Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли Российский патент 2017 года по МПК H01M10/44 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, ограничении заряда по максимальной величине напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО «Сатурн», г. Краснодар).

В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ.563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.

Недостатком известного способа заряда литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что проведение выравнивания аккумуляторов по емкости, - процесс, связанный с достижением заранее установленной величины разбаланса по напряжению, усложняет эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи.

Наиболее близким техническим решением является «способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания (патент RU 2461101), заключающийся в проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов, при необходимости, разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением, подключении к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора, отличающийся тем, что по завершении балансировки или в процессе ее проведения дополнительно проводят упреждающую разбалансировку аккумуляторов по напряжению относительно напряжения первоначально выбранного аккумулятора.

Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.

Недостатком известного способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что процесс начала проведения балансировки аккумуляторов не определен во времени, что усложняет эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ. При работе аккумуляторной батареи в составе ИСЗ не всегда есть возможность проведения профилактических работ с ней, необходимо выбирать приемлемый для этого промежуток времени.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ.

Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранении в подзаряженном состоянии периодически после проведения заряда или перед планируемым разрядом аккумуляторной батареи рассчитывают скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением и максимальное время до достижения этим аккумулятором критичного снижения текущей емкости, а балансировку проводят не позднее рассчитанного времени. Кроме того, скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением рассчитывают по формуле

V=(Uизм_i-Uизм_(i-1))/τ,

где V - скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением, В/ч;

Uизм - измеренное напряжение на каком-либо аккумуляторе, В;

i - номер измерения;

τ - время между текущим и предшествующим измерением,

а очередную балансировку аккумуляторов по напряжению проводят не позднее времени рассчитанного исходя из соотношения

T≤(Uтзар-Uкрит)/V,

где T - время до проведения очередной балансировки аккумуляторов по напряжению, ч;

Uтзар - текущее напряжение аккумулятора с минимальным текущим напряжением после предшествующего заряда аккумуляторной батареи, В;

Uкрит - критичная величина напряжения аккумулятора с минимальным текущим напряжением после предшествующего заряда аккумуляторной батареи, В.

Действительно, известно, что емкость литий-ионного аккумулятора прямо пропорциональна его напряжению. Поэтому расчет текущей скорости саморазряда аккумулятора равнозначно проводить в В/ч. Расчет текущей скорости саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением позволяет рассчитать с достаточно высокой точностью максимальное время до проведения очередной балансировки. Полученные данные позволят планировать проведение балансировки аккумуляторов в нужный период, не вводя ограничений на целевую работу ИСЗ.

На чертеже, фиг. 1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу.

Автономная система электропитания 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.

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

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.

Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле в блоке реле 4-4.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16 и выпрямителя на диодах 17.

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

1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов 4-1, определяется аккумулятор, имеющий наименьшее напряжение.

2. Максимальная разница текущих напряжений этого аккумулятора с предшествующим измерением используется для расчета текущей скорости саморазряда этого аккумулятора. Для расчета используется также время между проведенными измерениями.

3. Исходя из допустимой критичной величины напряжения аккумулятора с минимальным текущим напряжением после предшествующего заряда аккумуляторной батареи рассчитывается время (максимальное) до необходимости проведения очередной балансировки аккумуляторов по напряжению.

Это позволяет планировать проведение процесса балансировки аккумуляторов в графике эксплуатации ИСЗ без ущерба для целевой работы ИСЗ, что упрощает процесс эксплуатации аккумуляторной батареи и ИСЗ в целом.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ.

Использование: в области электротехники. Технический результат – более точное определение времени начала балансировки аккумуляторов. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли заключается в контроле напряжения аккумуляторов, проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранении в подзаряженном состоянии. Согласно способу периодически после проведения заряда или перед планируемым разрядом аккумуляторной батареи рассчитывают скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением и максимальное время до достижения этим аккумулятором критичного снижения текущей емкости, а балансировку проводят не позднее рассчитанного времени. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранении в подзаряженном состоянии, отличающийся тем, что периодически после проведения заряда или перед планируемым разрядом аккумуляторной батареи рассчитывают скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением и максимальное время до достижения этим аккумулятором критичного снижения текущей емкости, а балансировку проводят не позднее рассчитанного времени.

2. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли по п. 1, отличающийся тем, что скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением рассчитывают по формуле

V=(Uизм_i-Uизм_(i-i))/τ,

где V - скорость саморазряда аккумулятора с минимальным текущим напряжением, В/ч;

Uизм - измеренное напряжение на каком-либо аккумуляторе, В;

i - номер измерения;

τ - время между текущим и предшествующим измерениями,

а очередную балансировку аккумуляторов по напряжению проводят не позднее времени, рассчитанного исходя из соотношения

Т≤(Uтзар-Uкрит)/V,

где Т - время до проведения очередной балансировки аккумуляторов по напряжению, ч;

Uтзар - текущее напряжение аккумулятора с минимальным текущим напряжением после предшествующего заряда аккумуляторной батареи, В;

Uкрит - критичная величина напряжения аккумулятора с минимальным текущим напряжением после предшествующего заряда аккумуляторной батареи, В.