СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА НЕГЕРМЕТИЧНОГО ИСПОЛНЕНИЯ С РАДИАЦИОННЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ И КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF OPERATING LITHIUM-ION STORAGE BATTERY INCORPORATED WITH UNPRESSURISED SPACESHIP WITH RADIANT COOLING AND SPACESHIP TO THIS END

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА) негерметичного исполнения с радиационным охлаждением.
Космический аппарат представляет собой (см. Космические аппараты. Под общей редакцией К.П.Феоктистова, М.: Воениздат, 1993, [1]) техническое устройство, состоящее из целевой аппаратуры и обеспечивающих систем.
В качестве целевой аппаратуры используется преимущественно связная аппаратура. В число обеспечивающих систем входят: система электропитания (СЭП), система ориентации КА, бортовой комплекс управления, система терморегулирования и другие системы в зависимости от типа и назначения КА.
К числу систем современных КА, по сути определяющих срок активного существования КА, относится в первую очередь система электропитания, у которой наиболее критичным звеном являются аккумуляторные батареи (АБ).
Для обеспечения длительного срока службы (ресурса) АБ очень важно проводить непрерывный мониторинг текущего технического состояния аккумуляторов АБ, своевременно проводить различные профилактические мероприятия для восстановления энергетических характеристик и обеспечивать комфортные температурные условия эксплуатации.
На КА негерметичного исполнения с радиационным охлаждением потенциально существует техническая возможность поддержания температуры АБ в более узком диапазоне, в отличие от КА с герметичным контейнером, в котором установлены АБ вместе с другой аппаратурой (преимущественно - радиоэлектронной) или КА, имеющий жидкостной контур охлаждения, который охватывает вместе с АБ другую аппаратуру. Предпосылкой этому служит то, что при таком построении КА термостатирование АБ может быть реализовано индивидуальным, независимым от другой аппаратуры КА.
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов, описанные в кн.: Д.А. Хрусталев. 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. 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 КА.
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их эксплуатации, в том числе и в составе КА, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов, описанные в кн.: А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, С.Б.Орлов. Герметичные химические источники тока. Санкт-Петербург: Химиздат, 2005 г., глава 5. В данной работе рассмотрены причины деградации аккумуляторов по емкости и по мощности, отражены технологические приемы защиты от перезаряда и переразряда аккумуляторов, однако также нет конкретных рекомендаций по надежной эксплуатации АБ в течение длительного ресурса в составе КА.
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 разницы в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ. Этот способ эксплуатации аккумуляторной батареи принят за прототип.
Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости, реализованного известной аккумуляторной батареей является то, что процесс выравнивания может быть достаточно длительным, что ограничивает функциональные возможности КА.
Известен КА (патент RU №2227108), содержащий устройства и приборы, установленные на обшивках сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором и имеющие входы и выходы, соединенные между собой трубопроводами.
Недостатком известного КА является то, что в нем термостатирование обеспечивается одним жидкостным контуром с усредненным для всей аппаратуры КА значением температуры, что не позволяет эффективно регулировать теплосъем с какой-либо конкретной аппаратуры, например, с аккумуляторной батареи.
Известен КА (патент RU №2164881), содержащий отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный отсек, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненными в виде термоплат со штатными и технологическими гидравлическими каналами, систему электропитания, состоящую из солнечной батареи, установленного в приборном отсеке комплекса автоматики и стабилизации напряжения, размещенных в агрегатном отсеке никель-водородных аккумуляторных батарей, установленных внутри каждой батареи датчиков давления, чувствительных к изменению текущей электрической емкости батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, причем указанные датчики давления через устройства преобразования сигнала включены в канал обмена информацией между указанными комплексом автоматики и стабилизации напряжения и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей режим работы аппарата в зависимости от глубины разряда аккумуляторных батарей и определяющей суммарную глубину разряда.
Недостатком известного КА является то, что в нем не учитывается текущее тепловыделение аккумуляторных батарей, что приводит к расширению температурного диапазона их эксплуатации и, соответственно, к снижению эффективности использования аккумуляторных батарей.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому КА, является КА, описанный в патенте RU №2371361. Способ эксплуатации аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения с радиационным охлаждением и космический аппарат для его реализации, заключающийся в проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, контроле давления и температуры аккумуляторов и обеспечении температурного режима батареи, при этом определяют текущее тепловыделение аккумуляторной батареи, которое посредством локальных нагревателей регулируют исходя из соотношения:
Qнагр+Qaб-Qpo=const,
где Qнагр - текущее интегральное тепловыделение нагревателей;
Qaб - текущее тепловыделение аккумуляторной батареи;
Qpo - теплоотдача посредством радиационного охлаждения;
const - установленное значение разницы расчетного тепловыделения и теплоотдачи, которое при запуске космического аппарата выбирают равным нулю, а в процессе эксплуатации космического аппарата автоматически либо по командам с Земли корректируют в большую или меньшую сторону, исходя из условия нахождения температуры аккумуляторной батареи в пределах установленных граничных значений. При этом КА содержит приборный блок, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, устройства и приборы, установленные на внутренних сторонах параллелепипеда приборного блока, в том числе систему терморегулирования для подвода и сброса тепла, содержащую локальные нагреватели и радиаторы-излучатели, систему электропитания, состоящую из солнечной батареи, стабилизированного преобразователя напряжения, никель-водородных аккумуляторных батарей, с установленными на аккумуляторах аналоговыми датчиками давления и температуры, устройства контроля аккумуляторных батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, отличающийся тем, что указанные аналоговые датчики давления и температуры через устройство контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и их температуры. Этот КА принят за прототип.
Известный способ и КА позволяют эксплуатировать аккумуляторную батарею в более узком температурном диапазоне. Это благотворно влияет на ее ресурсные возможности. Однако он не решает задач технологии проведения профилактических работ с АБ в процессе ее эксплуатации, а технология обеспечения температурного режима АБ требует при эксплуатации КА начальной и ресурсной подстройки. Это снижает эффективность использования аккумуляторных батарей.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и улучшение удельных энергетических и ресурсных характеристик системы электропитания и КА в целом.
Поставленная задача достигается тем, что при проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, балансировке аккумуляторов по напряжению, контроле температуры и обеспечении температурного режима аккумуляторной батареи посредством локальных нагревателей и радиаторов-излучателей обеспечение температурного режима проводят посредством регулирования мощности локальных нагревателей в зависимости от текущей температуры аккумуляторной батареи, балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в зависимости от степени заряженности (напряжения) аккумуляторов и режима работы аккумуляторной батареи при отсутствии ее тока разряда. При этом регулирование мощности локальных нагревателей проводят в зависимости от дифференциала по времени текущей температуры аккумуляторной батареи. Кроме того, хранение в заряженном состоянии проводят при стабилизации на аккумуляторной батарее напряжения, не превышающего величину фактического конечного зарядного напряжения аккумуляторной батареи, но не менее: [(Uз акк-ΔUдоп)·(n-1)+Uз акк], В, где
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора;
n - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;
ΔUдоп - допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению.
При этом, космический аппарат негерметичного исполнения с радиационным охлаждением для реализации способа, содержащий приборный блок, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, устройства и приборы, установленные на внутренних сторонах параллелепипеда приборного блока, в том числе бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, система терморегулирования, содержащая локальные нагреватели и радиаторы-излучатели, система электропитания, состоящая из солнечной батареи, стабилизированного преобразователя напряжения, с зарядными и разрядными преобразователями, аккумуляторных батарей, с аналоговыми датчиками температуры, устройства контроля аккумуляторных батарей, при этом указанные аналоговые датчики температуры через устройство контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования, в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и их температуры, отличается тем, что стабилизированный преобразователь напряжения с зарядными и разрядными преобразователями дополнительно содержит аналоговые датчики токов заряда и разряда аккумуляторных батарей, а устройство контроля аккумуляторных батарей дополнительно связано с аккумуляторами аккумуляторных батарей, в качестве аккумуляторных батарей используются литий-ионные аккумуляторные батареи, каждая из которых выполнена в виде «n» последовательно соединенных аккумуляторов, с установленными на аккумуляторах схемами балансировки их по напряжению, причем количество аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи выбрано, исходя из соотношения:
n<Uвx/Uз акк, где:
Uвx - минимальное входное напряжение стабилизированного преобразователя на освещенном участке орбиты;
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора,
при этом указанные аналоговые датчики токов заряда-разряда аккумуляторных батарей также включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, кроме того, напряжения аккумуляторных батарей и аккумуляторов через устройство контроля аккумуляторных батарей также включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу зарядных преобразователей, локальных нагревателей и схем балансировки аккумуляторов аккумуляторных батарей.
Действительно, текущая температура аккумуляторной батареи, соотнесенная с некой «идеальной» температурой, позволяет проводить регулирование текущей мощности локальных нагревателей для непрерывного приближения к «идеальному» значению температуры. При этом регулирование мощности локальных нагревателей в зависимости от дифференциала по времени текущей температуры аккумуляторной батареи позволяет демпфировать перерегулирование и сузить диапазон температуры. Это положительно повлияет на ресурсные характеристики аккумуляторной батареи.
Проведение балансировки аккумуляторов по напряжению при отсутствии ее токов разряда и в зависимости от степени заряженности (напряжения) аккумуляторов позволяет проводить этот процесс без потери функциональной эффективной мощности аккумуляторной батареи. Иными словами, процесс потенциального снижения напряжения АБ из-за подразряда отдельных аккумуляторов будет проведен тогда, когда разряда нет. При этом проведение балансировки аккумуляторов в процессе заряда АБ или при ее хранении в режиме стабилизации на ней напряжения не приводит к снижению ее текущих энергетических характеристик, так как напряжение на аккумуляторной батарее не снижается.
При хранении заряженных аккумуляторных батарей в составе КА, когда вход в «теневые» участки орбиты (для геостационарных КА "теневые" участки орбиты составляют примерно 2%) эпизодичен, аккумуляторы длительное время подвергаются саморазряду. При этом существующий технологический разброс в их токах саморазряда приводит к разбалансу аккумуляторов по емкости (напряжению), что требует периодического проведения (в процессе хранения аккумуляторной батареи) балансировки аккумуляторов. Предлагается исключить (или сократить) проведение операций балансировки в процессе хранения заряженных аккумуляторных батарей. Для этого хранение в заряженном состоянии проводят при стабилизации на аккумуляторной батарее напряжения, не превышающего величину фактического конечного зарядного напряжения аккумуляторной батареи, но не менее
[Uз акк·n-ΔUдоп·(n-1)], В, где
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора;
n - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;
ΔUдоп - допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению.
Нижний уровень стабилизируемого напряжения ограничивается теоретически вероятной ситуацией, когда все аккумуляторы, за исключением одного, ниже по напряжению величины максимального зарядного напряжения Uз акк на допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению ΔUдоп.
Поддержание указанного напряжения снизит либо исключит вовсе процесс саморазряда аккумуляторов.
Для реализации такого режима зарядный преобразователь стабилизированного преобразователя напряжения должен быть выполнен с прямоугольной выходной характеристикой, где переход на ветвь стабилизации напряжения происходит либо при достижении определенного напряжения (например [(Uз акк-ΔUдоп)·(n-1)+Uз акк], В), либо по факту достижения каким-либо аккумулятором максимального зарядного напряжения.
На чертеже фиг.1 показано предлагаемое устройство КА негерметичного исполнения с радиационным охлаждением для работы на геостационарной орбите.
При этом введены нижеследующие обозначения:
1 - приборный блок КА;
2 - солнечные батареи КА;
3 - радиатор-излучатель.
Приборный блок КА 1 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда состоящего из "южной" и "северной" сотопанелей радиаторов и «восточной» и «западной», а также нижних и верхних торцевых панелей упрощенной конструкции.
Внутри приборного блока (на внутренней стороне сотопанелей и панелей упрощенной конструкции) установлены устройства и приборы КА, в том числе система терморегулирования, содержащая локальные нагреватели (локальные нагреватели могут устанавливаться непосредственно в какой-либо аппаратуре) и термоплаты с тепловыми трубами и радиаторами-излучателями, система электропитания, состоящая из стабилизированного преобразователя напряжения, литий-ионных аккумуляторных батарей, с установленными аналоговыми датчиками температуры аккумуляторов, устройств контроля аккумуляторных батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, при этом указанные аналоговые датчики температуры и напряжение каждого аккумулятора через устройства контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и дифференциала их текущей температуры во времени.
Солнечные батареи 2 установлены вдоль продольной оси Z КА, перпендикулярной плоскости орбиты КА, со стороны "южной" и "северной" сотопанелей радиаторов.
Радиатор-излучатель 3 установлен в плоскости "северной" или "южной" сотопанели радиатора.
Основная тепловыделяющая аппаратура размещается на "северных" и "южных" сотопанелях. При этом аппаратура имеет, как правило, обогреватели для подвода тепла к отдельным узлам и агрегатам для исключения их переохлаждения.
Заявляемое изобретение не касается конструкции теплоотводящих элементов (тепловых труб), поэтому пример конкретной реализации в этой части в материалах настоящей заявки не рассматривается.
На фиг.2 приведен пример функциональной схемы электрических и интерфейсных связей КА для реализации конкретных задач заявляемого изобретения. В рассматриваемом варианте используется одна аккумуляторная батарея и соответствующее количество зарядных и разрядных преобразователей.
При этом дополнительно введены нижеследующие обозначения:
4 - стабилизированный преобразователь напряжения;
4-1 - зарядный преобразователь;
4-2 - разрядный преобразователь;
4-3 - измерительный шунт в цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи (для формирования входного сигнала аналоговых датчиков тока заряда и разряда аккумуляторной батареи, не показанных на чертеже);
5 - устройства и приборы КА;
6 - блок управления системы терморегулирования;
7 - бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной;
8 - устройство контроля аккумуляторной батареи;
9 - литий-ионная аккумуляторная батарея;
10 - аккумуляторы;
10-1 - схемы балансировки аккумуляторов;
11 - аналоговые датчики температуры;
12 - локальный (встроенный) нагреватель.
Количество аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи выбрано исходя из соотношения:
n<Uвx/Uз акк, где:
Uвx - минимальное входное напряжение стабилизированного преобразователя на освещенном участке орбиты;
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора.
Выполнение данного условия исключает необходимость формирования вольтодобавки в зарядном преобразователе, что улучшает удельные энергетические характеристики последнего, системы электропитания и КА в целом.
Для управления КА и выполнения других функций служит бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной 7. В качестве аккумуляторной батареи 9 использованы литий-ионные АБ из последовательно соединенных аккумуляторов 10, которые оснащены датчиками температуры 11.
Датчики температуры 11 запитаны от устройства контроля аккумуляторной батареи 8, содержащего устройства контроля напряжения аккумуляторов 10 аккумуляторной батареи 9, для передачи текущей информации в бортовой комплекс управления 7 (с бортовой вычислительной машиной), в который поступает также информация о режиме работы аккумуляторной батареи 9 (заряд, разряд, хранение), величине токов заряда-разряда из стабилизированного преобразователя напряжения 4. Бортовая вычислительная машина оснащена программой, формирующей управляющие команды в блок управления системы терморегулирования 6 для управления работой локального нагревателя 12 и стабилизированный преобразователь напряжения 4 для управления работой зарядного преобразователя 4-1. При необходимости, указанная программа в процессе эксплуатации КА может меняться.
Повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и улучшение ресурсных характеристик СЭП и КА в целом при его штатной работе осуществляется следующим образом.
Бортовое программное обеспечение дифференцирует во времени текущую температуру каждой аккумуляторной батареи 9 и исходя из входных данных по режиму работы (заряд, разряд, хранение) величины токов заряда-разряда, степени заряженности и температуры и задает режим работы локальных нагревателей 12 аккумуляторных батарей 9 через систему терморегулирования 6.
В процессе заряда контролируется напряжение аккумуляторов и аккумуляторной батареи. При достижении напряжения какого-либо аккумулятора величины максимального зарядного напряжения (Uз акк) зарядный преобразователь переключается в режим стабилизации напряжения в диапазоне от текущей величины до [(Uз акк-ΔUдоп)·(n-1)+Uз акк], В).
Если в процессе эксплуатации АБ разница в напряжениях аккумуляторов превысит допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению (ΔUдоп), контролируется отсутствие тока разряда и включается режим балансировки аккумуляторов по напряжению. В простейшем виде, это подключение ко всем аккумуляторам, кроме имеющего наименьшее напряжение, разрядных резисторов с последующим их последовательным отключением по мере достижения напряжения каждого аккумулятора текущей величины напряжения аккумулятора, не подвергающегося подразряду.
Таким образом, использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность использования аккумуляторных батарей и улучшить удельные энергетические и ресурсные характеристики СЭП и КА в целом при его штатной эксплуатации.