Патент на изобретение №2331954

(54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. Согласно изобретению способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли заключается в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по датчикам давления, установленным на управляющих аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии и проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении. Регулирование величины токов саморазряда управляющих аккумуляторов дополнительно проводят с помощью внешней разрядной цепи. При этом внешняя разрядная цепь может быть выполнена в виде: резистора величиной R=1,25/(Ic_max-Ic_упр), где Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, a Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора; последовательной цепи из диода и резистора величиной R=(1,25-Uд)/(Ic_max-Ic_упр), где Uд – падение напряжения на диоде, Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, а Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора; последовательной цепи из двух диодов и резистора величиной R=(1,25-2Uд,)/(Ic_max-Ic_упр), где Uд – падение напряжения на диоде, Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, a Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора; стабилизатора тока. Кроме того, внешнюю разрядную цепь в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи коммутируют, причем время нахождения ее в подключенном состоянии регулируют в зависимости от текущей емкости аккумуляторной батареи, а уровень стабилизируемого тока регулируют в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в диапазоне от 0 А до (Ic_max-Ic_упр) А, где Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, а Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

При эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в составе ИСЗ основная работа приходится на период теневых орбит. В остальное время на солнечных орбитах, за исключением моментов, когда мощности солнечной батареи недостаточно для обеспечения потребления нагрузки, аккумуляторная батарея работает в режиме хранения с периодическими дозарядами для компенсации саморазряда.

Основной причиной снижения емкостных характеристик никель-водородных аккумуляторных батарей является разбаланс аккумуляторов по емкости в процессе ее эксплуатации. Это обусловлено объективной разницей в величине токов саморазряда отдельных аккумуляторов. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи ее заряд ограничивают наиболее заряженные аккумуляторы, а разряд – наименее заряженные аккумуляторы. Следовательно, чем больше степень разбаланса аккумуляторов по емкости, тем ниже емкость аккумуляторной батареи.

Учитывая, что величина тока саморазряда увеличивается в зависимости от степени заряженности аккумулятора, важно правильно выбрать степень заряженности управляющих аккумуляторов для ограничения заряда (дозаряда) аккумуляторной батареи.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (патент №2084055, Н01М 10/44), согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов, который обеспечивает заряд аккумуляторной батареи до уровня (60-80)% номинальной емкости.

Недостатком известного способа является то, что он не позволяет эффективно (на уровне (80-90)% номинальной емкости) эксплуатировать аккумуляторную батарею в течение длительного ресурса. Это обусловлено фиксированными значениями контролируемых параметров (плотности водорода) для прекращения или возобновления заряда, без учета ресурсных изменений в работе аккумуляторной батареи.

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 Р и температуры, 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 Р.

Этот способ позволяет проводить ресурсное повышение контролируемого параметра (давления водорода), однако ограниченное количество уставок давления и дискретный характер перехода с одной уставки на другую снижает его эффективность и не позволяет обеспечить постоянно высокую степень заряженности аккумуляторной батареи.

При этом при повышении температуры аккумуляторов (после перехода на более высокий контрольный уровень давления) выше расчетной величины может развиваться явление так называемого “теплового разгона”, состоящего в том, что дальнейшее повышение температуры при перезаряде вызывает более интенсивное выделение кислорода из положительного электрода и увеличивает активность отрицательного электрода, что увеличивает, в свою очередь, скорость рекомбинации кислорода с водородом и интенсифицирует тепловыделение. В итоге процесс развивается с положительной обратной связью.

В этом случае установленного контрольного значения давления водорода можно не достигнуть. Это снижает надежность известного способа.

Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу является способ по заявке №2005122357/09(025199) от 14.07.2005 г. (решение о выдаче патента на изобретение от 5 сентября 2006 г., патент №2294580), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по аналоговым датчикам давления, установленным на отдельных аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии и проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, при этом аналоговые датчики давления устанавливают на аккумуляторах, находящихся в наиболее теплонапряженных условиях, а включение и отключение дозаряда проводят из условия обеспечения нахождения установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления равным определенной величине, принятый за прототип.

Известный способ, базируясь на скорости саморазряда управляющих аккумуляторов, позволяет достичь практически максимально возможной степени выравнивания аккумуляторов в аккумуляторной батарее по емкости и, следовательно, максимальной степени заряженности аккумуляторной батареи в целом.

Недостатком известного способа является то, что для достижения высокой степени выравнивания аккумуляторов в аккумуляторной батарее по емкости проводится заряд управляющих аккумуляторов до более высокого уровня, что повышает их среднюю рабочую температуру и отрицательно влияет на их ресурсные характеристики.

Кроме того, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи ее «температурное поле» может измениться (например, при отказе одного из аккумуляторов, что допускается), и управляющий аккумулятор может выйти из требования «находящихся в наиболее теплонапряженных условиях». Это приведет к снижению эффективности эксплуатации аккумуляторной батареи.

Следует также отметить, что значительный перезаряд управляющего аккумулятора может привести к его «тепловому разгону», что снижает надежность эксплуатации аккумуляторной батареи, а выход на более высокий уровень температуры приведет к увеличению скорости саморазряда, что снижает эффективность использования аккумуляторной батареи.

Действительно, если управляющий аккумулятор имеет достаточную емкость, то нежелательно подвергать его более высокой степени заряженности, что отрицательно скажется на его ресурсных характеристиках.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что регулирование величины токов саморазряда управляющих аккумуляторов дополнительно проводят с помощью внешней разрядной цепи.

При этом внешняя разрядная цепь может быть выполнена в виде:

– резистора величиной R=1,25/(Ic_max-Ic_упр), где Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, а Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора,

– последовательной цепи из диода и резистора величиной R=(1,25-Uд)/(Ic_max-Ic_упр), где Uд – падение напряжения на диоде, Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, а Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора;

– последовательной цепи из двух диодов и резистора величиной R=(1,25 – 2Uд)/(Ic_max-Ic_упр), где Uд – падение напряжения на диоде, Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, а Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора;

– стабилизатора тока.

Кроме того, внешнюю разрядную цепь в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи коммутируют, причем время нахождения ее в подключенном состоянии регулируют в зависимости от текущей емкости аккумуляторной батареи, а уровень стабилизируемого тока регулируют в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в диапазоне от 0 А до (Ic_max-Ic_упр) А, где Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, а Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора.

В процессе проведения заряд-разрядных циклов или периодических дозарядов аккумуляторной батареи токи саморазряда всех аккумуляторов приходят к единой величине (установившемуся значению). Это происходит автоматически – каждый аккумулятор выходит на уровень заряженности, при котором его ток саморазряда сравнивается с током саморазряда управляющего аккумулятора. Соответственно аккумулятор, имеющий объективно наибольший саморазряд, выйдет на установившийся наименьший уровень заряженности.

Абсолютно одинаковые аккумуляторы, но находящиеся в разных температурных условиях, также приводят к разбалансу по емкости, если в качестве управляющего аккумулятора будет выбран более холодный аккумулятор. Переход на управление зарядом от аккумулятора с повышением верхней уставки уменьшает риск разбаланса, но может стать причиной повышенного тепловыделения аккумулятора, что тоже нежелательно.

Отрицательный эффект разброса токов саморазряда компенсируется, если управляющие аккумуляторы находятся в одинаковых температурных условиях и в самых теплых секторах конструкции батареи, что гарантирует величину тока саморазряда этих аккумуляторов больше токов саморазряда остальных аккумуляторов и исключает явление разбаланса.

Предлагается иной путь достижения этого условия. Это искусственное управление величиной тока саморазряда управляющих аккумуляторов путем создания на управляющем аккумуляторе внешней разрядной цепи.

Действительно, если емкость самого управляющего аккумулятора находится на достаточно высоком уровне, то незачем его перезаряжать для увеличения его тока саморазряда, а достаточно будет искусственно организовать повышение его саморазряда введением внешней разрядной цепи.

При этом достигаемый эффект выравнивания аккумуляторов в аккумуляторной батарее по емкости не изменится.

В то же время будет снижено тепловыделение управляющего аккумулятора, существенно расширена возможность реализации более высокой степени выравнивания аккумуляторов по емкости за счет снятия ограничений по току саморазряда самого управляющего аккумулятора (необходимость установки его в наиболее теплонапряженное место), а также практически исключено отрицательное влияние потенциально возможного изменения температуры управляющего аккумулятора в «температурном поле» аккумуляторной батареи.

На фиг.1 приведены варианты внешних разрядных цепей управляемого аккумулятора аккумуляторной батареи, где 1 – это управляющий аккумулятор, 2 – резистор, 3 – диод(ы), 4 – коммутатор шунтирующей цепи, имеющий связь по управлению «Упр.» (например, с нагрузкой автономной системы электропитания – бортовой ЭВМ), 5 – стабилизатор тока входом подключенный к источнику питания (например, к выходным шинам автономной системы электропитания, фиг.2) Uпит и имеющий связь по управлению «Упр.» (например, с нагрузкой автономной системы электропитания – бортовой ЭВМ).

В простейшем случае внешняя разрядная цепь – это резистор 2 расчетной величины, подключенный к клеммам управляющего аккумулятора 1 – вариант а).

В случае, если требуется ограничить уровень напряжения аккумулятора 1, при котором идет его разряд на внешнюю разрядную цепь, то последовательно с резистором 2 включают диоды 3 – один, вариант б), или два, вариант в). В этом случае разряд аккумулятора 1 на внешнюю разрядную цепь прекратится после снижения напряжения на нем до напряжения закрытия диода(ов) 3. Это целесообразно делать, если в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи имеют место периоды хранения без проведения дозарядов, с целью снижения вероятности разряда аккумулятора до напряжения 0 В, что неблагоприятно сказывается на его последующей работе.

Введение коммутатора 4 во внешнюю разрядную цепь управляющего аккумулятора, вариант г), или стабилизатора тока 5, вариант д), имеющих связь по управлению «Упр.», например с нагрузкой автономной системы электропитания – бортовой ЭВМ, позволяет регулировать в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи величину емкости разряда управляющего аккумулятора на внешнюю разрядную цепь. Это повышает «гибкость» способа эксплуатации аккумуляторной батареи, его эффективность и надежность.

Величина сопротивления резистора 2 рассчитывается исходя из среднего разрядного напряжения никель-водородного аккумулятора 1,25 В. При этом в расчете используются конкретные данные по падению напряжения на применяемых диодах Uд, а также токи саморазряда: максимально возможный ток саморазряда какого-либо аккумулятора в конкретной аккумуляторной батарее при конкретных условиях ее эксплуатации Ic_max и ток саморазряда управляющего аккумулятора этой аккумуляторной батареи Ic_упр.

На фиг.2 приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.

Устройство содержит солнечную батарею 6, подключенную к нагрузке 7 через преобразователь напряжения 8, аккумуляторную батарею 9, подключенную через зарядный преобразователь 10 к солнечной батарее 6, а через разрядный преобразователь 11 – к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 8.

При этом нагрузка 7 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторной батарее 9 подключено устройство контроля и управления управляющими аккумуляторами 12 (в частности, контроля давления аккумуляторов, которое определяет их текущую емкость, и, при необходимости, управления саморазрядом посредством стабилизатора тока 5 или коммутируемого коммутатором 4 резистора 2, фиг.1), связанное входом с аккумуляторной батареей 9, а выходом – с нагрузкой 7 (с бортовой ЭВМ).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 13.

Зарядный преобразователь 10 состоит из регулирующего ключа 14, управляемого схемой управления 15, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2 и выпрямителя на диодах D1 и D2.

Разрядный преобразователь 11 состоит из регулирующего ключа 16, управляемого схемой управления 17.

Преобразователь напряжения 8 состоит из регулирующего ключа 18, управляемого схемой управления 19, входного фильтра С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.

Схемы управления преобразователями 15, 17, 19 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 15 зарядного преобразователя 10 дополнительно связана с измерительным шунтом 13 и нагрузкой 7.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 9 работает в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 6 через зарядный преобразователь 10. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце).

Питание нагрузки 7 осуществляется от солнечной батареи 6 через преобразователь напряжения 8.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 7 питается от аккумуляторной батареи 9 через разрядный преобразователь 11.

Устройство контроля аккумуляторов 12 контролирует давление в аккумуляторах и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ «закладывается» программа, реализующая следующие действия:

1. Обрабатываются данные аналоговых датчиков давления в управляющих аккумуляторах с вычислением значения давления (или степени заряженности).

2. Значение давления управляющих аккумуляторов (или степени заряженности) сравнивается со значениями верхней и нижней уставок давления, заложенными в логику управления зарядом. При превышении верхней уставки зарядный преобразователь выключается, при уменьшении ниже нижней уставки – снова включается.

3. Рассчитывается установившееся значение тока саморазряда батареи по формуле: Jc=P_i/t·k, где P_i – разница между уставками в Ач; t – время саморазряда в часах; k – расчетный коэффициент уменьшения фактического тока саморазряда в случае коммутации разрядной цепи (равен 1,0, если разрядная цепь не коммутируется).

4. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи с периодическими дозарядами уставки (верхняя и нижняя) устанавливаются таким образом, что бы значение тока саморазряда (включая ток разряда на шунтирующую цепь) аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления находилось в нужном интервале. При этом при использовании в качестве шунтирующей цепи управляемого стабилизатора тока или при коммутации шунтирующей цепи ток саморазряда регулируют в зависимости от текущей емкости аккумуляторной батареи.

Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи позволяет поддерживать последнюю на высоком уровне заряженности при прохождении теневых орбит и обеспечивать хранение в заряженном состоянии на солнечных орбитах без ухудшения эксплуатационных характеристик и, следовательно, повышает эффективность использования и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по датчикам давления, установленным на управляющих аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии, проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, контроле токов саморазряда управляющих аккумуляторов и регулирование величины этих токов посредством изменения уставок датчиков давления, отличающийся тем, что регулирование величины токов саморазряда управляющих аккумуляторов дополнительно проводят с помощью внешней разрядной цепи.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что внешняя разрядная цепь выполнена в виде резистора величиной R=1,25/(Ic_max-Ic_упр), где Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, a Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что внешняя разрядная цепь выполнена в виде последовательной цепи из диода и резистора величиной R=(1,25-Uд)/(Ic_max-Ic_упр), где Uд – падение напряжения на диоде, Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, a Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что внешняя разрядная цепь выполнена в виде последовательной цепи из двух диодов и резистора величиной R=(1,25-2Uд)/(Ic_max-Ic_упр), где Uд – падение напряжения на диоде, Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, a Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что внешнюю разрядную цепь в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи коммутируют, причем время нахождения ее в подключенном состоянии регулируют в зависимости от текущей емкости аккумуляторной батареи.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что шунтирующая цепь выполнена в виде стабилизатора тока, причем уровень стабилизируемого тока регулируют в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в диапазоне от 0 А до (Ic_max-Ic_упр)А, где Ic_max – максимальный ток саморазряда аккумуляторов, а Ic_упр – ток саморазряда управляющего аккумулятора.

РИСУНКИ