СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD FOR OPERATION OF LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERY IN AUTONOMOUS SYSTEM OF POWER SUPPLY OF ARTIFICIAL EARTH SATELLITE

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге Д.А.Хрусталев, Аккумуляторы, М.: Изумруд, 2003 г., глава 4. В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим, и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Однако известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар).
В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ.563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.
Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости, реализованного известной аккумуляторной батареей, является то, что процесс выравнивания может быть достаточно длительным, что ограничивает функциональные возможности ИСЗ.
Кроме того, приведение емкости всех аккумуляторов к емкости наименее заряженного аккумулятора (а не наоборот) представляется неэффективным, так как на момент достижения выравнивания аккумуляторов батарея имеет емкость меньше ее потенциальных возможностей.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи путем проведения зарядно-разрядных циклов, поэлементного контроля напряжения аккумуляторов с помощью блоков контроля заряда, спроектированных и изготовленных в Исследовательском центре Гленн NASA, которые шунтируют избыточный ток, когда аккумулятор достигает требуемого напряжения конца заряда (см.
NASA/TM-2005-213995, предварительные результаты проведенных NASA проверочных испытаний литий-ионного аккумулятора для космического применения, Барбара Маккисок, Мишель А. Манзо, Томас Б. Миллер и Конча М. Рейд Исследовательский центр Гленн, Кливленд, шт.Огайо, Уилльям Р. Беннет и Рассел Гемейнер, Компания QSS Group, Inc., Кливленд, шт.Огайо, раздел II Описание испытаний, подраздел E. Ресурсные испытания).
Этот способ принят за прототип заявляемому техническому решению.
Известный способ устраняет указанные выше недостатки, однако для его реализации необходимы шунтирующие устройства на каждом аккумуляторе, рассчитанные на полный зарядный ток, что снижает удельные энергетические характеристики аккумуляторной батареи, а необходимость коммутации шунтирующих устройств снижает ее надежность.
Задачей заявляемого изобретения является повышение удельных энергетических характеристик и надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.
Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов, при необходимости, разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением, подключения к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов, с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора, балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи, при этом сравнение напряжения каждого балансируемого аккумулятора с напряжением первоначально выбранного аккумулятора проводят по текущему значению последнего. Кроме того, отключение индивидуальных разрядных резисторов дополнительно проводят при отключении заряда (подзаряда), а сопротивление индивидуальных разрядных резисторов выбирают по формуле
R<Uакк.ср./ΔIут·k, где
R - величина сопротивления каждого индивидуального разрядного резистора, Ом;
Uакк.ср. - среднее рабочее напряжение аккумулятора, B;
ΔIут - максимальная разница в токах утечки аккумуляторов, A;
k - коэффициент, учитывающий соотношение длительности процесса заряда (подзаряда) и длительности всего цикла от окончания предшествующего заряда (подзаряда) до окончания очередного заряда (подзаряда), рассчитанный по формуле
k=Тц/Тз, где
Тц - максимальная длительность всего цикла от окончания предшествующего заряда (подзаряда) до окончания очередного заряда (подзаряда);
Тз - минимальная длительность процесса заряда (подзаряда).
Как отмечалось выше, литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление. При этом разница между зарядным и разрядным напряжениями аккумулятора (а также напряжением разомкнутой цепи - режим хранения) в конкретной точке заряженности аккумулятора несущественна. Поэтому балансировка аккумуляторов по напряжению (а по сути, это балансировка аккумуляторов по емкости), по отношению к самой аккумуляторной батарее, может проводиться в любом из перечисленных режимов. Однако при работе аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания, в процессе ее разряда более высокое напряжение (суммарное напряжение всех последовательно соединенных аккумуляторов) способствует снижению разрядного тока для обеспечения определенной мощности нагрузки, поэтому проводить балансировку аккумуляторов по напряжению в режиме разряда аккумуляторной батареи неэффективно. Балансировка аккумуляторов по напряжению в режиме хранения в заряженном состоянии также снижает мощностные возможности аккумуляторной батареи и требует последующего, после окончания балансировки, дозаряда аккумуляторной батареи для достижения максимальных возможностей.
Балансировка аккумуляторов по напряжению в процессе заряда аккумуляторной батареи не меняет ее электрохимических процессов и без каких-либо косвенных потерь обеспечивает достижение поставленной цели в процессе проведения необходимой операции по восстановлению потерянной емкости.
Для обеспечения проведения балансировки только в режиме заряда аккумуляторной батареи необходимо по окончании заряда формировать сигнал на отключение всех балансировочных резисторов, на случай если балансировка каких-либо аккумуляторов в процессе проведения данного заряда не была завершена.
Для обеспечения эффективной балансировки аккумуляторов по напряжению в процессе проведения заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи важное значение имеет выбор величины сопротивления балансировочных резисторов.
В заявляемом изобретении расчет сопротивления балансировочных резисторов предлагается проводить исходя из известности следующих данных:
- Среднее рабочее напряжение аккумулятора - Uакк.ср., B.
Однако при работе аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания, в процессе ее разряда более высокое напряжение (суммарное напряжение всех последовательно соединенных аккумуляторов) способствует снижению разрядного тока для обеспечения определенной мощности нагрузки, поэтому проводить балансировку аккумуляторов по напряжению в режиме разряда аккумуляторной батареи неэффективно.
- Максимальная разница в токах утечки аккумуляторов (включая утечки на внешние контрольные цепи) - ΔIут, A.
- Максимальная длительность цикла от начала предшествующего заряда (подзаряда) до окончания очередного заряда (подзаряда) - Тц, час.
- Минимальная длительность процесса заряда (подзаряда) - Тз, час.
Рассчитав емкость возможного максимального разбаланса аккумуляторов по емкости в течение одного цикла (ΔIут·Тц), A·час, и разделив на минимальную длительность заряда (подзаряда) (Тз), час, получаем ток необходимого принудительного разряда для устранения возникшего разбаланса. Зная среднее разрядное напряжение аккумулятора, рассчитываем величину необходимого сопротивления индивидуального разрядного резистора, в итоге: R<Uакк.ср./ΔIут·k, Ом.
Рассчитаем реальное значение величины сопротивления индивидуального разрядного резистора для некоторого абстрактного случая:
Uакк.ср. = 3,6 B (используется в расчетах отечественных и зарубежных литий-ионных аккумуляторных батарей);
ΔIут = 4 мА (ограничение на этапе изготовление аккумуляторов);
Тц - 28 час (для геостационарной орбиты при наличии «теневых» участков составит 24 часа);
Тз - 4 часа (зависит от величины тока заряда).
Для приведенного случая величина сопротивления индивидуального резистора составит
R=Uакк.ср./ΔIут·k=3,6/0,004·(24/4)=150 Ом, при этом мощность, выделяемая на этом резисторе в процессе балансировки аккумуляторов по напряжению, составит
2
2
P=I·R=0,024·150=0,0864 Вт.
150 Ом, при мощности менее 0,1 Вт - это достаточно малые вес и габариты, как самого резистора, так и его коммутационного реле, что не ухудшит сколько-нибудь существенно удельные энергетические характеристики аккумуляторной батареи.
Рассчитанная величина сопротивления находится на грани рекомендуемой заявляемым изобретением величины, выбранное значение сопротивление должно быть меньше полученного при данном расчете.
Однако существенное снижение сопротивления разрядного резистора ведет к повышению мощности как резистора, так и коммутационных элементов - реле.
2
Например, выберем величину сопротивления резистора, равным 10 Ом. В этом случае, в рамках приведенного «примера», ток балансировки будет равен: 3,6/10=0,36 A, а мощность резистора: 0,36·10=1,3 Вт. Это заметно ухудшит массо-габаритные характеристики балансирующей системы аккумуляторной батареи и отрицательно скажется на ее удельные энергетические характеристики. Кроме того, повысится тепловыделение при проведении балансировки аккумуляторов, что чаще всего нежелательно.
Заявляемое изобретение определяет диапазон величины сопротивления, но оставляет за разработчиком системы электропитания КА право выбора конкретной его величины в рамках поставленных перед ним задач и имеющихся у него технических возможностей.
На чертеже, фиг.1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, 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 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).
В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.
Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле в блоке реле 4-4.
Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16 и выпрямителя на диодах 17.
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 - конденсатор 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.
Схемы управления 10, 12, 14, зарядного преобразователя 5, разрядного преобразователя 6, и преобразователя напряжения 3, 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, в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения штатных теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце.
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 аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2, в которой реализуются следующие технологические операции:
1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов, оценивается текущая емкость аккумуляторов и разница в текущей емкости аккумуляторов.
2. При снижении текущей емкости (напряжения) аккумуляторов до определенного, выбранного на этапе проектирования системы электропитания, значения, разблокируется заряд (подзаряд) аккумуляторной батареи и, при наличии избыточной мощности солнечной батареи 1, включается заряд аккумуляторной батареи 4, при этом факт включения заряда фиксируется бортовой ЭВМ по появлению тока заряда - сигнал с шунта 8. В случае достижения разницы в текущей емкости аккумуляторов 4-1 существенного значения, так же выбранного на этапе проектирования системы электропитания, запускается процесс балансировки аккумуляторов по напряжению. К аккумуляторам 4-1 подключаются индивидуальные разрядные резисторы 4-2 (соответствующие контакты 4-3 замыкаются), за исключением аккумулятора имеющего самое низкое напряжение (самого разряженного аккумулятора) и аккумуляторов имеющих превышение этого напряжения в пределах установленного допуска. После достижения напряжения балансируемых аккумуляторов текущего значения напряжения самого разряженного аккумулятора, соответствующий индивидуальный разрядный резистор 4-2 отключается посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4. Управление блоком реле 4-4 реализуется, по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.
3. Если достижение разницы в текущей емкости аккумуляторов 4-1 существенного значения произошло в режиме разряда аккумуляторной батареи (например, на «теневом» участке орбиты ИСЗ), то процесс балансировки начнется после появления зарядного тока (выход ИСЗ на освещенный участок орбиты).
4. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных о величине напряжений аккумуляторов на конец окончания заряда, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, корректируют при необходимости величину максимального зарядного напряжения аккумуляторов и величину существенно разницы в напряжениях аккумуляторов.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить удельные энергетические характеристики и надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.