Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (НВАБ) в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и надежности эксплуатации НВАБ. Согласно изобретению способ эксплуатации НВАБ в составе ИСЗ заключается в контроле напряжения каждого аккумулятора (А), контроле давления водорода управляющих А, проведении заряд-разрядных циклов, периодического дозаряда импульсным током, со средним значением тока дозаряда в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости и хранения в заряженном состоянии. Дозаряд импульсным током проводят в течение всего периода хранения НВАБ в заряженном состоянии, при этом после включения дозаряда из числа управляющих А выбирают контрольный А с наименьшим напряжением, причем измерение напряжения проводят во время прохождения зарядного импульса, принимают это значение напряжения за контрольное, а дозаряд проводят в режиме регулирования среднего тока дозаряда в зависимости от текущего значения напряжения контрольного А, при этом, если текущее значение больше контрольного, то ток дозаряда увеличивают, а если меньше - уменьшают. Кроме того, регулирование среднего тока дозаряда проводят по значениям, вычисляемым по формуле: Iдз/с=(0,02-0,04)·Сн·(1+(Uтэк-Uконтр)·k), где Iдз/с - среднее значение тока дозаряда, А; Сн - номинальная емкость А, А·ч; (0,02-0,04)·Сн - средний ток дозаряда, А; Uтек - текущее значение зарядного напряжения контрольного А, В; Uконтр - напряжение контрольного А при включении дозаряда, В; k - коэффициент регулирования (существенности), выбирается в диапазоне от 1 до 10, В^-1, при этом вычисленные значения тока дозаряда меньше 0,01 Сн, приравниваются к 0,01 Сн, А. 1 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).

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи происходит разбалансировка аккумуляторов по емкости. Это может быть следствием разных условий охлаждения отдельных аккумуляторов в батарее, технологического различия в токах саморазряда аккумуляторов и многих других факторов. Поэтому предусматриваются различные мероприятия, позволяющие периодически устранять накопившийся разбаланс аккумуляторов по емкости.

Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, описанные в (Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы", Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г.), где на стр.256-257 описаны способы устранения разбаланса аккумуляторов по емкости. В частности, рассмотрен потенциостатический заряд при постоянном термозависимом напряжении. Однако здесь же отмечается его низкая надежность применительно к никель-водородным аккумуляторным батареям.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи (см. патент RU №2289178), предусматривающий заряд никель-водородной аккумуляторной батареи постоянным током до величины (0,6-0,8) ее номинальной емкости 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, в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Известный способ позволяет устранять возникающий разбаланс аккумуляторов, однако, процесс выравнивания длительный по времени (до нескольких суток).

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

Поставленная цель достигается тем, что при контроле напряжения каждого аккумулятора, контроле давления водорода управляющих аккумуляторов, проведении заряд-разрядных циклов, периодического дозаряда импульсным током, со средним значением тока дозаряда в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости и хранения в заряженном состоянии, дозаряд импульсным током проводят в течение всего периода хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, при этом после включения дозаряда из числа управляющих аккумуляторов выбирают контрольный аккумулятор с наименьшим напряжением, причем измерение напряжения проводят во время прохождения зарядного импульса, принимают это значение напряжения за контрольное, а дозаряд проводят в режиме регулирования среднего тока дозаряда в зависимости от текущего значения напряжения контрольного аккумулятора, при этом, если текущее значение больше контрольного, то ток дозаряда увеличивают, а если меньше - уменьшают. Кроме того, регулирование среднего тока дозаряда проводят по значениям, вычисляемым по формуле:

Iдз/с=(0,02-0,04)·Сн·(1+(Uтэк-Uконтр)·k), где

Iдз/с - среднее значение тока дозаряда, А;

Сн - номинальная емкость аккумуляторов, А·ч;

(0,02-0,04)·Сн - средний ток дозаряда, А;

Uтек - текущее значение зарядного напряжения контрольного аккумулятора, В;

Uконтр - напряжение контрольного аккумулятора при включении дозаряда, В;

k - коэффициент регулирования (существенности), выбирается в диапазоне от 1 до 10, В^-1,

при этом, вычисленные значения тока дозаряда меньше 0,01 Сн, приравниваются к 0,01 Сн, А.

Действительно, управляющий аккумулятор, имеющий по окончании заряда аккумуляторной батареи и включении дозаряда наименьшее значение напряжения, является наиболее заряженным и имеющим наибольшую температуру (наименьшее внутреннее сопротивление). Этот аккумулятор может служить на текущий эксплуатационный момент эталоном (контрольным аккумулятором) для контроля и поддержания достигнутого уровня заряженности аккумуляторной батареи. При этом повышение его напряжения будет свидетельствовать об его охлаждении (потере емкости), а понижение - о перегреве (перезаряде). Оптимальным режимом является поддержание достигнутого «контрольного» значения напряжения.

На фиг.1 представлены графики типовых зарядных характеристик напряжения никель-водородного аккумулятора НВ-120 (изготовления ОАО «Сатурн», г.Краснодар) при различных температурах. При этом по оси ординат отложено зарядное напряжение аккумулятора (Uз) в мВ, а по оси абсцисс - зарядная емкость в относительных единицах относительно номинальной емкости аккумулятора (Сз/Сн).

Из представленных графиков видно, что аккумулятор с большей температурой имеет меньшее зарядное напряжение.

Известно, что в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи токи саморазряда всех аккумуляторов приходят к единой величине. Это происходит автоматически - каждый аккумулятор выходит на уровень заряженности, при котором его ток саморазряда сравнивается с током саморазряда управляющего аккумулятора. При этом управляющие аккумуляторы должны иметь наибольший ток саморазряда при прочих равных условиях (в основном, температуре), чтобы обеспечить полный заряд всех аккумуляторов батареи с окончанием заряда по их параметрам (в основном, давлению водорода). На момент окончания заряда управляющие аккумуляторы имеют более низкую температуру (так-как не подвергаются перезаряду), а значит более высокое напряжение.

Для обеспечения сохранения достигнутого уровня заряженности аккумуляторной батареи необходимо выбрать (для использования в качестве контрольного) аккумулятор, по которому можно регулировать ток (удерживающего) дозаряда. Таким аккумулятором может служить аккумулятор из числа управляющих аккумуляторов, имеющий наименьшее напряжение по состоянию на момент окончания заряда и начала дозаряда. Поддержание этого аккумулятора в таком состоянии позволит сохранять достигнутый уровень заряженности всей аккумуляторной батареи. При этом, если напряжение на нем возрастает, то это свидетельствует о его охлаждении, а если понизится - о его перезаряде. В данном случае напряжение аккумулятора является более «тонким» инструментом регулирования, нежели температура на корпусе аккумулятора, так как процесс передачи тепла от электродного блока на корпус аккумулятора достаточно инерционный.

Для автоматизации процесса регулирования величины тока дозаряда предлагается формула, по которой исходный ток дозаряда может корректироваться в зависимости от разницы напряжения (Uтек-Uконтр). При этом существенность этой разницы предлагается выбрать с помощью коэффициента «k». Оптимизировать значение коэффициента «k» можно на этапе наземной экспериментальной отработки аккумуляторной батареи, либо по результатам штатной эксплуатации в составе ИСЗ.

Рассмотрим пример работы заявляемой формулы для аккумулятора НВ-120, зарядные характеристики которого представлены на фиг.1.

Примем: Iзн=16 А; Uконтр=1,575 В; Uтек=1,475 В.

При выбранном k=1, ток дозаряда составит:

Iдз/с=(0,02-0,04)·Сн·(1+(Uтек-Uконтр)·k)=

=(0,02-0,04)·120·(1+(1,475-1,575)·1)=(2,4-4,8)·0,9. То есть ток дозаряда снизится относительно исходного на 10%. Если же установить k=10, то ток дозаряда станет равным нулю, то есть по условиям формулы изобретения равным 1,2 А. Такой ток додзаряда не может привести к нагреву аккумуляторов, так как не превышает тока саморазряда и в то же время позволяет контролировать напряжение контрольного аккумулятора во время прохождения зарядного импульса.

На 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, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

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

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

Зарядный преобразователь состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 5-1, транзисторах 5-2, и выпрямителя на диодах 5-3.

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 на конденсаторе 15 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 16 и конденсаторе 18.

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 (с бортовой ЭВМ и командно-измерительной радиолинией).

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный стабилизированный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или прохождения ИСЗ штатных теневых участков орбиты. Непрерывный дозаряд в процессе хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии компенсирует саморазряд и устраняет увеличение разбаланса аккумуляторов по емкости.

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

При прохождении ИСЗ теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации на Солнце нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует текущие давление, напряжение и температуру аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ «закладывается» программа, реализующая контроль аккумуляторной батареи и управление ее режимами работы:

1. Контролируется текущее состояние аккумуляторной батареи по напряжению аккумуляторов, давлению и температуре.

2. При завершении заряда аккумуляторной батареи включается программа, реализующую дозаряд аккумуляторной батареи импульсным током, чередуя зарядные импульсы с паузами для достижения расчетного значения тока дозаряда, для поддержания напряжения на контрольном аккумуляторе величины Uконтр. При этом напряжение на контрольном аккумуляторе контролируют во время прохождения зарядного импульса.

3. Включение и отключение заряда (зарядных импульсов) реализуется непосредственно управлением работой схемы управления 10 зарядного преобразователя 5 от нагрузки (бортовой ЭВМ) 2 по заложенной программе. При этом коэффициент k может корректироваться с Земли через командно-измерительную радиолинию.

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

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника Земли, заключающийся в контроле напряжения каждого аккумулятора, контроле давления водорода управляющих аккумуляторов, проведении заряд-разрядных циклов, периодического дозаряда импульсным током, со средним значением тока дозаряда в пределах (0,02-0,04) номинальной емкости и хранения в заряженном состоянии, отличающийся тем, что дозаряд импульсным током проводят в течение всего периода хранения аккумуляторной батареи в заряженном состоянии, при этом после включения дозаряда из числа управляющих аккумуляторов выбирают контрольный аккумулятор с наименьшим напряжением, причем измерение напряжения проводят во время прохождения зарядного импульса, принимают это значение напряжения за контрольное, а дозаряд проводят в режиме регулирования среднего тока дозаряда в зависимости от текущего значения напряжения контрольного аккумулятора, при этом, если текущее значение больше контрольного, то ток дозаряда увеличивают, а если меньше - уменьшают.

2. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что регулирование среднего тока дозаряда проводят по значениям, вычисляемым по формуле:
Iдз/с=(0,02-0,04)·Сн·(1+(Uтек-Uконтр)·k),
где Iдз/с - среднее значение тока дозаряда, А;
Сн - номинальная емкость аккумуляторов, А·ч;
(0,02-0,04)·Сн - средний ток дозаряда, А;
Uтек - текущее значение зарядного напряжения контрольного аккумулятора, В;
Uконтр - напряжение контрольного аккумулятора при включении дозаряда, В;
k - коэффициент регулирования (существенности) выбирается в диапазоне от 1 до 10, В^-1,
при этом вычисленные значения тока дозаряда меньше 0,01 Сн приравниваются к 0,01 Сн, А.