СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГЕРМЕТИЧНОЙ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF LEAK-TIGHT NICKEL AND HYDROGEN BATTERY OPERATION IN ARTIFICIAL EARTH SATELLITE STAND-ALONE POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации герметичных никель-водородных аккумуляторных батарей, преимущественно в автономных системах электропитания ИСЗ.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (см. "Металл-водородные электрохимические системы". Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г., стр.262).
Способ эксплуатации заключается в следующем. При снижении за счет саморазряда или разряда давления в аккумуляторах батареи до установленного в алгоритме управления уровня по показаниям аналоговых датчиков давления подключают зарядное устройство к батарее. При повышении в процессе заряда давления в аккумуляторах батареи до установленного в алгоритме управления уровня по показаниям аналоговых датчиков давления отключают зарядное устройство от аккумуляторной батареи.
Заряд отключается также при срабатывании контактов дискретного датчика давления, настроенного на предельно допустимое давление.
Описанный способ позволяет эксплуатировать батарею не на предельных уровнях давления, гибко управлять уровнем заряженности батареи в зависимости от требуемой для питания нагрузки разрядной энергии, т.е. эксплуатировать батарею на минимально необходимом уровне заряженности.
Однако этот способ не позволяет эффективно осуществлять управление зарядом при изменениях температуры аккумуляторной батареи. Этот способ можно применять только при какой-то определенной температуре (узком диапазоне температур), так как давление водорода, как и любого газа, зависит от температуры. Кроме того, этот способ неизбежно ведет к разбалансу аккумуляторов в аккумуляторной батарее по емкости, что снижает эффективность использования аккумуляторной батареи.
Известен «Способ эксплуатации герметичной никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли путем проведения заряд-разрядных циклов, с отключением заряда по заданному уровню измеряемых степени заряженности и температуре аккумуляторов и включением заряда батареи при снижении давления водорода в аккумуляторах до контролируемого нижнего уровня заряженности, при этом отключают заряд после сообщения от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов емкости заранее заданной величины с ограничением ее по предельно допустимой температуре аккумуляторов, причем величину емкости, сообщаемой от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов, корректируют в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, исходя из уровня достигаемой на конец заряда температуры аккумуляторов» (см. патент РФ №2294581, кл. H01M 10/44, опубл. в 2007 г.).
Недостатком известного способа является его низкая функциональная надежность при обеспечении длительной (10 лет и более) эксплуатации аккумуляторной батареи.
Это обусловлено тем, что известный способ не учитывает ресурсные изменения характеристик аккумуляторов в процессе длительной эксплуатации, таких как накопление балластного водорода в результате коррозии активной массы (см. "Металл-водородные электрохимические системы". Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г., стр.268).
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является «способ эксплуатации герметичной никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли путем проведения заряд-разрядных циклов, контроля уровня заряженности, напряжения и температуры аккумуляторов, отключения заряда после достижения контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов и сообщения дополнительной емкости, с ограничением ее по предельно допустимой температуре аккумуляторов, корректировки величины дополнительной емкости, сообщаемой от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов, исходя из уровня достигаемой на конец заряда температуры аккумуляторов, отличающийся тем, что величину сообщаемой дополнительной емкости ограничивают в диапазоне (0,08-0,1) номинальной емкости аккумуляторной батареи и при достижении в процессе корректировки сообщаемой дополнительной емкости указанной величины повышают соответственно величину контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторной батареи», принятый за прототип (см. патент РФ №2334311, кл. H01M 10/44, опубл. в 2008 г.).
Недостатком известного способа является его низкая функциональная надежность при обеспечении длительной (10 лет и более) эксплуатации аккумуляторной батареи.
Это обусловлено тем, что известный способ использует в качестве управляющего параметра давление водорода в аккумуляторах (что, как сказано выше, при длительном ресурсе работы ненадежно), а заряд, как правило, ограничивает по предельной температуре, что отрицательно сказывается на ресурсные характеристики аккумуляторной батареи.
Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности способа эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.
Поставленная задача достигается тем, что при проведении заряд-разрядных циклов, контроля уровня заряженности и температуры аккумуляторов, отключения заряда после достижения контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов и сообщения дополнительной емкости в диапазоне (0,08-0,1) номинальной емкости аккумуляторной батареи, с ограничением ее по предельно допустимой температуре аккумуляторов, при эксплуатации аккумуляторной батареи, с аккумуляторами, вмонтированными в термоплату, дополнительно контролируют температуру термоплаты, вычисляют градиент температуры между аккумуляторами и термоплатой ΔТ и о достижении контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов судят по величине этого градиента температур. При этом градиент температур дифференцируют во времени и о достижении контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов судят по достижении текущего значения этого дифференциала величины больше нуля, после предшествующего устойчивого нулевого состояния.
Действительно, при эксплуатации аккумуляторной батареи в составе ИСЗ более важным параметром является нижний уровень заряженности аккумуляторов (в сравнении с верхним уровнем), определяющий энергетические возможности автономной системы электропитания, который берется в расчет организацией, эксплуатирующей ИСЗ, для обеспечения гарантированной связи потребителей.
Однако определение момента его достижения по величине давления водорода в аккумуляторах ненадежно. Более надежный способ заключается в контроле начала появления интенсивного тепловыделения, что безотносительно к внутренним условиям (накопление балластного водорода) и внешним условиям (температура термоплаты) реализуется путем контроля градиента температуры между аккумуляторами и термоплатой ΔТ и о достижении контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов судят по величине этого градиента температур. Для упрощения процесса контроля градиент температур дифференцируют во времени и о достижении контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов судят по достижении текущего значения этого дифференциала величины больше нуля. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи нижний уровень заряженности остается стабильным независимо от накопления балластного водорода. Повышение точности определения степени заряженности аккумуляторной батареи до нижнего уровня позволяет оптимизировать процесс сообщения дополнительной емкости и уйти от предельных температур.
При этом следует иметь в виду, что оптимальная разница верхнего и нижнего уровней заряженности находится в диапазоне 5-10% (см. патент РФ 2084055, кл. H01M 10/44, 1995 г.).
Величина же емкости аккумуляторной батареи нижнего уровня заряженности заранее известна и достаточно надежна.
На фиг.1 приведены графики изменения температуры аккумуляторов (1), термоплаты (2), изменения градиента указанных температур (3) и его дифференциала (4) во времени, полученные при заряде никель-водородной аккумуляторной батареей 40НВ-70, разработки ОАО «Сатурн», г.Краснодар.
Как видно из графиков, после сообщения аккумуляторной батарее емкости, равной 0,8 от общей зарядной емкости аккумуляторов, начинает возрастать кривая градиента температур 3, более четко это видно по кривой 4 дифференциала кривой градиента температур, которую целесообразно использовать для контроля нижнего уровня заряженности аккумуляторной батареи (кривая 4 построена по шкале относительных единиц). При этом следует иметь в виду, что сразу после включения заряда дифференциал имеет значение больше нуля, что связано с начальной стабилизацией градиента температур. Поэтому учитывать следует значение дифференциала после его предшествующего устойчивого нулевого состояния.
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 7 (в частности, напряжения, давления и температуры 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.
Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 5-5, транзисторах 5-1 и 5-2 и выпрямителя на диодах 5-3 и 5-4.
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 3-1 и выходного фильтра на диоде 3-3, дросселе 3-2 и конденсаторе 3-4.
Схемы управления: 10 - зарядного преобразователя 5, 12 - разрядного преобразователя 6, 14 - 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 (на геостационарных ИСЗ - 98% ресурса) в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.
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, давление и температуру аккумуляторов и термоплаты и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2, в которой реализуют следующие технологические операции:
1. Обрабатываются данные по текущему значению давления, напряжения и температуры аккумуляторов и термоплаты, рассчитывается текущий градиент температур аккумуляторов и термоплаты и его дифференциал во времени;
2. В процессе заряда аккумуляторной батареи при достижении текущего значения дифференциала величины больше нуля запускается контроль сообщаемой зарядной емкости заранее заданной величины. После сообщения аккумуляторной батарее дополнительной емкости заранее заданной величины либо достижения предельно допустимой температуры аккумуляторов формируется команда на выключение зарядного преобразователя;
3. При эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных о величине, достигаемой на конец заряда температуры аккумуляторов, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, корректируют величину емкости, сообщаемой от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет поддерживать высокую степень заряженности аккумуляторной батареи и при этом повышает функциональную надежность длительной эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи и, следовательно, надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.