СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD FOR OPERATION OF NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATOR BATTERY INCLUDED INTO ARTIFICAL EARTH SATELLITE

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 неоднократно подтверждалось на практике.
При этом в процессе разряда отдельные аккумуляторы подвергаются в определенной степени переполюсовке, что снижает текущие энергетические характеристики аккумуляторной батареи.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов (патент №2084055, Н01М 10/44).
Недостатком известного способа является то, что он обеспечивает заряд аккумуляторной батареи только до уровня (60-80)% номинальной емкости. Попытки установить уровень заряженности более 80% номинальной емкости приводят к повышению тепловыделения и повышению температуры аккумуляторов, что снижает эффективность и надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи (см. патент №2289178, H01M 10/44), 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) 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.
Задачей заявляемого изобретения является повышение емкостных ресурсных характеристик и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.
Поставленная задача достигается тем, что при проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, периодических дозарядов импульсным током с ограничением длительности зарядного импульса и длительности последующей паузы из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов, дополнительно контролируют температуру аккумуляторной батареи, длительность зарядного импульса ограничивают по достижению уровня температуры аккумуляторной батареи максимально допустимого значения, а длительность последующей паузы - по достижению уровня температуры аккумуляторной батареи рабочего диапазона. Кроме того, контролируют снижение текущей длительности зарядного импульса и при прекращении снижения текущей длительности зарядного импульса, дозаряд импульсным током прекращают.
На фиг.1 представлены графики саморазряда никель-водородного аккумулятора с номинальной емкостью 40 Ач (НВ-40), по материалам статьи Б.И.Центер, А.И.Служевский “Исследование кинетики саморазряда герметичного никель-водородного аккумулятора”. Журнал прикладной химии, 1981 г., №11.
Из представленного графика видно, что с ростом температуры возрастает и скорость (ток) саморазряда аккумуляторов.
Этот факт позволяет повысить степень выравнивания аккумуляторов по емкости за счет вывода более заряженных аккумуляторов на более высокие температуры, а значит на более высокие токи саморазряда. Это достигается простым перезарядом аккумуляторной батареи, в процессе импульсного заряда, когда длительность зарядного импульса ограничивают по достижению уровня температуры аккумуляторной батареи максимально допустимого значения. При этом наиболее заряженные аккумуляторы подвергаются тем большему перезаряду, чем более они заряжены, что обеспечивает градиент температур между аккумуляторами, положительно влияющий на процесс выравнивания аккумуляторов по емкости. Иными словами, процесс выравнивания идет по двум направлениям:
1) дозаряд «слабых» аккумуляторов до более высокого уровня;
2) снижение текущей емкости наиболее заряженных аккумуляторов за счет создания условий повышенного саморазряда.
По мере выравнивания аккумуляторов по емкости, перезаряду будут подвергаться все большее количество аккумуляторов, что приведет к сокращению длительности зарядного импульса, а когда возможности выравнивания будут исчерпаны, длительность зарядного импульса стабилизируется, что служит сигналом для завершения процесса выравнивания.
На фиг.2 приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.
Автономная система электропитания 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 Тр, транзисторах Т1 и Т2, и 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 (с командно-измерительной радиолинией и бортовой ЭВМ).
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 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.
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 текущую емкость (давление) и напряжение аккумуляторов, температуру аккумуляторной батареи 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 достижении заранее заданных критериев (или с какой-то периодичностью), по команде с Земли или автоматически, включают программу, реализующую дозаряд аккумуляторной батареи импульсным током, чередуя зарядные импульсы с паузами.
3. Включение и отключение заряда (зарядных импульсов) реализуется непосредственно управлением работой схемы управления 10 зарядного преобразователя 5 от нагрузки (бортовой ЭВМ) 2. При этом после включения заряда контролируют температуру аккумуляторной батареи и, при достижении температурой максимально допустимого значения, заряд отключают. При этом оценивают длительность зарядного импульса. Далее (в паузе) контролируют температуру аккумуляторной батареи на предмет охлаждения до рабочего диапазона температур, после чего вновь включают заряд.
4. На каждом последующем цикле проводят сравнение длительности зарядного импульса по сравнению с предшествующим его значением. В случае, если длительность зарядного импульса существенно не изменилась, процесс выравнивания завершают паузой, после которой включают заряд штатным рабочим режимом.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет поддерживать аккумуляторную батарею на высоком уровне заряженности, минимизировать разбаланс аккумуляторов по емкости, а следовательно, повышает емкостные ресурсные характеристики и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.