СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАМЕТРАМИ АККУМУЛЯТОРОВ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF CONTROLLING PARAMETERS OF NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATOR BATTERIES IN POWER SUPPLY SYSTEM OF SPACECRAFT

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 активного срока существования современных КА на низкой околоземной орбите производится 10000 и более зарядно-разрядных циклов АБ и подобный режим работы СЭП 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 цитировании 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 (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока, М., Энергоиздат, 1981, раздел 8). Поэтому для выравнивания аккумуляторов по емкости, устранения так называемого «эффекта памяти» и оценки состояния АБ необходимо периодически проводить восстановительные (формовочные) циклы, которые представляют собой практически полный разряд и заряд АБ.
Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи по патенту RU №2289178 (аналог), заключающийся в том, что проводят заряд-разрядные циклы, осуществляют контроль напряжения каждого аккумулятора и батареи в целом, определяют текущую разрядную и зарядную емкости, а также ток заряда; заряд АБ проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости. Перед началом теневых участков геостационарной орбиты выполняют восстановительный разряд-зарядный цикл АБ, при этом АБ разряжают на разрядное сопротивление в течение 40-50 часов, причем заряд прекращают после снижения напряжения АБ до заданной величины, затем АБ заряжают и после восполнения подключают ее в штатную схему СЭП.
Недостатком этого способа является низкая надежность эксплуатации СЭП в частности и недостаточная живучесть КА в целом. Это связано с тем, что процесс проведения восстановительного разрядно-зарядного (формовочного) цикла занимает длительное время (от трех до пяти суток), и на это время аккумуляторная батарея выводится из штатной эксплуатации. Для геостационарных орбит это приемлемо, так как теневые орбиты занимают 90 суток в году, все остальное время КА находится на освещенном участке орбиты, электропитание осуществляется от солнечных батарей и вывод из эксплуатации одной АБ на ограниченное время практически не сказывается на живучести и надежности эксплуатации КА. Для низкоорбитальных космических аппаратов вывод из эксплуатации одной из батарей на несколько суток может существенно снизить живучесть и надежность эксплуатации КА, поскольку теневые участки орбиты возникают практически на каждом витке.
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 (АБ) циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания; степень заряда АБ ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой АБ; контролируют параметры каждой АБ, 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 АБ, 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 формовочного цикла, используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации; аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ; при этом промежуток времени от завершения формовочного цикла одной АБ до начала формовочного цикла другой АБ выбирают исходя из температурного режима отформованной АБ.
Недостатком аналога является относительно низкая надежность системы электропитания в частности и живучесть КА в целом при возникновении ситуаций, связанных с аномальной работой одного зарядно-разрядного устройства или одной (нескольких) АБ.
К аномальной работе ЗРУ относится режим его функционирования (не функционирования) при отказе его зарядного устройства (ЗУ) или разрядного устройства (РУ). При этом в случае отказа ЗУ в режиме разряда ЗРУ система электропитания функционирует штатно, аналогично, в случае отказа РУ в режиме заряда ЗРУ система электропитания функционирует штатно.
К аномальной работе АБ относится режим ее функционирования, когда уровень срабатывания сигнального датчика давления существенно уменьшается, например, на 10 и более процентов от уровня срабатывания, определенного после проведения предыдущего ФЦ данной АБ. Это свидетельствует о том, что имеет место значительный разбаланс аккумуляторов АБ по емкости и напряжению. При использовании указанного способа эксплуатации НВАБ не всегда достигается желаемый эффект. Следовательно, в случае эксплуатации в составе СЭП подобных аккумуляторных батарей надежность и долговечность их работы не гарантируется.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи системы электропитания космического аппарата (варианты) по патенту RU №2483400 (прототип), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи (АБ) циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания; степень заряда АБ ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой АБ; контролируют параметры каждой АБ, 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 равной n либо (n+1)B, где n - число аккумуляторов в АБ; значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла, используют для оценки состояния АБ и прогнозирования ее деградации; аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, а при аномальной работе зарядно-разрядного устройства (ЗРУ), связанной с отказом только зарядного устройства, для проведения формовочного цикла АБ используют аварийную шину коммутационной аппаратуры, управляемой по разовым командам из наземного комплекса управления; заряд формуемой АБ проводят путем подключения ее к любому зарядному устройству работоспособного ЗРУ, образующего с «собственной» АБ подсистему, при этом отключают от данной подсистемы «собственную» АБ с переводом ее в режим «саморазряда» на время восполнения формуемой АБ до срабатывания сигнального датчика давления, а после восполнения формуемую АБ подсоединяют коммутационной аппаратурой аварийной шины к одному из работоспособных ЗРУ параллельно АБ этой подсистемы для дальнейшего функционирования системы электропитания.
Недостатком прототипа является относительно низкая надежность системы электропитания при возникновении ситуаций, связанных с аномальной работой одной или нескольких АБ, поскольку ресурс НВАБ зависит от своевременного определения разбаланса параметров аккумуляторов и проведения соответствующего непланового формовочного цикла.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение ресурса эксплуатации НВАБ, а также живучести СЭП без ухудшения ее технических характеристик как при штатной работе СЭП, так и аномальной работе одного ЗРУ или АБ.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления параметрами аккумуляторов никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА), в котором аккумуляторные батареи в количестве m штук циклируют в режиме заряда-разряда задаваемой бортовой автоматикой системы электропитания, включающий ограничение степени заряда АБ по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой АБ, контролирование с помощью телеметрических датчиков параметров каждой АБ, включающих текущую электрическую емкость и напряжение, и периодическое проведение формовочных циклов АБ путем глубокого их разряда, причем периодически один раз в 6-9 месяцев вводят запрет заряда для одной из АБ и в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, а значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла (ФЦ), используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, и аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, при этом снабжают СЭП аварийной шиной с управляемой по разовым командам коммутационной аппаратурой для изменения, при необходимости, ее конфигурации путем подсоединения АБ в случае аномального функционирования зарядно-разрядного устройства ЗРУ после проведения ФЦ к исправному ЗРУ параллельно АБ для дальнейшего штатного функционирования СЭП, причем постоянно контролируют степень разбаланса параметров аккумуляторов АБ путем дополнительного использования данных измерения не менее трех аналоговых датчиков давления, расположенных в различных аккумуляторах каждой АБ, причем по полученным данным, зафиксированным аналоговыми датчиками, рассчитывают эквивалентную текущую электрическую емкость, и обрабатывая зависимость эквивалентной электрической емкости от времени на заданном промежутке времени устанавливают максимум уровня заряженности АБ, используя вычислительный алгоритм СЭП, сравнивают между собой значения эквивалентной емкости АБ и емкости, измеренной телеметрическим датчиком до начала ФЦ АБ; при этом для выполнения сравнительного анализа выбирают на заданном световом участке орбиты КА значение текущей электрической емкости, зафиксированное телеметрическим датчиком в момент срабатывания сигнального датчика давления, и максимальное значение эквивалентной электрической емкости АБ по величине относительного разброса значений электрической емкости АБ определяют степень разбаланса аккумуляторов по емкости; эту последовательность операций повторяют после завершения ФЦ АБ, а необходимость выравнивания параметров аккумуляторов АБ определяют путем сравнения величин относительного разброса текущей электрической емкости до и после проведения ФЦ АБ.
На фиг. 1 показаны идеализированные циклограммы изменения текущей емкости для формуемой АБ и АБ, функционирующей штатно. Формуемая АБ циклично разряжается, достигая в конечном итоге состояния глубокого разряда; затем она заряжается в зависимости от освещенности солнечной батареи и потребляемой бортовой аппаратурой мощности. Функционирующая штатно АБ имеет периодически изменяющуюся циклограмму.
На фиг. 2 показана упрощенная блок-схема работы СЭП.
Аккумуляторные батареи в количестве m штук циклируют в режиме заряда-разряда в соответствии с логикой функционирования СЭП в составе m подсистем, образованных путем последовательного включения между собой одной аккумуляторной батареи и одного зарядно-разрядного устройства (ЗРУ).
наз
зар
Система электропитания состоит из аккумуляторных батарей АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1, оснащенных сигнальными датчиками давления для отключения АБ от заряда и, как минимум, четырьмя аналоговыми датчиками давления (один из которых является телеметрическим датчиком) для измерения текущей емкости (сигнальные и аналоговые датчики давления на фиг. 2 не показаны), батареи фотоэлектрической (БФ) 2, комплекса автоматики и стабилизации напряжения (КАС), включающего в себя разрядные устройства РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3, зарядные устройства ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, …, ЗУm) 4, стабилизатора напряжения и автоматики (СНА) 5. Бортовая аппаратура (БА) 6 может быть запитана от РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 или СНА 5, а также в процессе испытаний от наземного источника питания Е через дистанционный переключатель 7. Аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 перед стартом КА заряжаются вспомогательным зарядным устройством Е.
В отдельных режимах работы СЭП РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 и СНА 5 могут питать электрической энергией совместно нагрузку, каковой является БА 6. При аномальной работе ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, …, ЗУm) 4 для изменения конфигурации СЭП может быть использована аварийная шина 8 управляемая коммутационной аппаратурой. 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» 8. При штатной работе СЭП аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 заряжаются на световом участке орбиты КА, а на теневом участке АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 питают БА 6 стабилизированным РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 напряжением. Батарея фотоэлектрическая 2 на световом участке обеспечивает стабилизированным СНА 5 напряжением БА 6 и одновременно заряжает АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1. Из фиг. 2 видно, что «минусовые» шины АБ не коммутируются и гальванически связаны между собой, при этом аварийные шины 8 обеспечивают изменение конфигурации СЭП только по «плюсовой» шине.
При этом через ЗРУi и АБi обозначены соответственно одни из m зарядно-разрядных устройств и аккумуляторной батареи, находящихся в режиме формовочного цикла.
Так как существенная разбежка параметров аккумуляторов АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 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 минимальных длительностей теневых участков орбиты КА и т.д.
Формовочные циклы проводят по очереди на одной из АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 в произвольном порядке, используя зарядно-разрядное устройство (ЗРУ) 10, состоящее из РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 и ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, …, ЗУm) 4, и аварийную шину 8 при необходимости. За сутки до проведения формовочного цикла при штатной работе системы электропитания осуществляют съем телеметрической 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 при срабатывании датчика давления).
Запрет заряда формуемой АБ вводят путем выдачи из наземного комплекса управления (НКУ) через БКУ 9 РК «Запрет заряда АБ» с указанием номера аккумуляторной батареи. 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. Разряд формуемой АБ происходит циклично (фиг. 1), так как действие РК «Запрет заряда АБ» не снимается до достижения заданного минимального напряжения на АБ. В этом случае происходит полное выравнивание характеристик аккумуляторов формуемой АБ. Признак глубокого разряда формуемой АБ определяют по величине ее напряжения при разряде. 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 заряжена полностью до срабатывания сигнального датчика давления (на фиг. 2 сигнальный датчик давления не показан).
Эффективность формовочного цикла оценивают путем сравнения характеристик АБ, полученных до и после проведения формовочных циклов. Достаточно, приближенно, и качественно ФЦ АБ считают эффективным, если после их проведения значения максимального напряжения при заряде, и максимальной емкости, при которой происходит срабатывание сигнального датчика давления, увеличились при прочих равных условиях. Изменение указанных параметров в сторону их увеличения свидетельствует о выравнивании напряжений аккумуляторов и, как следствие, увеличение величины текущей емкости, при которой срабатывает сигнальный датчик давления. Снижение уровня срабатывания сигнального датчика давления по сравнению с аналогичным параметром предыдущего формовочного цикла указывает о деградации электродвижущей силы (ЭДС) отдельных аккумуляторов и АБ в целом.
Повышение надежности эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей достигается, прежде всего, за счет проведения формовочного цикла через каждые 6-9 месяцев. Живучесть системы электропитания и КА в целом увеличивается за счет использования бортовой аппаратуры в качестве нагрузки для формуемой АБ, поскольку только в этом случае формуемая АБ не выводится из состава системы электропитания и поддерживает заданный уровень надежности СЭП.
Сроки активного существования современных КА составляют пять и более лет, и имеется определенная вероятность отказа зарядного устройства ЗРУ. При этом все работоспособные АБ целесообразно использовать в составе СЭП. Для этой цели может быть использована аварийная шина 8 управляемая по разовым командам коммутационной аппаратурой. Наличие аварийной шины 8 коммутационной аппаратурой позволяет проводить формовочный цикл АБ из состава подсистемы, содержащей аномально работающее ЗРУ, тем самым повышать надежность СЭП и живучесть КА в целом.
Пример реализации способа управления параметрами аккумуляторов никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата при ее аномальной работе, выражающейся в отказе ЗУ или РУ одного ЗРУ.
Допустим произошел отказ РУ ЗРУ подсистемы 1 (ЗРУ1 + АБ1). После идентификации отказа РУ1 ЗРУ1 аккумуляторная батарея АБ1 подключается, например, параллельно АБ2 к ЗРУ2. В такой конфигурации СЭП функционирует штатно. Для проведения формовочного цикла АБ1 выдают РК «Восстановление КАС», так как РУ1 ЗРУ1 неработоспособно. При этом АБ1 подключается к ЗРУ1 и функционирует только в режиме заряда, так как имеется отказ РУ1 ЗРУ1. Затем выдают последовательно РК: «Отключение АБ1», РК «Выключение ЗРУ1 от аварийной шины» 8, РК «Отключение АБ2». По РК «Отключение АБ1» происходит отключение АБ1 от ЗРУ1 (размыкание контакта S1-1) и подключение ЗРУ1 к аварийной шине 8 (замыкание контакта S1-2), по РК «Выключение ЗРУ1 от аварийной шины» 8 ЗРУ1 отключается от аварийной шины (размыкается контакт S1-3), а АБ1 подключается к аварийной шине 8 (замыкается контакт S1-4), по РК «Отключение АБ2» к аварийной шине 8 подключается ЗРУ2 (замыкается контакт S2-2), а АБ2 отключается от ЗРУ2 (размыкается контакт S2-1). Получается конфигурация СЭП, когда АБ2 переведена в режим «саморазряда», а АБ1 подключена к ЗРУ2 для штатного функционирования. Затем выдают РК «Запрет заряда АБ2» (размыкается контакт S2-3, замыкается контакт S2-4). При этом АБ1 через ЗРУ2 разряжается до напряжения 29 В, т.е. происходит формовочный цикл АБ1. После завершения глубокого разряда выдают РК «Восстановление КАС». При этом происходит только заряд АБ1, так как РУ1 неработоспособно, а АБ2 подключается к ЗРУ2 и функционирует штатно. После восполнения АБ1 путем штатного циклирования до срабатывания сигнального датчика выдают последовательно РК «Отключение АБ1», РК «Выключение ЗРУ1 от аварийной шины» 8 и РК «Выключение ЗРУ2 от аварийной шины» 8, что приводит к подключению АБ1 к ЗРУ2 параллельно АБ2 для дальнейшей штатной работы.
Следует особо отметить, что своевременное определение степени разбаланса аккумуляторов и проведение при необходимости непланового формовочного цикла АБ в целом позволяет надежно их эксплуатировать в течение длительного времени. Для постоянного контроля степени разбаланса аккумуляторов АБ по емкости используют дополнительно показания (данные измерения) не менее трех аналоговых датчиков давления, расположенных в различных аккумуляторах каждой АБ. При этом по полученным показаниям рассчитывают эквивалентную текущую электрическую емкость, например, их среднее арифметическое значение, и обрабатывают зависимость эквивалентной электрической емкости от времени на заданном промежутке времени для установления максимума (минимума) уровня заряженности АБi, для чего используют вычислительный алгоритм СЭП. Затем сравнивают между собой значения эквивалентной емкости АБi и емкости, измеренной телеметрическим датчиком, до начала ФЦ АБi; при этом для сравнения выбирают на заданном световом участке орбиты КА значение текущей электрической емкости, зафиксированное телеметрическим датчиком в момент срабатывания сигнального датчика давления, и максимальное значение эквивалентной электрической емкости АБi. По величине относительного разброса значений электрической емкости АБi судят о степени разбаланса аккумуляторов по емкости. Аналогичную последовательность операций повторяют после завершения ФЦ АБi, а достаточность выравнивания (необходимость повторного ФЦ АБi) емкостей аккумуляторов ABi определяют путем сравнения величин относительного разброса текущей электрической емкости до и после проведения ФЦ АБi.
Таким образом, применение предлагаемого способа управления параметрами аккумуляторов никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата позволит повысить ресурс эксплуатации НВАБ, а также живучесть СЭП без ухудшения ее технических характеристик как при штатной работе СЭП, так и аномальной работе одного ЗРУ или одной (нескольких) АБ.