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

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, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов (Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003 г., гл. 4). В данной работе отмечаются 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 их надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (патент RU №2411618) в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии подзарядов, при необходимости разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением, подключения к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора, отличающийся тем, что балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи, при этом сравнение напряжения каждого балансируемого аккумулятора с напряжением первоначально выбранного аккумулятора проводят по текущему значению последнего.
Недостатком известного способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что он не предусматривает защиты аккумуляторной батареи от необратимой деградации какого-либо аккумулятора в ее составе, что приводит к деградации всей аккумуляторной батареи и снижает надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (US 2002146617), предусматривающий исключение из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи неисправного аккумулятора обводной цепью.
Этот способ принят за прототип заявляемого технического решения.
Известный способ устраняет указанные выше недостатки, однако не дает конкретных рекомендаций по оперативному выявлению деградирующего аккумулятора и своевременному исключению его из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи. Это может привести к тому, что в какой-то момент из-за одного неисправного аккумулятора аккумуляторная батарея не сможет обеспечить электроэнергией целевую аппаратуру КА и соответственно приведет к срыву штатной работы.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.
Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии подзарядов, при необходимости разрядов, контроле напряжения аккумуляторов, отключении неисправных аккумуляторов из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением, подключения к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора, при этом балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи, по окончании заряда (подзаряда) оценивают максимальную текущую величину разбаланса аккумуляторов по емкости по формуле
разб
max
min
емк
ΔС=(U-U)·k,
разб
где ΔС - максимальная текущая величина разбаланса аккумуляторов по емкости, А·час;
max
U - максимальное текущее напряжение на аккумуляторах, В;
min
U - минимальное текущее напряжение на аккумуляторах, В;
емк
k - коэффициент пересчета напряжения на аккумуляторе в емкость, А·час/В,
а при нарастающем характере максимальной текущей величины разбаланса аккумуляторов по емкости относительно предшествующей оценки аккумулятор с наименьшей текущей емкостью исключают из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи. Кроме того, при нарастающем характере максимальной текущей величины разбаланса аккумуляторов относительно предшествующей оценки, исключение аккумулятора с наименьшей текущей емкостью из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи продляют в пределах сохранения условия, определяемого соотношением
разб
АБгар
разр
ΔС≤(С-С),
АБгар
где С - величина гарантированной емкости разряда АБ, А·час;
разр
С - величина емкости аккумуляторной батареи для предстоящего разряда, А·час.
Действительно, в аккумуляторных батареях для эксплуатации в составе КА с длительным ресурсом работы предусматривают резервные («горячий» резерв) аккумуляторы, отказ которых в процессе эксплуатации КА не должен снижать эксплуатационные возможности последнего.
Для обеспечения надежной работы КА по целевому назначению необходимо своевременное выявление деградирующего аккумулятора и выведение его из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи для исключения ограничения им разрядной емкости аккумуляторной батареи.
Для этого по окончании заряда (подзаряда) оценивают максимальную текущую величину разбаланса аккумуляторов по емкости по формуле
разб
max
min
емк
ΔС=(U-U)·k,
разб
где ΔС - максимальная текущая величина разбаланса аккумуляторов по емкости, А·час;
max
U - максимальное текущее напряжение на аккумуляторах, В;
min
U - минимальное текущее напряжение на аккумуляторах, В;
емк
k - коэффициент пересчета напряжения на аккумуляторе в емкость, А·час/В,
а при нарастающем характере максимальной текущей величины разбаланса аккумуляторов по емкости относительно предшествующей оценки аккумулятор с наименьшей текущей емкостью исключают из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи.
Аккумулятор с наименьшей емкостью может быть оставлен в составе последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи пока соблюдается условие
разб
АБгар
разр
ΔС≤(С-С),
разб
где ΔС - максимальная текущая величина разбаланса аккумуляторов по емкости, А·час;
АБгар
С - величина гарантированной емкости разряда АБ, А·час;
разр
С - величина емкости аккумуляторной батареи для предстоящего разряда, А·час.
На фиг. 1 приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу.
Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3. При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.
Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).
В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.
Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3. Кроме того, аккумуляторы соединены в последовательную цепь через размыкающиеся контакты 4-4, а каждый аккумулятор 4-1 вместе со своим размыкающимся контактом 4-4 охвачен цепью с замыкающимся контактом 4-5. Также аккумуляторная батарея 4 содержит блок реле 4-6 с перечисленными контактами, где для каждого аккумулятора предусмотрены собственные реле.
Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16 и выпрямителя на диодах 17.
Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.
Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.
Схемы управления 10, 12, 14 зарядного преобразователя 5, разрядного преобразователя 6 и преобразователя напряжения 3 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2 в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в режиме хранения и периодических поднарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения штатных теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце. Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.
При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.
Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции:
1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов, рассчитывается текущая емкость аккумуляторов. Вычисляется разбаланс аккумуляторов по емкости, в том числе максимальный разбаланс.
2. При снижении текущей емкости (напряжения) аккумуляторов до определенного, выбранного на этапе проектирования системы электропитания значения разблокируется заряд (подзаряд) аккумуляторной батареи и, при наличии избыточной мощности солнечной батареи 1, включается заряд аккумуляторной батареи 4, при этом факт включения заряда фиксируется бортовой ЭВМ по появлению тока заряда - сигнал с шунта 8. Одновременно с включением заряда запускается процесс балансировки аккумуляторов по напряжению. К аккумуляторам 4-1 подключаются индивидуальные разрядные резисторы 4-2 (соответствующие контакты 4-3 замыкаются) за исключением аккумулятора, имеющего самое низкое напряжение (самого разряженного аккумулятора). После достижения напряжения балансируемых аккумуляторов текущего значения напряжения самого разряженного аккумулятора, каждый соответствующий индивидуальный разрядный резистор 4-2 отключается посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-6. Управление блоком реле 4-6 реализуется по программе в бортовой ЭВМ через устройство контроля аккумуляторов 7.
3. Если по окончании заряда разбаланс аккумуляторов по емкости сохранился, то запоминается величина максимального разбаланса, и по окончании следующего заряда, при нарастающем характере максимальной текущей величины разбаланса аккумуляторов по емкости (относительно предшествующей оценки), аккумулятор с наименьшей текущей емкостью (с наименьшим напряжением) исключают из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи. Для этого размыкают контакт 4-4 и замыкают контакт 4-5, которые соответствуют данному аккумулятору. При этом данный аккумулятор («слабый» аккумулятор) будет исключен из дальнейшей работы аккумуляторной батареи и не будет ограничивать ее разряд.
4. «Слабый» аккумулятор может быть временно оставлен для работы в составе аккумуляторной батареи, если (пока) соблюдается условие
разб
АБгар
разр
ΔС≤(С-С),
разб
где ΔС - максимальная текущая величина разбаланса аккумуляторов по емкости, А·час;
АБгар
С - величина гарантированной емкости разряда АБ, А·час;
разр
С - величина емкости аккумуляторной батареи для предстоящего разряда, А·час.
АБгар
разр
Величина гарантированной емкости разряда АБ (С) берется из технических условий (ТУ) на нее, а величину емкости аккумуляторной батареи для предстоящего разряда (С) рассчитывают исходя из длительности предстоящего «теневого» участка и величины потребления (мощности) нагрузки.
5. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи по результатам анализа телеметрических данных о величине напряжений аккумуляторов на конец окончания заряда, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию корректируют при необходимости величину максимального зарядного напряжения аккумуляторов и величину существенной разницы в напряжениях аккумуляторов.
Таким образом, заявляемый способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли позволяет повысить надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.