СПОСОБ ПОДГОТОВКИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ К ШТАТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
PREPARATION OF NICKEL-HYDROGEN STORAGE BATTERY FOR STANDARD OPERATION ON ARTIFICIAL EARTH SATELLITE

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при подготовке никель-водородных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ).
Как известно, вывод ИСЗ на орбиту связан с длительным нахождением аппарата на участке выведения, до 7-10 часов, когда основной источник электроэнергии - солнечная батарея - находится в сложенном состоянии, а электропитание аппаратуры обеспечивается в основном от аккумуляторной батареи. Энергия аккумуляторной батареи требуется и тогда, когда происходит раскрытие панелей солнечной батареи, поиск Солнца и ориентация панелей, что занимает дополнительно еще 2-3 часа. Возможные задержки в ориентации также приводят к увеличению времени работы бортовой аппаратуры от аккумуляторной батареи.
Предъявляются очень высокие требования к начальной энергии аккумуляторной батареи, которые в свою очередь обеспечиваются как типом электрохимической системы аккумулятора (например никель-водородный), так и эффективностью предстартового заряда.
Особенностями никель-водородных аккумуляторных батарей являются повышенный саморазряд аккумуляторов и существенная зависимость напряжения от температуры. При этом повышенный саморазряд вызывает необходимость проведения подготовки аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации (стартовый заряд) непосредственно на стартовом комплексе, с окончанием заряда не ранее чем за 12-18 часов до пуска ракеты-носителя, а существенная зависимость напряжения аккумуляторной батареи от температуры аккумуляторов не позволяет достоверно судить о степени заряженности аккумуляторной батареи по ее напряжению.
В процессе подготовки ИСЗ к штатной эксплуатации, на техническом и стартовом комплексах проводятся различные проверки: контроль стыковки с системой отделения и средствами выведения, предварительный набор готовности и другие. При этом аккумуляторные батареи находятся в практически разряженном состоянии и периодически подвергаются подзарядам на величину емкости, обеспечивающую проведение указанных проверок, компенсацию саморазряда и токов утечки (при наличии последних).
Поэтому оценить текущее состояние аккумуляторных батарей по емкости на данном этапе можно только по аналоговым датчикам давления или прогнозам (исходя из параметров предшествующего подзаряда и времени хранения при возможном максимальном саморазряде).
Повышенный саморазряд аккумуляторов и режим хранения с периодическими подзарядами, когда текущая емкость аккумуляторов не превышает 0,2 от их номинальной емкости (Сн), неизбежно ведет к разбалансу аккумуляторов по емкости, что следует иметь в виду, формируя технологию стартового заряда никель-водородной аккумуляторной батареи. Нивелирование разбаланса в процессе проведения стартового заряда можно реализовать только перезарядом наиболее заряженных аккумуляторов, в процессе которого менее заряженные аккумуляторы достигнут такой же емкости. При этом важное значение имеет баланс между тепловыделением и возможностями теплосъема.
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 в современных ИСЗ цепи аналоговых датчиков давления для наземного применения зачастую не предусмотрены (для достижения максимальных удельных энергетических характеристик ИСЗ при штатной эксплуатации), что не позволяет применить известный способ, при отсутствии цепей контроля датчиков давления.
Известен «Способ заряда аккумуляторной батареи в режиме постоянного тока определенной величины по времени» (авт. свид. №1725297, Н01М 10/44), согласно которому предварительно проводят зарядно-разрядный цикл с сообщением емкости не менее 0,2 Сн, где Сн - номинальная емкость аккумуляторной батареи.
Недостатком известного способа является то, что цепи наземного заряда аккумуляторных батарей в составе ИСЗ, в стартовой конфигурации, могут быть защищены развязывающими диодами, блокирующими протекание разрядного тока. В этом случае применение известного способа невозможно.
Наиболее близким по технической сущности является способ заряда (см. патент №2289178), согласно которому заряд никель-водородной аккумуляторной батареи проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости никель-водородной аккумуляторной батареи, 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. При этом контроль текущей емкости аккумуляторной батареи проводят по давлению в аккумуляторах, либо расчетом текущего энергобаланса.
Недостатком известного способа является то, что при не определенной степени заряженности аккумуляторной батареи на момент начала стартового заряда и отсутствии наземного контроля аналоговых датчиков давления аккумуляторов, невозможно провести заряд до величины (0,6-0,8) номинальной емкости. Кроме того, заряд импульсным током в условиях подготовки аккумуляторной батареи на стартовом комплексе - процесс неприемлемо длительный (на практике, на ИСЗ разработки и изготовления ОАО «ИСС» импульсный заряд аккумуляторных батарей проводится в течение времени от 1 до 2 суток). Поэтому необходимо использование форсированного дозаряда, но при условии исключения перегрева аккумуляторной батареи.
Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональных возможностей обеспечения эффективного заряда никель-водородных аккумуляторных батарей, при ограниченном наборе контрольных параметров, при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ на стартовом комплексе.
Поставленная цель достигается тем, что при проведении термостатирования в статическом режиме и контроля температуры аккумуляторной батареи, стартового заряда номинальным током и последующего дозаряда малым током, прекращение заряда номинальным током проводят после повышения температуры аккумуляторной батареи более чем на 2-5°С, от предшествующего стартовому заряду значения, с ограничением по допустимой для аккумуляторной батареи температуре, причем, между зарядом номинальным током и дозарядом малым током предусматривают паузу для отвода тепловой энергии от аккумуляторной батареи, накопленной на предшествующем заряде номинальным током, кроме того, длительность паузы ограничивают снижением температуры аккумуляторной батареи до уровня плюс 2-5°С от предшествующего стартовому заряду значения, либо длительность паузы устанавливают (1-2) часа.
Суть предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены графики изменения температуры аккумуляторной батареи 40НВ-70 в процессе проведения стартового заряда, а на фиг.2 изображена функциональная схема термостатирования космической головной части на стартовом комплексе при проведении стартового заряда.
Представленный график, фиг.1, отображает процесс стартового заряда аккумуляторной батареи в режиме:
- Заряд номинальным током (12 А) - от точки «а» до точки «b» графика;
- Дозаряд малым током (5 А) - от точки «b» до точки «с» графика;
- Снижение температуры (после некоторого повышения в начале) аккумуляторной батареи, в результате продолжающегося термостатирования - от точки «с» вправо.
Анализ графика, фиг.1, показывает, что начальный участок заряда номинальным током носит эндотермический характер (наблюдается снижение температуры аккумуляторной батареи), затем появляется тепловыделение и, при достижении уровня заряженности порядка (0,7-0,8) от номинальной емкости аккумуляторной батареи, тепловыделение резко интенсифицируется, что позволяет судить о степени заряженности аккумуляторной батареи только по ее температуре. Следует отметить, что это возможно в условиях стартового заряда, когда исходный тепловой режим аккумуляторной батареи строго определенный, а режим термостатирования стабильный. При этом величина исходной емкости аккумуляторной батареи, до начала ее стартового заряда, не влияет на конечный итог. В представленном примере, фиг.1, заряд номинальным током прекращен в точке «b», по датчику давления аккумуляторной батареи. При этом на момент замыкания датчика давления температура аккумуляторной батареи возросла на величину чуть более 2°С, от предшествующего стартовому заряду значения (точка «а» графика).
В случае если аккумуляторная батарея находилась длительное время (более 3 месяцев) в циклическом режиме «подзаряд-хранение-подзаряд и так далее», что неизбежно ведет к разбалансу аккумуляторов по емкости, целесообразно при проведении стартового заряда, заряд номинальным током провести до максимальной допустимой для аккумуляторной батареи температуры (на графике, фиг.1, - участок от точки «b» до точки «d» (здесь 25°С). Это, как видно из графика, сообщенную емкость существенно не изменит (а значит, и не изменит режим дозаряда малым током), однако в определенной мере устранит накопившийся разбаланс аккумуляторов по емкости.
Следует отметить, что при заряде номинальным током до высокой степени заряженности (0,8 от номинальной емкости и более) рост температуры аккумуляторной батареи не прекращается с отключением зарядного тока. Температура может возрасти еще на несколько градусов, особенно если прекратить одновременно с зарядом и термостатирование аккумуляторной батареи. Поэтому целесообразно перед началом дозаряда предусмотреть паузу для снижения начального температурного уровня процесса дозаряда малым током, что позволит соответственно снизить конечную температуру аккумуляторной батареи при проведении стартового заряда. На фиг.1 изменение температуры аккумуляторной батареи в паузе - от точки «b» до точки «b1» графика, а в процессе дозаряда - от точки «b1» до точки «с1». Вправо от точки «с1» - процесс охлаждения аккумуляторной батареи.
Анализ процесса охлаждения позволяет сделать заключение, что он практически завершен при снижении температуры аккумуляторной батареи до уровня плюс 2-5°С от предшествующего стартовому заряду значения или паузы (1-2) часа.
На фиг.2 приведена структурная схема обеспечения стартового заряда аккумуляторной батареи и термостатирования космической головной части ИСЗ на стартовом комплексе при проведении стартового заряда.
Заряд аккумуляторной батареи и контроль ее температуры осуществляется от наземного заряд-разрядного комплекса 1.
В исходном состоянии (на начало стартового заряда) температура аккумуляторной батареи равна температуре в жидкостном тракте ИСЗ. При достижении температуры аккумуляторной батареи величины больше чем на 2-5°С предшествующего стартовому заряду значения, с ограничением по допустимой для аккумуляторной батареи температуре, заряд номинальным током прекращают, а дозаряд включают после снижения температуры аккумуляторной батареи до уровня плюс 2-5°С от предшествующего стартовому заряду значения или паузы (1-2) часа.
Термостатирование аккумуляторной батареи ИСЗ проводится продувкой полости обтекателя воздухом в указанном направлении 2 с включением системы терморегулирования 3. Поддержание температуры в жидкостном тракте ИСЗ осуществляется регулированием температуры подаваемого воздуха и управлением его расходом (в зависимости от метеоусловий). Контроль температуры осуществляется по датчикам 4.
Поддержание температуры батареи ИСЗ осуществляется путем контактной передачи тепла между корпусом батареи и жидкостным коллектором.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить функциональные возможности обеспечения эффективного заряда никель-водородных аккумуляторных батарей, при ограниченном наборе контрольных параметров, при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ на стартовом комплексе.