СПОСОБ ВЫРАВНИВАНИЯ ЕМКОСТИ АККУМУЛЯТОРОВ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
METHOD OF LEVELING CAPACITY OF NICKEL-HYDROGEN STORAGE BATTERY

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания потребителей, установленных на автономных объектах, в частности на космических аппаратах (КА).
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, постоянно подтверждается на практике.
Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (см. подраздел XI.2, Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. "Металл-водородные электрические системы". Л.: "Химия". Ленинградское отделение, 1989). Известные способы заключаются в длительном перезаряде малыми токами и длительном хранении в состоянии «разокнутой цепи» для полного саморазряда аккумуляторов.
На космических аппаратах широко используются два метода выравнивания емкости:
th
- разрядом батареи на общее сопротивление (этот метод широко используется в разработках США, например на ИСЗ серии Intelsat [Levy Е., Ir.Osugi Fred s.Design and Performance of Intelsat - IV Power Subsystem. «7Intersoc. Energy Convers Eng Conf., San Diego, Calif., 1972»];
- подзарядом батареи малым током после полного заряда (т.н. Trickle charge), см., например, [A Power Subsystem for telecommunication Satellite. / L.Croci, P.Galantini, C.Marana Proceeding of the European Space Power Conference Held in Graz, Austria, 23-27 August 1993 (ESA WPP-054, Ang. 1993)].
Метод выравнивания емкости разрядом батареи на общее разрядное сопротивление требует дополнительных затрат массы (резисторы, коммутационные переключатели с глубоким резервированием для обеспечения высокой надежности на любой вид отказа), усложняет схему контроля и управления аккумуляторной батареи.
Типовой алгоритм разряда для выравнивания аккумуляторов заключается в разряде батареи до снижения напряжения на любом из аккумуляторов до уровня 0,5 В, затем уменьшение тока разряда (увеличение сопротивления резистора), повторный разряд до 0,5 В на любом из аккумуляторов и т.д. Процедура выравнивания заканчивается последним разрядом до 0,5 В на наиболее "слабом" аккумуляторе. При этом, несмотря на сложную процедуру разряда, полный разряд всех аккумуляторов до 0 В при таком методе не гарантируется.
Суть второго метода (прототип) сводится к тому, что все аккумуляторы независимо от их индивидуального состояния после полного заряда подвергаются перезаряду определенным током.
Значение тока выбирается на основе компромисса между обеспечением полной степени заряженности батареи и недопущением перегрева отдельных аккумуляторов. Для исключения разбалансировки ток перезаряда должен быть достаточным для «подтягивания» наиболее «слабого» аккумулятора, т.е. аккумулятора, имеющего максимальный саморазряд к верхнему уровню заряженности. Поэтому во всех случаях, из-за индивидуальных особенностей аккумуляторов при выбранном токе перезаряда, в батарее имеются аккумуляторы, которые подвергаются наибольшему перезаряду, что ухудшает их ресурсные характеристики.
Наиболее близким по технической сущности является способ выравнивания емкости аккумуляторов никель-водородной аккумуляторной батареи, см. патент RU (11) 2321105, принятый за прототип.
Известный «Способ выравнивания емкости никель-водородной аккумуляторной батареи» заключается в отключении ее от внешней цепи, нагреве и хранении в отключенном состоянии при температуре не выше 50°C до полного саморазряда всех аккумуляторов ниже 0,5 В, после чего ее охлаждают до рабочей температуры и подключают к внешней цепи.
В известном способе выравнивания аккумуляторов по емкости используется свойство никель-водородного аккумулятора - свойство «селективного катализа», которое выражается химической реакцией
.
При замыкании внешней цепи аккумулятора реакция является токообразующей и идет намного быстрее, чем без замыкания цепи. Во втором случае она происходит вследствие химического (а не электрохимического) процесса и определяет саморазряд аккумулятора.
Скорость химического процесса окисления водорода имеет сильную зависимость от температуры. В статье (Б.И.Центер, А.И.Служевский. "Исследование кинетики саморазряда герметичного никель-водородного аккумулятора", журнал прикладной химии №11, 1981 г.) приведены экспериментальные данные, из которых видно, что снижение емкости аккумуляторов на 50% от начальной при хранении происходит при температуре 15°C примерно за ~20 суток, а при 30°C - за 5 суток. Аналогичная зависимость подтверждается и многими другими источниками.
Суть известного способа заключается в нагреве аккумуляторов и хранении батареи в отключенном от заряда и нагрузки состоянии до снижения напряжения на всех аккумуляторах ниже 0,5 В.
Недостатком известного способа являются низкие функциональные возможности и эффективность процесса выравнивания. Процесс выравнивания требует существенных затрат времени. При этом для его проведения необходимо отключение аккумуляторной батареи от внешней цепи, что в составе ИСЗ возможно только при наличии резервных аккумуляторных батарей.
2
2
Кроме того, в процессе такого выравнивания некоторые аккумуляторы могут достигать напряжения, близкого к нулю, что, особенно при повышенной температуре, приводит к переходу активной массы из активной фазы α-Ni(OH) в неактивную фазу β-Ni(OH). В итоге это приводит к снижению емкости аккумуляторной батареи (см. S.W.Donley and D.C.Verrier (TRW Space and Technology Group). Study of Nikel Hydrogen Battery Discharge Performange After Charge and Stand at Warm Temperature - Исследование разрядных характеристик никель-водородной батареи после заряда и выдержки при повышенной температуре). В целом это снижает эффективность и функциональные возможности известного способа.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности и функциональных возможностей способа выравнивания емкости аккумуляторов никель-водородной аккумуляторной батареи.
Поставленная задача решается тем, что при проведении нагрева до температуры не выше допустимого уровня, хранения, с последующим охлаждением до рабочего уровня температуры, и заряда номинальным током нагрев проводят путем заряда до достижения температуры установленного верхнего уровня, кроме того, дополнительно контролируют степень выравнивания аккумуляторов по емкости и, при необходимости, повторяют процедуру выравнивания до достижения требующейся степени выравнивания.
Действительно, нагрев всех аккумуляторов до одного уровня температуры обуславливает примерно равный для всех аккумуляторов саморазряд. Процесс выравнивания при этом идет достаточно медленно. При этом аккумуляторы, имеющие меньшую начальную емкость, первыми полностью саморазряжаются и подвергаются хранению в разряженном состоянии в неблагоприятных температурных условиях.
Предлагаемый же способ нагрева аккумуляторной батареи однозначно ведет к тому, что аккумуляторы нагреваются тем больше, чем они более заряжены. Следовательно, токи саморазряда аккумуляторов будут изначально прямо пропорциональны степени их заряженности. Этот факт позволяет устранить (полностью или частично) исходную разбалансировку аккумуляторов по емкости на этапе охлаждения аккумуляторной батареи до рабочего уровня температуры.
Следует отметить, что максимально допустимый уровень температуры для современного никель-водородного аккумулятора в состоянии хранения составляет 50°C, при проведении разряда - 45°C, а при проведении заряда - (30-35)°C. При этом рабочий диапазон температур составляет (5-15)°C. Приведенные значения температур с учетом статьи (Б.И.Центер, А.И.Служевский. "Исследование кинетики саморазряда герметичного никель-водородного аккумулятора", журнал прикладной химии №11, 1981 г.) свидетельствуют о том, что разница в температурах аккумуляторов будет способствовать выравниванию их по емкости.
Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является то, что в процессе проведения выравнивания аккумуляторов по емкости аккумуляторная батарея непрерывно имеет достаточно большую текущую емкость, что позволяет проводить выравнивание не имея резервной аккумуляторной батареи.
Известно, что степень разбалансировки аккумуляторов по емкости можно оценить по текущему давлению или по разрядному напряжению аккумуляторов. Наличие разбалансировки аккумуляторов в аккумуляторной батарее косвенно можно определить по конечному разрядному напряжению аккумуляторной батареи.
Исходя из прямых или косвенных признаков степени текущей разбалансировки, можно принять решение о необходимости повтора процедуры выравнивания до достижения требующейся степени выравнивания.
Реализацию предлагаемого способа можно пояснить на примере геостационарного связного КА.
Для геостационарных КА характерно наличие «теневых» участков орбиты с максимальной длительностью тени 72 минуты в за одни сутки. При этом длительность периода с теневыми участками орбиты составляет 45 суток в течение полугода. Все это позволят проводить выравнивание аккумуляторов по емкости в аккумуляторной батареи практически, при необходимости, ежесуточно.
Запускать операцию выравнивания на исполнение можно по радиокомандам с Земли либо от бортовой ЭВМ, по заранее заложенной программе.
Таким образом, предлагаемый способ выравнивания емкости аккумуляторов никель-водородной аккумуляторной батареи позволяет проводить эффективное выравнивание емкости аккумуляторов в аккумуляторной батарее без каких-либо ограничений, при предельной простоте и практически отсутствии дополнительных затрат на его реализацию. Предлагаемый способ предлагается использовать в разработках КА.