АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
ACCUMULATOR STORAGE BATTERY OF SPACE VEHICLE

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и последующей эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электроснабжения космических аппаратов (КА) бесконтейнерной компоновки с одноконтурной системой терморегулирования (СТР) с жидким теплоносителем, в частности искусственных спутников земли.
Известен способ эксплуатации никель-водородной АБ, см. патент РФ №2084055, Н01М 10/44, согласно которому заряд АБ ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанной на основании измеренной температуры и давления аккумуляторов, которые практически оказываются разными для разных аккумуляторов. К недостатку указанного способа следует отнести необходимость введения поэлементного контроля температуры и давления, а значит, соответствующих датчиков с измерительно-преобразующим и исполнительным устройством, что приводит к дополнительной присоединенной массе и служебному энергопотреблению. Поскольку аккумуляторы батареи, соединенные последовательно, заряжаются и разряжаются одним током, а условия теплопередачи от отдельных аккумуляторов батареи различны, то это приводит к расхождению их по температуре и, как следствие, по текущей емкости ΔС из-за разных токов саморазряда. В результате временного накопления ΔС в последовательной цепи появляются как «слабые» (наиболее разряженные), так и «сильные» - наиболее заряженные аккумуляторы. Это вынуждает уменьшить глубину циклирования, что равнозначно снижению эффективно запасаемой в батарее емкости, так как в противном случае как «слабые», так и «сильные» аккумуляторы выходят из области допустимых режимов, и дальнейшее их циклирование приведет к аварийной ситуации - разгерметизации и даже к взрыву, что и обусловливает безопасную разрешенную глубину циклирования на уровне 60-80% от номинальной.
уд
Известна АБ аналогичного назначения и способ ее эксплуатации, см. патент РФ №2274930. К недостаткам указанного аналога следует отнести наличие n байпасных элементов, при этом байпасные элементы выполнены в виде n гальванически развязанных выпрямителей, выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору АБ соответственно, а входами - дополнительно введенному стабилизированному преобразователю постоянного напряжения в переменное. Введение указанных байпасных элементов позволяет увеличить безопасную разрешенную глубину циклирования, за счет чего уменьшается ресурсный спад емкости, но одновременно с этим возникает потребность в дополнительной служебной энергии, а масса батареи увеличивается за счет присоединенной массы введенных элементов. На практике это дает незначительный выигрыш в удельной энергии W[Bт×ч/кг] по сравнению с батареей, не снабженной байпасными элементами.
Из известных устройств аналогичного назначения наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является АБ (см. патент РФ №2339125), принятая за прототип, которая содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту с отверстиями, по количеству аккумуляторов, расположенных методом «плотной упаковки», оси которых перпендикулярны поверхности плиты, на внутренней поверхности отверстий выполнена коническая резьба, в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов через слой теплопроводящего эластичного вещества, на котором аккумуляторы закреплены в стаканах так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков аккумуляторов расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий в плите, для чего толщина плиты принимается равной высоте электродных блоков.
К недостаткам прототипа следует отнести как обусловленную конструкцией АБ тепловую схему, так и ее базового элемента - отдельного аккумулятора, которая не обеспечивает стабилизацию температуры электродных блоков аккумуляторов вблизи энергетического оптимума, потому что при методе плотной упаковки перешейки плиты между аккумуляторами имеют большое тепловое сопротивление, приводящее к увеличению перепада температур между корпусами аккумуляторов и жидким теплоносителем СТР. Теплосъем в прототипе осуществляется только с внешней поверхности корпусов аккумуляторов, электродные блоки которых не находятся в тепловом контакте с корпусами аккумуляторов, потому что необходим газовый зазор, электрически изолирующий электродный блок от корпуса. При этом между центральными частями электродных блоков, где температура максимальна, и поверхностью теплосъема возникает перепад температур, максимум которого приходится на зазор (см. фиг.4а).
уд
Задача, которая решается предлагаемым изобретением, - уменьшение расхождения отдельных аккумуляторов по емкости. В результате увеличивается разрешенная безопасная глубина циклирования, что равнозначно уменьшению ресурсного спада удельной энергии батареи W[Bт×ч/кг].
Физическая осуществимость обеспечивается такой тепловой схемой, при которой температуры электродных блоков всех аккумуляторов стабилизируются в окрестности энергетического максимума, что достигается заявляемыми конструкциями как плиты, так и аккумуляторов и осуществляется за счет минимального теплового сопротивления между электродным блоком и энергоемким веществом, а также электродным блоком и испарительным концом тепловой трубы, что обеспечивает постоянную оптимальную температуру на «тепловой полке» при фазовых переходах: твердое-жидкое-твердое энергоемкого вещества и жидкое-газообразное-жидкое в тепловой трубе. Это достигается за счет того, что в аккумуляторной батарее, состоящей из n аккумуляторов, соединенных последовательно, установленных в отверстиях теплопроводной плиты, оси которых перпендикулярны поверхности плиты, плита выполнена неэлектропроводной в виде неэлектропродных пластин, между которых находится неэлектропроводное энергоемкое вещество, аккумуляторы закреплены в пластинах через мембраны так, что слой энергоемкого неэлектропроводного вещества расположен напротив боковых цилиндрических поверхностей электродных блоков. При этом электроды одной полярности находятся в электрическом и тепловом контакте с внутренними поверхностями корпусов аккумуляторов, через центральные области электродных блоков проходят испарительные концы тепловых труб, которые находятся в электрическом и тепловом контакте с электродами другой полярности. Корпуса тепловых труб, выполняющие одновременно роль борнов, электрически изолированы от корпусов аккумуляторов, а конденсаторные концы тепловых труб - в тепловом контакте с радиационным теплообменником. В электродах обоих полярностей электродного блока выполнены отверстия, оси которых параллельны осям электродных блоков, с суммарным сечением, достаточным для выравнивания давления водорода по всему внутреннему объему аккумулятора.
На фиг.1 изображено конструктивное исполнение АБ; фиг.2 - аккумулятор АБ; фиг.3 - цикл КА; фиг.4 - поле температур по аккумулятору: а - в прототипе, б - в заявляемой батарее.
Описываемая батарея (см. фиг.1) состоит из п аккумуляторов 1, соединенных последовательно, установленных в отверстиях по количеству аккумуляторов теплопроводной плиты, выполненной в виде неэлектропроводных пластин 2 и неэлектропроводного энергоемкого вещества 3 между ними (см. фиг.2), оси аккумуляторов 1 перпендикулярны поверхностям пластин 2, в которых аккумуляторы 1 закреплены через мембраны 4 так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков 5 аккумуляторов 1 расположены напротив слоя неэлектропроводного энергоемкого вещества 3 для обеспечения теплового контакта с внешними поверхностями корпусов аккумуляторов 1, которые находятся в тепловом электрическом контакте с электродами одной полярности электродных блоков 5. Через центральные области электродных блоков 5 проходят испарительные концы 6 тепловых труб, которые находятся в тепловом и электрическом контакте с электродами другой полярности электродных блоков 5. В электродах обоих полярностей выполнены отверстия 7 с суммарным сечением, достаточным для выравнивания давления водорода, выделяемого-поглощаемого электродными блоками 5, по всем внутренним объемам аккумуляторов 1, а электрически изолированные от корпусов аккумуляторов 1 корпуса 8 тепловых труб являются одновременно борнами. Конденсаторные концы 9 тепловых труб находятся в тепловом контакте с радиационным теплообменником (на фиг.2 не показан, поскольку относится к СТР, а точнее - термостабилизации).
В процессе циклирования на протяжении одного витка АБ работает следующим образом. В зависимости от текущей емкости и температуры мощность тепловыделения батареи меняется, поэтому ее можно представить как среднюю, которая отводится тепловой трубой, и наложенную на среднюю переменную составляющую, рекуперирующуюся энергоемким веществом 3. Такое распределение принято с целью минимизации массы энергоемкого вещества 3. При заходе КА в тень Земли (положение №1, см. фиг.3) вся нагрузка обеспечивается электроэнергией от АБ, что приводит к увеличению ее мощности тепловыделения, а значит, и повышении температуры. Включается тепловая труба, энергоемкое вещество 3 начинает переходить из твердой фазы в жидкую. К концу тени почти все энергоемкое вещество 3 находится в жидкой фазе. После выхода из тени (положение №2) начинает работать солнечная батарея, а нагрузка на АБ падает. Соответственно падает мощность тепловыделения и температура, энергоемкое вещество 3 начинает переходить в твердую фазу, работающая тепловая труба способствует этому. Заряд батареи начинается в положении №3 - тепловая труба продолжает работать, позволяя энергоемкому веществу 3 переходить в твердое состояние далее. В положении №4-6 КА поворачивается так, что радиационный теплообменник начинает облучаться Солнцем. Его температура и, соответственно, температура конденсаторных концов 9 тепловых труб повышается, и они автоматически отключаются в силу устройства тепловой трубы. Стабилизация температуры АБ продолжается за счет оставшегося в жидкой фазе энергоемкого вещества 3 и продолжается до его полного перехода в твердую фазу (положение №7-8). АБ к этому времени полностью заряжена и готова к прохождению КА следующей тени.
уд
По сравнению с аналогом и прототипом (см. фиг.4а) заявляемая батарея имеет то преимущество, что в ней исключается вредное влияние расхождения отдельных аккумуляторов по емкости за счет стабилизации температуры электродного блока (см. фиг.4б) и при этом одновременно исключается присоединенная масса и энергопотребление служебных устройств (поэлементная диагностика, байпасные ячейки, стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное), что обеспечивает максимум удельной энергии батареи W[Bт×ч/кг] при ее минимальном ресурсном спаде (на фиг.4а - ΔТка - перепад температуры на стенке корпуса аккумулятора, ΔТгз - перепад темперутары на газовом зазоре, ΔТэб - перепад температуры на электродном блоке).