СПОСОБ ПОДГОТОВКИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ К ШТАТНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATOR PREPARATION FOR NORMAL OPERATION WITH MAN-MADE SATELLITES

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при подготовке никель-водородных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ), преимущественно ИСЗ негерметичного исполнения с радиационным охлаждением.
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), 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, H01M 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, H01M 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 подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли (см. патент RU №2401485), согласно которому проводят термостатирование в статическом режиме посредством продувки полости обтекателя космической головной части воздухом, контролируют температуру воздуха посредством датчиков температуры и регулируют при необходимости температуру воздуха, контролируют температуру аккумуляторной батареи, проводят стартовый заряд номинальным током и последующий дозаряд малым током, при этом прекращение заряда номинальным током проводят после повышения температуры аккумуляторной батареи на 2-5°C, 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. Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.
Недостатком известного способа является то, что прекращение заряда проводят, ориентируясь только на температуру аккумуляторной батареи, без учета температуры окружающей среды, в то время как теплосъем с аккумуляторных батарей обеспечивается наличием градиента этих температур, а начальное значение температуры аккумуляторной батареи может не совпадать с температурой окружающей среды.
Это снижает надежность известного способа, так как может привести к необоснованному повышенному нагреву аккумуляторной батареи в процессе проведения подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации, что снизит эффективность заряда, вследствие повышения последующего саморазряда аккумуляторной батареи. Кроме того, процесс дозаряда не ограничен по температуре, что также снижает надежность известного способа.
Задачей заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности и обеспечение эффективного заряда никель-водородных аккумуляторных батарей при ограниченном теплосъеме при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ на стартовом комплексе.
Поставленная цель достигается тем, что при обеспечении температуры окружающей среды под обтекателем космической головной части ракеты-носителя в заданном диапазоне, контроле температуры окружающей среды и температуры аккумуляторной батареи, проведении стартового заряда номинальным током, с ограничением по повышению температуры аккумуляторной батареи, и дозаряда малым током, в условиях ограниченного теплосъема, причем между зарядом номинальным током и дозарядом малым током предусматривают паузу, заряд номинальным током, а также дозаряд поводят в пределах заранее установленных периодов времени с определяющим ограничением по градиенту температуры аккумуляторной батареи относительно температуры окружающей среды индивидуального для каждого режима, кроме того, начало дозаряда планируют по его заранее установленному периоду времени исходя из минимального времени от его окончания до начала запрета на электрические работы с космической головной частью, обусловленного технологическим процессом запуска ракеты-носителя. Кроме того, величину температуры аккумуляторной батареи для ограничения заряда выбирают в пределах градиента между температурой окружающей среды и температурой аккумуляторной батареи 2-5°С, а для ограничения дозаряда - в пределах градиента между температурой окружающей среды и температурой аккумуляторной батареи 5-10°С.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены графики изменения температуры аккумуляторной батареи 34НВ-45Л (разработки и изготовления ОАО «Сатурн», г.Краснодар) в процессе имитации стартового заряда, а на фиг.2 изображена условная схема термостатирования космической головной части (ИСЗ) на стартовом комплексе при проведении стартового заряда.
Представленный график, фиг.1 отображает изменение температуры в процессе стартового заряда аккумуляторной батареи (подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли) в режиме:
- заряд номинальным током (10 А) - от точки «A» до точки «B» графика;
- дозаряд малым током (3 А) - от точки «B» до точки «C» графика;
- изменение температуры в процессе последующего хранения аккумуляторной батареи - от точки «C» вправо.
Анализ графика, фиг.1, показывает, что 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 и своевременно прекратить заряд. 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». При этом температура аккумуляторной батареи возросла на величину чуть более 2°С от предшествующего стартовому заряду значения (точка «A» графика), по сути, от температуры окружающей среды.
Выравнивание аккумуляторов по емкости в процессе проведения подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации осуществляется проведением дозаряда.
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, что позволит соответственно снизить конечную температуру аккумуляторной батареи по окончании дозаряда.
На фиг.1 также показано изменение температуры в процессе дозаряда после предварительного снижения температуры аккумуляторной батареи до величины начального уровня («A») - температуры окружающей среды, после некоторой, в данном случае условной «паузы» - точка «B1» графика, а в процессе дозаряда - от точки «B1» до точки «C1». В данном случае окончание дозаряда проведено после достижения температуры уровня на 5°С выше температуры окружающей среды (без паузы температура возросла примерно на 9°С от температуры окружающей среды). Это позволяет провести подготовку никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в составе искусственного спутника Земли с окончанием при достаточно низком уровне конечной температуры, что снижает токи саморазряда и способствует получению более высокой последующей разрядной емкости. Длительность паузы может быть выбрана исходя из конкретных данных по температурам аккумуляторной батареи и окружающей среды, либо исходя из статистических данных по результатам проведения таких работ ранее.
На фиг.2 приведена условная схема термостатирования космической головной части (ИСЗ) на стартовом комплексе при проведении стартового заряда.
Заряд аккумуляторной батареи и контроль ее температуры осуществляется от наземного зарядно-разрядного комплекса 1.
Термостатирование аккумуляторной батареи ИСЗ 5 проводится продувкой полости обтекателя воздухом в указанном направлении 2 с включением системы терморегулирования 3. Поддержание температуры внутри КГЧ осуществляется регулированием температуры подаваемого воздуха и управлением его расходом (в зависимости от метеоусловий). Контроль температуры осуществляется по датчикам 4. При этом термостатирование ИСЗ начинается сразу после установки ракеты носителя на стартовый стол и прекращается перед пуском ракеты носителя, в то время как подготовка аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации (заряд плюс дозаряд) завершают исходя из требований по ракете-носителю, за 12-18 часов до пуска.
В исходном состоянии (на начало стартового заряда) температура аккумуляторной батареи в основном близка к температуре окружающей ИСЗ среды (температуре надуваемого под обтекатель воздуха). При достижении температуры аккумуляторной батареи величины больше на 2-5°C температуры окружающей среды заряд номинальным током прекращают, а дозаряд включают после заранее установленной паузы и продолжают по времени, с ограничением по температуре аккумуляторной батареи величиной больше на 5-10°C температуры окружающей среды. Выбор конкретного значения температуры в рамках указанных диапазонов осуществляется разработчиком для каждого случая индивидуально, но не вносит существенного отличия в конечный результат.
Поддержание температуры аккумуляторной батареи ИСЗ негерметичного исполнения с радиационным охлаждением осуществляется в основном путем конвективной передачи тепла между корпусом батареи и окружающей средой, однако, выбранные режимы работы позволяют достичь оптимальных результатов и исключить перегрев аккумуляторной батареи в процессе подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить функциональную надежность и обеспечить эффективный заряд никель-водородных аккумуляторных батарей при ограниченном теплосъеме при подготовке аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в составе ИСЗ на стартовом комплексе.