СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
OPERATION OF NICKEL-HYDROGEN STORAGE BATTERY (NHSB)

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно при наземной эксплуатации в составе автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).
В настоящее время изготовление ИСЗ, особенно первого ИСЗ новой разработки, идет в течение времени до двух и более лет. Кроме того, изготовленные ИСЗ могут длительное время храниться (с проведением регламентных работ - 1 раз в два года) до начала их штатной эксплуатации. Все это требует более внимательного отношения к режиму хранения комплектующей ИСЗ аппаратуры и, в частности, к режиму хранения никель-водородных аккумуляторных батарей.
Особенностью никель-водородных аккумуляторных батарей является то, что при переходе от режима заряда или разряда в режим хранения электрохимические процессы в аккумуляторах не прекращаются, и их интенсивность снижается только по истечении некоторого времени. К таким процессам относятся рекомбинация кислорода, выделяющегося частично в конечных фазах заряда и разряда, с водородом и постоянно присутствующий процесс саморазряда аккумуляторов.
Глубокий разряд активной массы положительных электродов НВА и хранение активной массы в разряженном состоянии при комнатной температуре вызывают значительное снижение емкости аккумуляторов.
2
2
Глубокий разряд аккумуляторов при хранении обусловлен наличием в аккумуляторах отрицательного предварительного заряда (т.е. при полностью разряженной положительной активной массе в аккумуляторе присутствует газообразный водород). Избыток водорода постепенно приводит активную массу в полностью разряженное состояние, которая в этом состоянии термодинамически неустойчива и (особенно под воздействием положительных температур) переходит из активной α-Ni(OH) фазы в не активную фазу β-Ni(OH).
Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, описанные в (Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы", Ленинград: "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г.). При этом длительное хранение никель-водородной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии рассматривается в этой работе как положительный фактор (см. стр.257).
Однако на практике отмечено снижение емкостных характеристик никель-водородных аккумуляторных батарей после их длительного хранения.
2
Причина этого явления обусловлена самопроизвольным переходом заряженной активной массы в разряженную, и перехода тонких окисных слоев никелевого электропроводного каркаса в неактивную фазу β-Ni(ОН), из-за чего возможно снижение разрядной емкости как и при хранении аккумуляторов в разряженном состоянии.
2
Эти же процессы доразряда активной массы и ее переход в неактивную фазу β-Ni(OH) значительно ускоряются внешними или внутренними микрошунтами, разрядами малыми токами.
Известен «Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи», заключающийся в проведении зарядов и разрядов, с активным термостатированием и контролем температуры аккумуляторов, и хранении в заряженном или разряженном состоянии без проведения активного термостатирования. По окончании заряда или разряда аккумуляторной батареи, перед хранением, термостатирование ее продолжают, при этом дифференцируют контролируемую температуру во времени dT/dτ, а прекращают термостатирование после достижения dT/dτ установившегося отрицательного значения, кроме того, термостатирование аккумуляторной батареи перед хранением продолжают не менее 1,5 часа от окончания заряда либо разряда (патент №2329572, Н01М 10/44), который выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного способа является то, что его использование позволяет лишь уменьшить энергичность отрицательно влияющих на ресурсные характеристики батареи процессов, но не остановить их полностью, что неблагоприятно сказывается на емкостных характеристиках никель-водородной аккумуляторной батареи при ее длительном хранении.
Целью предлагаемого изобретения является повышение емкостных ресурсных характеристик и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.
н
н
Поставленная цель достигается тем, что при проведении заряд-разрядных циклов с контролем давления управляющих аккумуляторов, хранение аккумуляторной батареи в разряженном состоянии проводят с периодическими подзарядами для компенсации саморазряда аккумуляторов, причем, хранение начинают после подзаряда на (0,1-0,2)С, где С - номинальная емкость, а в процессе хранения проводят периодические подзаряды на величину исходного уровня заряженности управляющих аккумуляторов. Кроме того, длительность первого периода хранения между подзарядами устанавливают 30 суток, а длительность последующих периодов корректируют после каждого очередного подзаряда, исходя из фактического саморазряда за предшествующий период хранения, по формуле
i
пр
подз
хран
T=Т·ΔС/ΔС,
i
где T - длительность очередного (последующего) периода хранения;
пр
Т - длительность предшествующего периода хранения;
подз
ΔС - емкость, сообщаемая на подзаряде;
хран
ΔС - емкость саморазряда на предшествующем хранении, определяемая по формуле:
хран
хран
Е
ΔС=ΔР·К, где
хран
ΔР - величина снижения давления в управляющих аккумуляторах за время предшествующего хранения;
Е
К - коэффициент пересчета давления в емкость.
н
Действительно, как видно на фиг.1, где изображена зависимость тока саморазряда от степени заряженности батареи 40НВ70, самопроизвольный разряд батареи, заряженной на величину емкости (0,1-0,2)С до нуля произойдет за 30-40 дней (при заряде на 10 А*ч, средний ток разряда по графику составляет 0,01 А, то есть за сутки батарея разряжается в среднем на 0,24 А*ч, а полностью разрядится примерно за 42 дня).
2
В результате в аккумуляторной батарее постоянно поддерживается небольшой положительный заряд, чем мы исключаем самопроизвольный переход заряженной активной массы в разряженную, и переход тонких окисных слоев никелевого электропроводного каркаса в неактивную фазу β-Ni(OH).
На фиг.2 представлена структурная схема рабочего места для автономной работы с аккумуляторными батареями в наземных условиях. Рабочее место содержит:
- зарядно-разрядный комплекс 1 в составе устройства зарядно-разрядного 2, устройства контроля аккумуляторов 3 и устройства расширения интерфейса 4;
- устройства контроля аналоговых датчиков давления и температуры 5;
- ПЭВМ 6;
- защитную термостатирующую камеру 7 с жидкостным охлаждением для размещения аккумуляторной батареи 8.
н
хран
i
В процессе наземной эксплуатации аккумуляторная батарея 8 периодически подвергается хранению. При этом хранение начинают с подзаряда на (0,1-0,2)С. Так как рабочее место для автономной работы с аккумуляторными батареями оснащено ПЭВМ 6, имеющей связь с «Устройством контроля аналоговых датчиков давления и температуры» 5, мы можем определить величину снижения давления в управляющих аккумуляторах за время хранения и рассчитать емкость саморазряда на предшествующем хранении ΔС и длительность очередного (последующего) периода хранения T.
хран
i
хран
2
Далее, через 30 суток проводят подзяряд батареи 8 на величину емкости ΔС и ставят на хранение на время T, рассчитанное по формуле. По прошествии этого времени заново рассчитывают ΔС, подзаряжают ее на эту емкость и ставят на хранение на вновь рассчитанное время Т и т.д.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет поддерживать аккумуляторную батарею на высоком уровне работоспособности, исключить снижение емкости после хранения и повысить эффективность использования и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.
Предлагаемый способ предполагается использовать при хранении аккумуляторных батарей на предприятии.