зарядной мощности, но существенного влияния на процесс заряда это не окажет.

Суть предлагаемого способа поясняется чертежом, где приведена функциональная схема автономной системы электропитания КА (с одной аккумуляторной батареей) для реализации заявляемого способа.

Автономная система электропитания КА 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. Аккумуляторная батарея 4 содержит в своем составе последовательно соединенные аккумуляторы 4-1, последовательно соединенные электронагреватели 4-2 и коммутатор цепи 4-3.

Нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на чертеже не показано).

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторных батарей 7, связанное входом с аккумуляторной батареей 4 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов 4-1 и управления состоянием коммутатора цепи 4-3, а выходом - с нагрузкой 2.

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 15, транзисторах 16 и двух параллельно включенных выпрямителей на диодах 17. Один выпрямитель служит для заряда аккумуляторной батареи 4, а второй - для подключения через коммутатор цепи 4-3 последовательной цепи электронагревателей 4-2.

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 - конденсатор 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.

Схемы управления: 10-зарядного преобразователя 5, 12-разрядного преобразователя 6 и 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 подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце.

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 и температуру аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции:

Обрабатываются данные по текущему значению температуры аккумуляторов 4-1, выбирается и запускается в работу алгоритм управления электронагревателями (замыкания и размыкания коммутатора цепи 4-3) для конкретной ситуации.

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных, при необходимости, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию алгоритмы управления электронагревателями могут корректироваться.

Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания КА и автономная система электропитания для его реализации позволяют снизить величину температурного градиента в осевом направлении аккумуляторов в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, что повышает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания КА.

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании никель-водородных аккумуляторных батарей и автономных систем электропитания космических аппаратов (КА). Техническим результатом изобретения является повышение надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА. Поставленная задача решается тем, что термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, проводят путем принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями. Кроме того, термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, путем принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями проводят в процессе хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, при отсутствии токов заряда и разряда. При этом в автономной системе электропитания космического аппарата для реализации способа зарядные преобразователи выполнены с двумя уровнями ограничения по выходному напряжению: уровень проведения заряда и уровень отключенного заряда, последний - с напряжением менее напряжения разомкнутой цепи аккумуляторной батареи, кроме того, на выходе зарядных преобразователей установлены дополнительные выпрямители для подключения соединенных в последовательную цепь всех электронагревателей через управляемые коммутаторы этой цепи. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата, заключающийся в проведении ее зарядов, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании цилиндрических поверхностей аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся с ними в тепловом сопряжении, термостатировании поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, для повышения их текущей температуры, отличающийся тем, что термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, проводят путем принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями.

2. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата по п.1, отличающийся тем, что термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, путем принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями проводят в процессе хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, при отсутствии токов заряда и разряда.

3. Автономная система электропитания космического аппарата для реализации способа по п.1, содержащая первичный источник электроэнергии, аккумуляторные батареи и зарядные и разрядные преобразователи, отличающаяся тем, что зарядные преобразователи выполнены с двумя уровнями ограничения по выходному напряжению: уровень проведения заряда и уровень отключенного заряда, последний - с напряжением менее напряжения разомкнутой цепи аккумуляторной батареи, кроме того, на выходе зарядных преобразователей установлены дополнительные выпрямители для подключения соединенных в последовательную цепь всех электронагревателей через управляемые коммутаторы этой цепи.