СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF USING LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERY IN STANDALONE ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM FOR ARTIFICIAL EARTH SATELLITE

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003 г., глава 4. В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Однако известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар).
В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ.563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.
Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости, реализованного известной аккумуляторной батареей, является то, что процесс выравнивания может быть достаточно длительным, что ограничивает функциональные возможности ИСЗ.
Кроме того, приведение емкости всех аккумуляторов к емкости наименее заряженного аккумулятора (а не наоборот) представляется неэффективным, так как на момент достижения выравнивания аккумуляторов батарея имеет емкость меньше ее потенциальных возможностей.
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (патент КНР CN 1607708), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем индивидуального подзаряда или подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжения наперед выбранной величины.
Недостатками известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости являются низкие технологичность и надежность, обусловленные наличием многочисленных коммутаторов и необходимостью индивидуальной работы с каждым аккумулятором.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи путем проведения зарядно-разрядных циклов, поэлементного контроля напряжения аккумуляторов с помощью блоков контроля заряда, спроектированных и изготовленных в Исследовательском центре Гленн NASA, которые шунтируют избыточный ток, когда аккумулятор достигает требуемого напряжения конца заряда (см. MASA/TM - 2005-213995, ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ NASA ПРОВЕРОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ, Барбара Маккисок, Мишель А. Манзо, Томас Б. Миллер и Конча М. Рейд Исследовательский центр Гленн, Кливленд, шт.Огайо, Уилльям Р. Беннет и Рассел Гемейнер, Компания QSS Group, Inc., Кливленд, шт.Огайо, раздел II Описание испытаний, подраздел Е. Ресурсные испытания).
Этот способ принят за прототип заявляемому техническому решению.
Известный способ устраняет указанные выше недостатки, однако для его реализации необходимы шунтирующие устройства на каждом аккумуляторе, рассчитанные на полный зарядный ток, что снижает удельные энергетические характеристики аккумуляторной батареи, а необходимость коммутации шунтирующих устройств снижает ее надежность.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение удельных энергетических характеристик и надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.
Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядно-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и балансировке аккумуляторов по напряжению, балансировку аккумуляторов по напряжению проводят путем подзаряда от индивидуальных источников напряжения с ограничением по току посредством резисторов, при этом уровень напряжения индивидуальных источников выбирают не более максимального зарядного напряжения аккумулятора, а ток подзаряда ограничивают по его минимальному эффективному значению при минимальном существенном значении разницы напряжений аккумуляторов, но на уровне больше максимального тока саморазряда аккумуляторов, кроме того, мощность индивидуальных источников напряжения выбирают из условия непревышения током подзаряда заранее выбранной величины, в пределах рабочего диапазона напряжения аккумуляторов. Величину сопротивления резисторов выбирают по формуле
R≤ΔU/I,
где R - величина сопротивления резистора, Ом;
ΔU - минимальное существенное значение разницы напряжений аккумуляторов, В;
I - величина минимального эффективного тока подзаряда, А.
Кроме того, уровень напряжения индивидуальных источников регулируют в процессе эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи для достижения оптимального результата, а цепи «n» гальванически развязанных выходов защищают плавкими предохранителями.
Действительно, использование некоммутируемых маломощных цепей подзаряда вместо шунтирующих устройств, рассчитанных на полный зарядный ток, повысит удельные энергетические характеристики аккумуляторной батареи, а исключение функции коммутации шунтирующих устройств повысит надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.
Как отмечалось выше, литий-ионные аккумуляторы имеют очень низкое внутреннее сопротивление. При этом разница между зарядным и разрядным напряжениями аккумулятора (а также напряжением разомкнутой цепи), в конкретной точке заряженности аккумулятора несущественна.
На фиг.1 приведена разрядная характеристика литий-ионного аккумулятора ЛИГП-10А, изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар.
Как видно из фиг.1, основная доля разрядной емкости снимается на практически линейном участке, при этом напряжение снижается на (0,4-0,5) В при снятии разрядной емкости порядка 0,7 от номинальной величины емкости аккумулятора. Это значит, что при минимальном существенном значении разницы в напряжениях аккумуляторов в 10 мВ, разница в емкостях составит (0,0175-0,014) от номинальной емкости аккумулятора или для данного аккумулятора (0,175-0,14) А*ч, что, по сути, несущественно.
Величина (токоограничивающего) резистора при минимальном эффективном токе подзаряда 0,1 А, в данном случае составит 0,01/0,1=0,1 Ом. При этом мощность (нагрузочная характеристика) индивидуальных источников напряжения ограничена заранее выбранной величиной, что не позволит току возрасти выше расчетной величины тока в пределах рабочего диапазона напряжения аккумуляторов. Работа в режиме короткого замыкания (что может произойти при шунтировании аккумулятора) исключается плавкими предохранителями.
В то же время при снижении разницы напряжения аккумулятора и индивидуального источника до величины менее 0,01 В ток подзаряда будет присутствовать и линейно убывать до 0 А, когда напряжения сравняются по величине.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет с высокой надежностью подзаряжать все аккумуляторы аккумуляторной батареи одновременно токами, обратно пропорциональными их текущему напряжению, что обеспечивает компенсацию потенциального разбаланса аккумуляторов по емкости, обусловленного объективным различием в их токах саморазряда.
На фиг.2 приведена упрощенная функциональная схема литий-ионной аккумуляторной батареи, поясняющая работу по предлагаемому способу.
Аккумуляторная батарея 1 содержит «n» последовательно соединенных аккумуляторов 2.
Параллельно аккумуляторам подключены резисторы 3.
Дополнительно введен маломощный преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение 4 с «n» гальванически развязанными (посредством трансформатора 5) выходами (индивидуальными источниками) с выпрямителями постоянного тока.
Каждый из индивидуальных источников (выходов преобразователя) состоит из вторичной обмотки 6 трансформатора 5 и диодов 7 и 8. Первичная обмотка 9 трансформатора 5, имеющая среднюю точку, предназначена для подключения к источнику стабилизированного постоянного напряжения (к выходу автономной системы электропитания) - клеммы «+» и «-» через преобразователь постоянного напряжения в переменное 10 на транзисторах 11 и 12.
Для защиты от отрицательного влияния схемы подзаряда отказавшего (закороченного) аккумулятора (на случай появления такового), в цепях подзаряда предусмотрены плавкие предохранители 13, рассчитанные на критичную величину тока.
Кроме того, для регулирования уровня напряжения индивидуальных источников предусмотрено симметричное относительно средней точки отключение (подключение) части витков первичной обмотки 9 трансформатора 5 контактами реле в направлениях 14, 15 и 16 по внешним командам из блока управления 17 (в приведенном примере условно показана возможность установки трех уровней дискретного регулирования).
Аккумуляторная батарея 1 в составе автономной системы электропитания работает следующим образом.
Если преобразователь постоянного напряжения в постоянное 4 по входу не запитан, то диоды 7 и 8 заперты напряжением аккумуляторов 2 и процесс балансировки не проводится.
При подаче стабилизированного напряжения на вход маломощного преобразователя постоянного напряжения в постоянное 4 с выхода автономной системы электропитания, на его гальванически развязанных выходах появятся равные друг другу стабильные напряжения, величина которых зависит от состояния контактов 14, 15 и 16 коммутирующих количество витков в первичной обмотке 9 трансформатора 5 и находящиеся в пределах максимального зарядного напряжения аккумулятора, при этом на каждый аккумулятор потечет ток подзаряда, причем его величина будет обратно пропорциональна текущему значению напряжения каждого аккумулятора, что обеспечивает устранение (или компенсацию) разбаланса аккумуляторов, обусловленного различиями в их токах саморазряда.
При работе аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ, включение и отключение подзаряда аккумуляторов (подача стабилизированного напряжения на вход маломощного преобразователя постоянного напряжения в постоянное), подача команд на коммутацию количества витков в первичной обмотке 9 трансформатора 5 (выбор напряжения на гальванически развязанных выходах), решается в рамках оптимальной работы системы электропитания и с учетом текущих данных по величине напряжения аккумуляторов литий-ионной аккумуляторной батареи. При этом управляющие воздействия формируются через командно-измерительную радиолинию с наземного комплекса управления или от бортовой ЭВМ по заложенной программе.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить удельные энергетические характеристики и надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.