Способ эксплуатациии никель-водородной аккумуляторной батареи Советский патент 1992 года по МПК H01M10/44 H01M12/06 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе космических летательных аппаратов.

Известны герметичные никель-водородные аккумуляторные батареи, применяемые, в частности, в автономных системах энергоснабжения ИСЗ.

При заряде никель-водородного аккумулятора имеет место основная токообразую- щая реакция

N1 ( ОН )zN1 ООН +1/2Н2 .

из которой видно, что при заряде выделяется водород Высвобождающийся в результате реакции заряда водород накапливается в свободном объеме аккумулятора и создаёт избыточное давление. Величина давления

пропорциональна степени заряженности аккумулятора. Это свойство никель-водородного аккумулятора используется для индикации окончания заряда.

Известен способ заряда никель-водородной аккумуляторной батареи, основанный на зависимости зарядной емкости от давления в аккумуляторе и заключающийся в том, что отключение батареи производят с помощью датчика давления при возрастании последнего до заданного значения.

Для учета влияния температуры, при которой ведется заряд, на величину зарядной емкости датчик давления настраивают за ра- нее на значение, соответствующее максимальной рабочей температуре аккумулятора, т.е. идут на заведомое уменьшение зарядной (разрядной) емкости при температурах, меньших максимальной.

Недостатком данного способа является еобходимость ограничения зарядной емости.

Известен также способ заряда никель- одородной аккумуляторной батареи, при котором заряд производят до достижения в ккумуляторе 40 - 100% от давления, соответствующего максимальной заряженно- сти, и затем продолжают до повышения емпературы аккумулятора до 10 - 40°С, после чего заряд прекращают и возобновляют вновь при снижении температуры на 5 - 20°С от уровня, установленного для конца заряда.

Известный способ позволяет в широком диапазоне условий эксплуатации (температур и токов заряда) обеспечить гарантированный заряд аккумуляторной батареи на требуемую емкость независимо от температуры аккумуляторов и поддержание температурного режима аккумуляторов.

Однако в конкретных условиях эксплуатации применение его связано с некоторыми ограничениями. Для поддержания аккумуляторной батареи в состоянии максимальной заряженности необходимо уменьшить диапазон температур (Д t) между подключением аккумуляторной батареи на заряд и отключением ее от заряда, что приводит к частотному цитированию батареи, большому количеству срабатываний элементов автоматики и времени работы зарядного устройства и снижению в конечном итоге надежности системы.

При стремлении уменьшить частоту циклирования аккумуляторных батарей и количество срабатываний автоматики необходимо расширять диапазон температур, между подключением и отключением батареи от заряда. Но в этом случае за время снижения температуры аккумулятора до величины, установленной для подключения батареи на заряд, вследствие саморазряда батарея может потерять значительную часть емкости (до 40%).

Известен способ, основанный на заряде, который прекращается по комбинированному сигналу от датчиков давления и температуры.

В зависимости от температуры аккумуляторной батареи, контролируемой датчиком темпер атуры, производят отключение батареи от заряда по одному из двух датчиков давления, каждый из которых настроен на определенную степень заряженности. Сигнал от датчика температуры преобразуют в команду на работу по одному или другому датчику давления с тем, чтобы отключение от заряда при более низкой температуре происходило по датчику давления, настроенному на более высокую степень заряженности. Данный способ позволяет полностью зарядить батарею в определенном диапазоне температур.

Однако приведенные способы не учитывают особенности никель-водородного аккумулятора, заключающиеся в том, что в процессе его эксплуатации наблюдается снижение разрядной емкости из-за фикси0 рованной установки давления, вызванное коррозией никелевой основы окисно-нике- , левого электрода, происхрдящее по суммарной реакции

N1 + 2Н20- NI(OH)2 + HaJ

5 с небольшим выделением избыточного водорода. Это приводит к тому, что датчики давления, настроенные на определенный уро- вень, соответствующий максимальной степени заряженности при заданной темпе0 ратуре, будут отключать батарею от заряда в то время, когда батарея не набрала требуемой емкости, что, в свою очередь, приведет к снижению разрядной емкости, а следовательно, снизит энергетические аозможно5 сти СЭП и уменьшит срок службы ИСЗТ

Целью изобретения является повышение ресурсных характеристик никель-водородной аккумуляторной батареи.

Указанная цель достигается тем, что в

0- процессе эксплуатации пурирдически повышают уставки датчика давления, причем нижнюю уставку повышают до уровня верхней, а верхнюю- на величину ДР. Повышение уставок проводят после достижения на

5 разряде аккумуляторами минимального значения напряжения.

Заряд батареи осуществляют по двух- уставочному датчику давления и температуре. При этом отключение заряда проводят

0 по верхнему уровню давления в заданном температурном диапазоне или по нижнему уровню датчика давления при температуре выше заданного температурного диапазона.

5 С течением времени давление водорода в аккумуляторах возрастает и батарея отключается от заряда по одному из уровней датчика давления, не набрав при этом требуемой емкости.

0 При прохождении теневого участка орбиты батарея разряжается до его оконча- . ния, не обеспечивая питанием работу сеансной аппаратуры ИСЗ. Разряд батареи прекращается по достижении на батарее

5 минимального напряжения или по достижении минимального напряжения на любом аккумуляторе батареи. По одному из этих сигналов формируется сигнал отключения нагрузки (ОН) сеансной аппаратуры. По этому сигналу происходит переключение выходов датчика давления на новый уровень, То есть уставка, соответствующая верхнему уровню заряженности батареи при заданной температуре, становится уставкой, соответствующей нижнему уровню заряженности, и отключает батарею от заряда при температуре выше заданного температурного диапазона. Новая уставка соответствует верхнему уровню заряженности батареи в заданном диапазоне темпера- тур.

На фиг.1 приведено устройство датчика давления никель-водородного аккумулятора, с помощью которого можно реализовать предлагаемый способ; на фиг.2 - схема пе- реключения уставок в исходном состоянии на начало штатной эксплуатации. Датчик давления укреплен на корпусе аккумулятора 1 и состоит из диэлектрического корпуса 2, в котором закреплен набор контактных пар. Каждая контактная пара состоит из неподвижных контактов 3.1 - 3.5 и подвижных контактов 4.1 - 4.5 с толкателями 5.1 - 5.5 Корпус 2 датчика давления сопряжен с корпусом аккумулятора 1, который снабжен герметичной мембраной 6 со штоком 7. С целью обеспечения максимального хода Штока 7 мембрана 6 выполнена из гофрированного материала.

Каждый подвижный контакт имеет вы- вод наружу корпуса 2. Неподвижные контакты имеют один общий вывод наружу корпуса 2.

В процессе заряда давление в корпусе аккумулятора 1 возрастает и через мембра- ну 6 перемещает шток 7, Шток 7. в свою очередь, давит на толкатель 5.5 подвижного контакта 4.5, соответствующего нижнему уровню заряженности аккумулятора. Контакты 4.5 и 3.5 замыкаются. Если температура аккумулятора находится в заданном диапазоне, то заряд продолжается.

Давление газа в аккумуляторе возрастает, шток 7 передвигается мембраной 6, давит на толкатель 5.4 следующего подвижного контакта 4.4, соответствующе- го верхнему уровню заряженности аккумулятора. Контакты 4.4 и 3.4 замыкаются. Заряд прекращается.

С течением времени возрастает балластное давление водорода в аккумуляторе и для обеспечения полного заряда необходим заряд до большего давления. Первый подвижный контакт 4.5 при этом исключают из схемы контроля давления путем его отключения.

Описанный процесс продолжается с использованием следующей пары контактов и так до тех юор,пока не будет задействована последняя пара контактов,

Работа схемы (фиг.2) показана на примере работы автономной системы электропитания, которая состоит из следующих функциональных узлов. Для питания нагрузки 4 на освещенном участке орбиты и для заряда аккумуляторной батареи 3 служит солнечная батарея 1. Параллельно солнечной батарее 1 подключены соединенные в последовательную цепь зарядное устройство 2 и аккумуляторная батарея 3 с многоуровневыми датчиками давления. Для управления режимами работы аккумуляторной батареи зарядное устройство 2 снабжено устройством управления зарядом 5. Для стабилизации напряжения на нагрузке 4 при работе от солнечной батареи служит сериесный преобразователь, выполненный на транзисторном ключе Т1, при работе от аккумуляторной батареи - разрядный пре-. образователь, выполненный на транзисторном ключе Т2. Для управления ключами Т1, Т2 предусмотрено устройство 6. представляющее собой широтноимпульсный модулятор с двумя выходными номиналами по управлению.

При заряде замыкается пара I контактов датчика давления, которая соответствует нижнему уровню заряженности аккумуляторной батареи. Этот сигнал через нормально замкнутые контакты 1, 2 реле Р1 поступает в устройство управления зарядом 5, где формируется сигнал о срабатывании датчика нижнего давления аккумуляторной батареи (СДНБ). При выходе температуры за допустимые пределы в устройстве управ-. ления зарядом 5 формируется сигнал о ера- батывании датчика температуры аккумуляторной батареи (СДТБ). Наличие сигналов СДНБ и СДТБ выключает зарядное устройство 2. Заряд прекращается.

Если сигнал СД ГБ отсутствует, то заряд продолжается до замыкания пары II контактов. Через нормально замкнутые контакты 1, 2 реле Р2 и контакты 5, 6 реле Р1 в устройстве управления зарядом 5 формируется сигнал о срабатывании датчика верхнего давления аккумуляторной батареи прекращается.

При необходимости перехода на следующий уровень давления выдают команду РК1 (на космических аппаратах - это радиокоманда). Нормально замкнутые контакты 1, 2 и 5, 6 реле Р1 размыкаются, нормально разомкнутые контакты 3, 4 реле Р1 замыкаются. Теперь при замыкании пары 1 i контак- тов датчика давления сигнал СДНБ формируется через замкнутые контакты 1, 2 реле Р2 и контакты 3, 4 реле Р1. При замыкании пары III контактов датчика давления сигнал СДВ5 формируется через замкнутые

контакты 1, 2 реле РЗ и контакты 5, 6 реле Р2.

При переходе на очередной уровень давления выдают команду РК2 и т.д., а для приведения схемы переключения уставок в исходное состояние - команду РКО.

Переход на последующие уставки давления может происходить как по радиокомандам, так и автоматически, например по срабатыванию датчика минимального на- пряжения батареи или по срабатыванию датчика минимального напряжения на любом аккумуляторе батареи,

Изобретение может быть реализовано также другими устройствами.

Эффективность изобретения заключается в том, что оно позволяет полностью использовать потенциальные энергетические возможности никель-водородной аккумуляторной батареи и таким образом повысить ее ресурсные характеристики.

Формула изобретения

1.Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов с управлением зарядом по двухуста- новочному датчику давления с разницей уставок давления Д Р и температуре, а заряд ограничивают по минимальному напряжению аккумуляторов, отличающийся тем, что, с целью повышения ресурсных характеристик аккумуляторной батареи, в процессе эксплуатации периодически повышают уставки давления, причем нижнюю ус- тгаку повышают до уровня верхней, а верхнюю на величину Д Р.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что повышение уставок проводят после достижения на разряде аккумуляторами минимального значения напряжения.

Сущность изобретения: управление заряд-разрядными циклами проводят по двух- уставочному датчику давления с разницей уставок давления Д Р и температуре, а разряд оканчивают по минимальному напряже- нию. При достижении на разряде аккумуляторами минимального значения напряжения периодически повышают уставки датчика давления, причем нижнюю уставку повышают до уровня.верхней, а верхнюю - на величину А Р. 1 з.п.ф-лы. 2 ил. I С Ј

& Ф

А-А

фиг1

N/

§ §