Способ заряда комплекта из "n" литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли Российский патент 2019 года по МПК H02J7/35 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их заряда, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге Д.А. Хрусталев, Аккумуляторы, М., Изумруд, 2003 г., глава 4.4. В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Однако, известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.

Наиболее близким техническим решением является способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи путем проведения заряда двумя зарядными устройствами и поэлементного контроля напряжения аккумуляторов с помощью блоков контроля заряда, спроектированных и изготовленных в Исследовательском центре Гленн NASA, которые шунтируют избыточный ток, когда аккумулятор достигает требуемого напряжения конца заряда (см. NASA/TM-2005-213995, предварительные результаты проведенных NASA проверочных испытаний литий-ионного аккумулятора для космического применения, Барбара Маккисок, Мишель А. Манзо, Томас Б. Миллер и Конча М. Рейд Исследовательский центр Гленн, Кливленд, шт. Огайо, Уилльям Р. Беннет и Рассел Гемейнер, Компания QSS Group, Inc., Кливленд, шт. Огайо, раздел Описание испытаний, подраздел Е. Ресурсные испытания).

Недостатком такого метода является то, что заряд батареи осуществляется постоянным током, при этом известно, что реальная аккумуляторная батарея имеет внутренний импеданс, и очевидно, что чем выше ток заряда, тем больше будет падение напряжения на внутреннее сопротивление аккумулятора, следовательно, на большую энергоемкость мы не дозарядим батарею. Очевидно, при применении в промышленных и бытовых условиях это незначительная потеря энергоемкости не критична ввиду возможности подключить источник питания. Однако при возникновении нештатной ситуации на ИСЗ, такой, как например, потеря ориентации на Солнце, отсутствие энергоемкости может привести к потери космического аппарата.

Наиболее близким по технической сущности является заряд батареи максимальным током до достижения емкости 70% с последующем дозарядом ее падающим током (см. Д.А. Хрусталев, Аккумуляторы, М., Изумруд, 2003 г., глава 4.6). Недостатком данного способа является отсутствие преемственности зарядного устройства ИСЗ различной мощности, так как максимальный ток заряда напрямую зависит от энергоемкости АБ. Что в конечном итоге приводит к увеличению стоимости зарядного устройства, из-за необходимости проведения новой разработки в случае применения АБ с энергоемкостью отличной от примененных ранее.

Задачей заявляемого изобретения является применение такого способа заряда, который позволит восстановить полную энергоемкость, что в конечном итоге приведет к повышению живучести ИСЗ, а так же обеспечит преемственность зарядных устройств, что позволит снизить его конечную стоимость и сроки его изготовления.

Поставленная задача решается тем, что заряд аккумуляторной батареи проводят ступенчатым током заряда, при этом после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда, после того, как зарядное напряжение аккумулятора достигнет своего предельного разрешенного значения, ток заряда снижается и снова подзаряжает батарею до предельного уровня, только уже меньшим током, причем снижение тока заряда и подзаряда до предельного уровня проводят несколько раз до установления минимальной величины зарядного тока включительно.

Действительно использование данного метода обладает преимуществами метода заряда подающим током, с помощью которого можно максимально зарядить аккумуляторную батарею. При этом спроектированное и разработанное зарядное устройство с множеством ступеней заряда обладает универсальностью. Такое зарядное устройство возможно использовать на аккумуляторных батареях разной емкости, которые имеют отличные токи заряда.

Известно, что литий-ионные аккумуляторные батареи могут безопасно работать только при нормальном напряжении заряда. Если оно будет выше нормального, батарея может работать нестабильно и выйти из строя. Это происходит потому, что при превышении значения напряжения заряда 4,3 В/элемент начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде происходит активное выделение кислорода, и температура батареи при этом растет. Поэтому суть метода заключается в следующем: после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда рассчитанный по известной формуле Iзар=С/10, после того, как зарядное напряжение аккумулятора достигнет величины 4,3 В/элемент, происходит снижение тока заряда условно в два раза, т.е. ток заряда становиться равным С/20. При этом очевидно, что при снижение тока заряда в два раза, так же в два раза снижается и падение напряжение на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Тем самым общее напряжение аккумулятора, так же снижается и установиться ниже предельного напряжения 4,3 В. Это позволяет снова подзарядить батарею до уровня 4,3 В, только теперь уже меньшим током. Таким образом, последовательно ступенчато снижая ток заряда, осуществляется восстановление предельной энергоемкости аккумуляторной батареи. При этом зарядное устройство, построенное на ступенчатом типе можно применять на батареях различной энергоемкости, тем самым обеспечивается его универсальность. Действительно, зарядное устройство, которое имеет ступени заряда, может применяться на батареях различной энергоемкости.

Так для примера имеем зарядное устройство с 9 ступенями. Ток заряда первой ступени 20 А, и далее он снижается в два раза на каждой ступени, тогда зарядное устройство будет иметь следующие ступени 20/10/5/2,5/1,25/0,63/0,31/0,15/0,08. Очевидно, что используя способ заряда, описанный выше, возможно осуществить заряд аккумуляторной батареи с различной энергоемкостью. Так, например заряд аккумуляторной батареи с меньшей энергоемкостью можно осуществлять не с первой ступени, а с третьей или четвертой.

На фиг. 1, приведена функциональная схема заявляемой автономной системы электропитания ИСЗ, с помощью которой поясняется предполагаемый способ заряда.

Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через сериесный преобразователь напряжения 3 и аккумуляторную батарею 4, подключенные через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра сериесного 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 аккумуляторной батареи 7, связанные входом с аккумуляторной батареи 4 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2.

В силовой цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи 4 установлен измерительный шунт 8.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10. Вольтодобавочный узел зарядного преобразователя 5 выполнен на трансформаторе 5₁, транзисторах 5₂ и выпрямителе на диодах 5₃. Дополнительно в состав зарядного преобразователя 5 введен переключатель выхода 15 состоящий транзисторного ключа 16, связанного с аккумуляторной батарей 4 и нагрузкой 2.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Сериесный преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра C¹ и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С₂.

Схемы управления: 10 (12 разрядного зарядного преобразователя 5) и 14 (сериесного преобразователя напряжения 3) выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, связанных измерительными органами с напряжением нагрузки 2 автономной системы электропитания.

Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 связана с измерительным шунтом 8 в силовых цепях аккумуляторной батареи 4 и с напряжением солнечной батареи 1.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. При этом заряд осуществляется ступенчатым током. Снижение уставки (величины) тока происходит после достижения напряжения аккумулятора предельного допустимого значения. И так происходит до полного заряда. Это обеспечивается запиранием транзисторного ключа 16, путем подачи управляющих команд с нагрузки 2. Такой режим работы позволяет содержать энергоемкость аккумуляторной батареи в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

При этом зарядный преобразователь 5 работает в режиме заряда стабильным током для обеспечения заряда аккумуляторной батареи 4 оптимальными режимами.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через сериесный преобразователь напряжения 3.

При прохождении теневых участков орбиты или при нарушении ориентации, нагрузка 2 питается от аккумуляторной батарей 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля 7 контролирует напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторной батареи 4 и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2.

Далее бортовая ЭВМ в составе нагрузки 2 реализует алгоритм управления зарядом аккумуляторной батареи 4. По результатам анализа телеметрической информации алгоритм в процессе эксплуатации ИСЗ может меняться через командно-измерительную радиолинию ИСЗ.

Таким образом, заряд аккумуляторной батареи ступенчатым током заряда, решает проблему более эффективного восстановление энергоемкости аккумуляторной батареи не нарушая требований по ее руководству эксплуатации. Данный метод заряда, повышает живучесть системы электропитания и ИСЗ в целом. Кроме того дынный метод позволяет создать универсальное зарядное устройство, которое может применяться на ИСЗ различной мощности, тем самым экономя время изготовления, так как нет необходимости производить разработку и полный цикл наземных испытаний нового зарядного устройства, что соответственно снижает ее конечную стоимость.

Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение восстановления полной энергоемкости аккумуляторных батарей (АБ), что приведет к повышению живучести искусственного спутника Земли (ИСЗ), а также обеспечит преемственность зарядных устройств, что позволит снизить его конечную стоимость и сроки его изготовления. Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею, подключенную к нагрузке через сериесный преобразователь, «n» - аккумуляторных батарей с устройствами контроля, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи к нагрузке. Каждый преобразователь содержит схему управления, выполненную в виде широтно-импульсного модулятора. Заряд АБ осуществляется ступенчатым током заряда. При этом после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда, после того как зарядное напряжение аккумулятора достигнет своего предельного разрешенного значения, ток заряда снижается и снова подзаряжает батарею до предельного уровня, только уже меньшим током, причем снижение тока заряда и подзаряда до предельного уровня проводят несколько раз до установления минимальной величины зарядного тока включительно. 1 ил.

Способ заряда комплекта из «n» литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли, заключающийся в контроле текущего напряжения аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи и проведении зарядов постоянным током до достижения напряжения любого аккумулятора каждой аккумуляторной батареи заданного значения, отличающийся тем, что заряд аккумуляторной батареи проводят ступенчатым током заряда, при этом после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда, после того как зарядное напряжение аккумулятора достигнет своего предельного разрешенного значения, ток заряда снижается и снова подзаряжает батарею до предельного уровня, только уже меньшим током, причем снижение тока заряда и подзаряда до предельного уровня проводят несколько раз до установления минимальной величины зарядного тока включительно.