СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF OPERATION OF NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATOR BATTERIES OF SPACECRAFT POWER SUPPLY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), функционирующих на низкой околоземной орбите.
В процессе всего срока активного существования современных КА на низкой околоземной орбите производится 10000 и более зарядно-разрядных циклов АБ и подобный режим работы СЭП на сегодняшний день лучше всего обеспечивают никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ).
Особенностью НВАБ является то, что все последовательно соединенные аккумуляторы заряжаются и разряжаются одним и тем же количеством электрического заряда (А⋅ч). В идеальном случае, если начальное состояние аккумуляторов одинаково, не должно быть никаких изменений в их относительных степенях заряженности. Однако вследствие разницы в скорости саморазряда, последовательно соединенные аккумуляторы приобретают различное состояние заряженности. Любое отклонение, вызванное дисперсией начальных характеристик саморазряда, градиентом температур внутри НВАБ и процессом старения, может увеличить разброс в степенях заряженности аккумуляторов, что приводит к деградации характеристик НВАБ, и более того, при отсутствии систем балансировки состояния заряда, может привести к снижению надежности работы НВАБ. Существует еще так называемый «эффект памяти», связанный с уменьшением емкости НВАБ при длительном циклировании на небольшую глубину - (10-20)%. Причиной уменьшения емкости НВАБ является кристаллизация некоторой части материала электродов аккумуляторов в силу отчуждения ее на длительное время от токообразующей химической реакции. Именно такая глубина циклирования выбирается при эксплуатации АБ на низких околоземных орбитах. Поэтому для выравнивания аккумуляторов по емкости, устранения так называемого «эффекта памяти» и оценки состояния АБ необходимо периодически проводить восстановительные (формовочные) циклы, которые представляют собой глубокий разряд и последующий заряд АБ до полного восполнения. Своевременное и качественное проведение формовочных циклов (ФЦ) позволяет повысить ресурс НВАБ и надежность ее функционирования.
На ресурс НВАБ, а, следовательно, и на надежность функционирования, существенное влияние оказывает ее температурный режим. Так режим работы в условиях повышенной температуры приводит к повышенной деградации основных характеристик аккумуляторов, а в условиях низких температур - к увеличения внутреннего сопротивления НВАБ.
Температурный режим НВАБ зависит как от температуры теплоносителя, охлаждающего аккумуляторы, так и собственного тепловыделения. Наибольшее тепловыделение возникает при перезаряде НВАБ, когда заряд аккумуляторов осуществляется в области низких КПД с выделением кислорода (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока, М., Энергоиздат, 1981). Поэтому выбор оптимального, с точки зрения минимума собственного тепловыделения, режима функционирования НВАБ в составе системы электропитания КА является актуальной задачей. При заряде АБ после ее глубокого разряда тепловыделение АБ тем выше, чем выше уровень заряженности формуемой АБ, при этом выравнивание параметров аккумуляторов аналогично тем эффективнее, чем выше температура АБ. В случае же использования "гибкой" логики для отключения АБ от заряда повышение температуры формуемых аккумуляторов автоматически ограничивается за счет снижения уровня их заряженности. Следовательно, выравнивание параметров аккумуляторов может осуществляться не достаточно эффективно.
При глубоком разряде формуемой АБ также происходит выравнивание параметров аккумуляторов, но его эффективность при этом вследствие отсутствия тепловыделения аккумуляторов зависит только от длительности их нахождения в режиме глубокого разряда. Обычно это время не превышает нескольких десятков минут и эффективность выравнивания аккумуляторов также весьма низкая.
Известен способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата по патенту RU №2399122 (аналог), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой аккумуляторной батареи, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например, текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически проводят формовочные циклы АБ путем глубокого их разряда, оценивают состояние АБ, периодически, например, один раз в 6-9 месяцев, вводят запрет заряда для одной из АБ, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают в вольтах, равным числу n, либо (n+1) аккумуляторов в аккумуляторной батарее, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, включая тем самым ее в штатную работу, значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения ФЦ, используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, при этом промежуток времени от завершения ФЦ одной АБ до начала ФЦ другой АБ выбирают, исходя из температурного режима отформованной АБ.
Недостатком аналога является относительно низкая надежность системы электропитания, связанная со снижением ресурса АБ при ее длительной эксплуатации в условиях повышенной температуры. Действительно проведение периодически ФЦ существенно повышает ресурс АБ, и, как правило, надежность ее функционирования в составе СЭП КА. Однако при неправильной штатной эксплуатации, когда АБ отключается от заряда при достижении заданного уровня заряженности, соответствующего в области низких КПД, возможен ее перегрев, приводящий к существенному ограничению ресурса и, как следствие, к снижению надежности функционирования.
Известен способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) системы электропитания космического аппарата по патенту RU №2543487 (прототип), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой аккумуляторной батареи, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например, текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически один раз в 6-9 месяцев вводят запрет заряда для одной из АБ для выполнения формовочного цикла, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, а определяемое в процессе завершения формовочного цикла значение максимального напряжения АБ при заряде используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ; степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают или аппаратно по «жесткой» логике или программно по «гибкой» логике, причем управление зарядом АБ по «гибкой» логике выбирают в качестве основного варианта, а по «жесткой» логике - в качестве резервного варианта, при этом отключение АБ от заряда по «жесткой» логике выполняют по признаку превышения давления газовой среды в АБ i-го порогового значения, выбранного в качестве рабочего из множества дискретных, заранее заданных пороговых значений давления, причем перевод на другое рабочее пороговое значение давления из данного множества осуществляют по разовой команде, исходя из величины температуры АБ, а отключением АБ от заряда по «гибкой» логике управляют дискретно при переходе из одного диапазона температур в другой и плавно внутри каждого диапазона.
Недостатком прототипа является относительно низкая надежность системы электропитания, связанная со снижением ресурса АБ при ее длительной эксплуатации.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности функционирования НВАБ и СЭП в целом путем увеличения ее ресурса, т.е. продолжительности штатной эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата, заключающаяся в том, что две или более АБ циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой СЭП; степень заряда АБ ограничивают или аппаратно по «жесткой» логике или программно по «гибкой» логике, причем управление зарядом АБ по «гибкой» логике выбирают в качестве основного варианта, а по «жесткой» логике - в качестве резервного варианта; отключение АБ от заряда по «жесткой» логике выполняют по признаку превышения давления газовой среды в АБ i-го порогового значения, выбранного в качестве рабочего из множества дискретных, заранее заданных не менее трех пороговых значений давления; отключением АБ от заряда по «гибкой» логике управляют дискретно при переходе из одного диапазона температур в другой и плавно внутри каждого диапазона; контролируют параметры каждой АБ, а именно текущую электрическую емкость, напряжение, температуру; периодически один раз в 6-9 месяцев вводят запрет заряда для одной из АБ для выполнения формовочного цикла, включающегося в себя режимы глубокого разряда и последующего циклического восполнения; в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру (БА) КА; критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения формуемой АБ; аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ; при выполнении режима глубокого разряда, формуемую АБ однократно выдерживают не менее 24 часов в режиме саморазряда, для чего снимают ограничение глубины разряда на БА; режим восполнения формуемой АБ выполняют по сигналам «жесткой» логики; при этом то или иное пороговое значение давления газовой среды выбирают исходя из пороговой температуры АБ, после окончания режима восполнения формуемой АБ повторно проводят режимы глубокого разряда и последующего циклического восполнения; после завершения второго режима восполнения восстанавливают режимы ограничения глубины разряда и управления зарядом формуемой АБ; при этом включение режима ограничения глубины разряда по величине напряжения АБ осуществляют по разовым командам, выдаваемым из наземного комплекса управления.
На фиг. 1 показаны идеализированные графики изменения емкости АБ от времени в процессе ее штатной эксплуатации и при проведении формовочного цикла.
На фиг. 2 показана упрощенная блок-схема работы СЭП.
наз
зар
Система электропитания состоит из аккумуляторных батарей АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1, батареи фотоэлектрической (БФ) 2, комплекса автоматики и регулирования напряжения (КАС), включающего в себя разрядные устройства РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3, зарядные устройства ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4, стабилизатора напряжения и автоматики (СНА) 5. Бортовая аппаратура (БА) 6 может быть запитана от РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 или СНА 5, а также в процессе испытаний от наземного источника питания Е через дистанционный переключатель 7. Аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 перед стартом КА заряжаются вспомогательным зарядным устройством Е.
В отдельных режимах функционирования системы электропитания РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 и СНА 5 могут питать электрической энергией совместно нагрузку, каковой является БА 6. При аномальной работе РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 или ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4 для изменения конфигурации СЭП может быть использована аварийная шина с коммутационной аппаратурой 8, например, при выходе из строя ЗРУ1 аккумуляторная батарея АБ1 подключается параллельно АБ2 к ЗРУ2 и т.д.
Из бортового комплекса управления (БКУ) 9 можно при необходимости выдавать разовые команды (РК) для изменения режимов работы СЭП, в том числе такие РК, как «Запрет заряда АБi», «Восстановление КАС», «Отключение АБi», «Выключение ЗРУi от аварийной шины». При штатной работе СЭП аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 заряжаются на световом участке орбиты КА, а на теневом участке АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 питают БА 6 стабилизированным РУ (РУ1, РУ», РУ3) 3 напряжением. Батарея фотоэлектрическая 2 на световом участке обеспечивает стабилизированным СНА 5 напряжением БА 6 и одновременно заряжает АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1.
Из фиг. 2 видно, что «минусовые» шины АБ не коммутируются и гальванически связаны между собой, поэтому коммутационная аппаратура 8 аварийной шины обеспечивает изменение конфигурации СЭП только по «плюсовой» шине.
Так как существенная разбежка параметров аккумуляторов АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 происходит через 6-9 месяцев, то периодичность проведения формовочных циклов выбирается один раз в 6-9 месяцев. При этом конкретный срок их проведения в пределах 6-9 месяцев может быть установлен, исходя из других требований, например, в период минимальной длительности теневых участков орбиты КА и т.д. Формовочные циклы проводят по очереди на одной из АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 в произвольном порядке, используя зарядно-разрядное устройство (ЗРУ) 10, состоящее из РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 и ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4, и аварийную шину с коммутационной аппаратурой 8 при необходимости. За сутки до проведения формовочного цикла при штатной работе системы электропитания осуществляют съем информации (на фиг. 2 система телеметрического контроля КА не показана) о работе формуемой АБ (максимальное напряжение на заряде, минимальное напряжение при разряде, максимальную текущую емкость, максимальную температуру).
Запрет заряда формуемой АБ вводят путем выдачи из наземного комплекса управления (НКУ) через БКУ 8 РК «Запрет заряда АБ». В этом случае происходит разряд формуемой АБ на нагрузку (на бортовую аппаратуру 6) на теневых участках орбиты. Таким образом, запасенную в АБ энергию используют по прямому назначению. После выполнения необходимого глубокого разряда запрет заряда АБ снимают путем выдачи РК «Восстановление КАС» и формуемую АБ заряжают на фоне штатного функционирования СЭП на солнечных участках орбиты. Формовочный цикл считают завершенным, если формуемая АБ будет восполнена до заданного значения текущей емкости.
В способе эксплуатации НВАБ управление отключением АБ от заряда осуществляют, используя или «гибкую» логику (основной вариант) или «жесткую» логику (резервный вариант), не применяя сигнальных датчиков давления. Отключение АБ от заряда как по «гибкой» логике, так и по «жесткой» логике выполняют по расчетному или заданному пороговому значению давления газовой среды в НВАБ (далее по тексту порогового значения давления) соответственно, в качестве которой является водород, являющийся активным веществом аккумуляторов. В зависимости от степени заряженности давление газовой среды в НВАБ практически пропорционально изменяется, причем при заряде давление увеличивается, а при разряде уменьшается. (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока, М., Энергоиздат, 1981).
«Гибкая» логика управления отключением АБ от заряда, основана на автоматическом выборе порогового значения заряженности аккумуляторов в зависимости от их температуры (Способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата по патенту RU №2543487).
«Жесткая» логика управления отключением АБ от заряда предусматривает наличие нескольких заранее заданных пороговых значений давления. При достижении порогового значения давления, выбранного в качестве рабочего, вводится запрет заряда АБ. При необходимости перехода на другое рабочее пороговое значение давления из НКУ выдают соответствующую РК (на фиг. 2 НКУ не показан). Выбор того или иного порогового значения давления, как правило, зависит от температурного режима АБ, при этом чем выше температура, тем ниже пороговое значение давления.
Повышение ресурса, следовательно, и надежности АБ при штатном функционировании КА достигается путем использования для управления зарядом аккумуляторов «гибкой» логики в качестве основного варианта и «жесткой» логики - в качестве резервного варианта. Однако в процессе проведения ФЦ подобный способ эксплуатации НВАБ может привести к снижению надежности их дальнейшего функционирования. Для устранения этого недостатка возникает необходимость изменения способа эксплуатации НВАБ в части изменения содержания и последовательности проведения технологических операций именно в процессе выполнения ФЦ.
Для решения этой задачи управление зарядом формуемой АБ осуществляют, используя "жесткую" логику. Действительно, как было отмечено выше, при проведении ФЦ АБ для эффективного выравнивания параметров заряженных аккумуляторов по напряжению и емкости желательно перезаряжать формуемую АБ, но при использований сигналов "гибкой" логики для отключения ее от заряда это условие практически невыполнимо. Известно (Кирилин А.Н., Ахметов Р.Н., Сторож А.Д., Аншаков Г.П. Космическое аппаратостроение. Государственный научно-производственный ракетно-космический центр «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара, 2011), что уменьшение разбаланса аккумуляторов происходит эффективно именно при максимальной заряженности формуемой АБ (перезаряде), когда КПД формуемой АБ при заряде резко снижается, а температура аккумуляторов на ограниченное время достигает максимальной величины и держится на этом уровне некоторое время. Механизм выравнивания параметров аккумуляторов при этом заключается в том, что из-за снижения КПД интенсивность заряда аккумуляторов при перезаряде резко уменьшается, причем "перезаряженные" аккумуляторы практически перестают дальше заряжаться, а "недозаряженные" аккумуляторы продолжают заряжаться. Следовательно, каждый аккумулятор восполняется в зависимости от степени заряженности разной интенсивностью, что в конечном итоге приводит к выравниванию параметров аккумуляторов по напряжению и емкости. Именно для реализации на практике описанного выше механизма выравнивания параметров формуемой НВАБ повторяют режим разряда/восполнения после выдержки формуемой АБ в течение 24 часов в режиме саморазряда, а управление зарядом формуемой АБ осуществляют, используя "жесткую" логику.
При глубоком разряде формуемой АБ разбаланс разряженных аккумуляторов по емкости снижается. Перевод формуемой АБ после завершения первого режима глубокого разряда в режим саморазряда, как минимум, на 24 часа, также снижает разбаланс аккумуляторов по емкости. Выдержка аккумуляторов в режиме саморазряда в течение 24 часов достаточно для того, чтобы аккумуляторы с незначительным запасом электрической емкости, разрядились полностью на нагрузку. Режим саморазряда формуемой АБ наступает тогда, когда ток разряда на световых и теневых участках орбиты КА равен нулю. Для осуществления режима саморазряда снимают ограничение глубины разряда формуемой АБ на БА, используя выдаваемую из НКУ разовую команду.
Отключение от заряда после восполнения формуемой АБ выполняют, как было отмечено выше, по сигналам «жесткой» логики; при этом то или иное пороговое значение давления газовой среды (уставку) выбирают исходя из пороговой температуры АБ (средства обеспечения теплового режима (СОТР) на рис. 2 не показаны). При использовании сигналов "жесткой" логики для отключения формуемой АБ от заряда уровень заряженности формуемой АБ, как правило, превышает уровень заряженности, достигаемой при отключении АБ от заряда по сигналам "гибкой" логики, при этом температура аккумуляторов, следовательно, степень их заряженности, принудительно не ограничивается, благодаря чему эффективность ФЦ заметно повышается. Кроме того, выбор номера уставки исходя из величины температуры теплоносителя СОТР исключает возникновение аварийного перегрева формуемой АБ, при котором возможен выход из строя отдельного аккумулятора.
После завершения второго режима восполнения восстанавливают режимы ограничения глубины разряда и управления зарядом формуемой АБ по сигналам "гибкой" логики. Включение режима ограничения глубины разряда по величине напряжения АБ осуществляют по РК, выдаваемой из НКУ.
Таким образом, применение предлагаемого способа эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата позволит повысить ресурс и, как следствие, надежность эксплуатации НВАБ и СЭП в целом.