Патент на изобретение №2392700

(54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ 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 искусственных спутников Земли (ИСЗ). Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи заключается в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и величины емкости переполюсовки и проведении предварительного подзаряда, на величину емкости не менее емкости предшествующей переполюсовки, токами, исключающими образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси. Технический результат – повышение надежности и эффективности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. Разряд ограничивают величиной разрядной емкости, от момента снижения напряжения на каком-либо аккумуляторе ниже 0,5 В, на уровне не более 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи, а предварительный подзаряд после проведения разряда аккумуляторной батареи проводят током (0,04-0,08) от номинальной емкости аккумуляторной батареи. 2 ил.

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

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи происходит разбалансировка аккумуляторов по емкости. Это может быть следствием разных условий охлаждения отдельных аккумуляторов в батарее, наличия в отдельных аккумуляторах внутренних микрошунтов, пассивации активной массы аккумуляторов из-за неблагоприятных условий их эксплуатации и многих других факторов. Поэтому появление в процессе разряда аккумуляторной батареи полностью разряженного аккумулятора, когда батарея в целом имеет достаточную емкость, вполне реально и постоянно подтверждается на практике.

Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (см. подраздел X1.2, Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов “Металл-водородные электрические системы”, Ленинград: “Химия”, Ленинградское отделение, 1989 г., [1]). Известные способы заключаются в длительном перезаряде малыми токами и длительном хранении.

Недостатком этих способов является то, что в процессе активной эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в составе ИСЗ времени на их реализацию практически нет, что снижает эффективность известных способов.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе ИСЗ (см. патент 2289178), предусматривающий следующую технологию работ: разряд никель-водородной аккумуляторной батареи ограничивают величиной напряжения, равной числу (n-1) аккумуляторов в никель-водородной батарее, и дополнительно величиной разрядной емкости, полученной после достижения любым из аккумуляторов напряжения менее нуля и на уровне (0,1÷0,2) номинальной емкости никель-водородной батареи, кроме того, заряд никель-водородной аккумуляторной батареи проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости никель-водородной аккумуляторной батареи с последующим дозарядом импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов.

Кроме того, перед началом теневых орбит проводят восстановительный разряд-заряд аккумуляторной батареи, при этом разряд проводят на сопротивление величиной, определяемой по формуле:

где

n – количество аккумуляторов в никель-водородной аккумуляторной батарее;

1,25 – среднее разрядное напряжение аккумуляторов;

Т₀ – время разряда, час;

С_ном – номинальная емкость никель-водородной аккумуляторной батареи,

с ограничением разряда по величине напряжения, равного числу (n-1) аккумуляторов в батарее, в течение 40÷50 часов (Т₀), а заряд проводят током, величиной не менее 0,15 номинальной емкости.

Известный способ позволяет в существенной степени устранять возникающий разбаланс аккумуляторов, однако процесс выравнивания длительный по времени (до нескольких суток) и не позволяет достичь высокой степени выравнивания аккумуляторов по емкости, так как при определенной степени выравнивания дополнительная емкость, сообщаемая «слабым» аккумуляторам (по сути, аккумуляторам, имеющим больший саморазряд и соответственно меньшую текущую емкость), полностью компенсируется саморазрядом, а попытки увеличить действующее значение зарядного тока ведут к чрезмерному разогреву аккумуляторной батареи.

Применяемый доразряд на сопротивление заданной величины так же способствует выравниванию аккумуляторов по емкости, однако последующий заряд током «не менее 0,15 номинальной емкости» при неблагоприятных условиях может привести к микровзрывам в аккумуляторах, подвергшихся переполюсовке, что снижает надежность известного способа.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания (патент 2289179), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, «обходе» аккумуляторов, имеющих меньшую емкость, разрядными байпасными диодами, контроле напряжения каждого аккумулятора и проведении подзаряда малыми токами, исключающими образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, отличающийся тем, что дополнительно контролируют величину емкости переполюсовки, интегрированием разрядного тока во времени, аккумулятора, который первым достиг минимального значения напряжения, от момента достижения этого напряжения до конца разряда, причем емкость переполюсовки рассчитывают без учета токов через разрядные байпасные диоды, а штатный режим заряда аккумуляторной батареи начинают после предварительного подзаряда малым током с сообщением емкости не менее полученной величины емкости переполюсовки.

Этот способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что он не предусматривает ограничений по величине емкости переполюсовки отдельных аккумуляторов в процессе разряда и не нормирует величину тока подзаряда. В то же время длительный переразряд отрицательно влияет на мощностные характеристики никель-водородных аккумуляторов, а понятие «малых токов» целесообразно конкретизировать. Все это снижает надежность известного способа.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и эффективности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная задача решается тем, что при проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и величины емкости переполюсовки и проведении предварительного подзаряда, на величину емкости не менее емкости предшествующей переполюсовки, токами, исключающими образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, разряд ограничивают величиной разрядной емкости, от момента снижения напряжения на каком-либо аккумуляторе ниже 0,5 В, на уровне не более 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи, а предварительный подзаряд после проведения разряда аккумуляторной батареи проводят током (0,04-0,08) от номинальной емкости аккумуляторной батареи.

Переразряд никель-водородных аккумуляторов (разряд с переполюсовкой – разряд ниже напряжения 0 В) приводит к выделению в них кислорода. При этом при появлении в аккумуляторе кислорода (при полном отсутствии водорода) происходит его накапливание и, в случае последующего активного заряда аккумуляторной батареи и интенсивного выделения водорода, в аккумуляторе образуются локальные зоны с взрывоопасной смесью. Образование таких зон приводит к микровзрывам в аккумуляторе, а микровзрывы – к деформации элементов электрохимической группы и, как следствие, к появлению внутренних шунтов в аккумуляторе. В результате данный аккумулятор приобретает повышенный саморазряд и в процессе разряда аккумуляторной батареи вновь переполюсовывается. С каждым разом процесс все более усугубляется.

Исключить внутренние микровзрывы можно дозированной подачей зарядного тока (дозированным выделением водорода в аккумуляторе), обеспечивающей стационарную рекомбинацию кислорода на водородном электроде и исключающей появление локальных зон с взрывоопасной смесью.

Экспериментально установлено, что, для восстановления напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) никель-водородного аккумулятора до величины его электрохимической пары (стандартное значение НРЦ для никель-водородного аккумулятора составляет 1,267 В (см. [1], Таблица 1.1) – гарантирующее отсутствие в аккумуляторе кислорода, достаточно сообщить ему зарядную емкость не менее величины емкости переполюсовки.

Так, при проведении эксперимента, в котором аккумуляторы НВ70 подверглись переполюсовке на 5 А·ч, восстановление НРЦ до величины 1,267 В произошло после сообщения им емкости от 1,3 А·ч до 4,0 А·ч. Различие в величине необходимой сообщенной емкости до полного восстановления НРЦ объясняется работой замкнутого кислородо-водородного цикла в процессе переполюсовки аккумуляторов и их байпасных устройств.

Гарантированная рекомбинация выделившегося при переразряде кислорода обеспечивается простым предварительным подзарядом аккумуляторной батареи малым током на величину емкости предшествующей переполюсовки.

На чертеже, фиг.1, представлены графики изменения емкости двух аккумуляторов аккумуляторной батареи (наиболее заряженного и наименее заряженного – с исходной степенью заряженности Е1 и Е2 соответственно) в процессе проведения глубокого разряда с переполюсовкой одного из аккумуляторов и последующего заряда малым и номинальным зарядными токами.

Представленные графики наглядно иллюстрируют процесс уменьшения степени разбаланса аккумуляторов по емкости.

Зависимость коэффициента полезного действия по зарядному току от величины самого тока заряда (в расчете от номинальной емкости аккумулятора) позволяет существенно компенсировать разбаланс аккумуляторов по емкости при проведении глубокого разряда аккумуляторной батареи.

Рассмотрим особенности процессов, происходящих с аккумуляторами по графикам, представленным на чертеже, фиг.1.

На участке до точек «а1», «а2» идет разряд аккумуляторов с ограничением по максимальной емкости переполюсовки на уровне 0,1 от номинальной емкости любого из аккумуляторов.

На участке от точек «а1», «а2» до точек «с1», «с2» (соответственно) идет заряд аккумуляторов малым током, а от точек «с1», «с2» и далее – заряд номинальным зарядным током.

Следует отметить, что на участке от точки «а2» до точки «в» (аккумулятора, подвергшегося переполюсовке) заряд идет с коэффициентом полезного действия, близким к единице, что позволило снизить величину разбаланса аккумуляторов по емкости.

На участке от точки «в» до точки «с2» заряд (аккумулятора, подвергшегося переполюсовке) идет с коэффициентом полезного действия несколько большим, нежели заряд наименее разряженного аккумулятора, что так же ведет к сокращению величины разбаланса аккумуляторов по емкости.

Наличие участка от точки «а2» до точки «в» обусловлено тем, что глубокий разряд проводят на величину разрядной емкости, от момента снижения напряжения на каком-либо аккумуляторе ниже 0,5 В, то есть не от момента переполюсовки аккумулятора, а раньше, что создает определенный технологический запас.

Однако, по мере заряда аккумуляторов, разница коэффициентов полезного действия по зарядному току приходит к нулю, а тепловыделение, обусловленное низким коэффициентом полезного действия, может вызвать новую причину разбаланса, обусловленную разницей температур аккумуляторов. Поэтому участок от точки «в» до точки «с2» должен быть достаточно коротким, что автоматически обеспечивается началом отсчета разрядной емкости переполюсовки от напряжения 0,5 В.

Следует отметить, что глубокая переполюсовка аккумулятора отрицательно влияет на его мощностные характеристики и целесообразно ограничить ее максимальную величину на уровне до 0,1 от номинальной емкости. Это ограничение подтверждено положительными результатами на аккумуляторных батареях различного номинала по емкости (70, 50 и 25 Ач), разработки и изготовления ОАО «Сатурн» г.Краснодар.

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

Устройство 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, устройство телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

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

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи 4 установлен измерительный шунт 8, связанный с нагрузкой 2.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2, выпрямителя на диодах D1 и D2.

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 С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 14 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 (бортовой ЭВМ).

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном (98% ресурса) в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

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 напряжения аккумуляторов 7 контролирует минимальное значение напряжения аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ «закладывается» программа, реализующая следующую технологию работы:

1. Если в процессе разряда аккумуляторной батареи зафиксировано снижение напряжения какого-либо аккумулятора ниже минимального уровня, по команде бортовой ЭВМ зарядный преобразователь переключается в режим подзаряда малым током. Одновременно начинается отсчет емкости переполюсовки (Сп) до окончания разряда (интегрирование разрядного тока во времени) аккумуляторной батареи. В случае, если емкость переполюсовки приблизится к величине 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи, дальнейший разряд ограничивают отключением сеансной нагрузки ИСЗ.

2. После появления избыточного тока солнечной батареи (выход ИСЗ из теневого участка орбиты) зарядный преобразователь автоматически включается на заряд аккумуляторной батареи малым током до сообщения батарее емкости не менее Сп.

3. После сообщения батарее емкости Сп зарядный преобразователь по команде с бортовой ЭВМ включается в штатный режим заряда.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность и эффективность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи и автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.

Формула изобретения

Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и величины емкости переполюсовки и проведении предварительного подзаряда, на величину емкости не менее емкости предшествующей переполюсовки, токами, исключающими образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, отличающийся тем, что разряд ограничивают величиной разрядной емкости от момента снижения напряжения на каком-либо аккумуляторе ниже 0,5 В, на уровне не более 0,1 номинальной емкости аккумуляторной батареи, а предварительный подзаряд после проведения разряда аккумуляторной батареи проводят током (0,04-0,08) от номинальной емкости аккумуляторной батареи.

РИСУНКИ