СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ АККУМУЛЯТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF PERFORMING SERVICE LIFE TESTS OF SPACE STORAGE BATTERIES AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к области космической электротехники и может быть использовано при проведении ресурсных испытаний оборудования ИСЗ, в частности аккумуляторных батарей (АБ) в составе искусственного спутника Земли (ИСЗ).
Важнейшей задачей при создании ИСЗ является обеспечение его долговременной работы по целевому назначению.
Особенность космической техники заключается в том, что она, как правило, не подлежит ремонту. Объясняется это, прежде всего, тем, что стоимость средств выведения значительно превышает стоимость самого ИСЗ.
Обеспечение требуемого ресурса ИСЗ реализуется путем теоретических расчетов и выбора схемотехнических решений с последующим подтверждением ресурсными испытаниями аппаратуры.
Существуют нормативные документы на проведение ресурсных испытаний, например PM B 22.31.144-90, MO [1], суть которых сводится к тому, что в наземных условиях воспроизводятся условия летной эксплуатации по внешним воздействующим факторам и режимам загрузки.
Аналогичный подход к ресурсным испытаниям имеет место и за рубежом. Например, в статье "Ресурсные испытания экспериментальной никель-водородной батареи в рамках программы ВВС" (Martin G. Gandel, "Life Cycle Test of Air Force Nickel-Hydrogen Flight Experiment Battery", Seatle, Washington, New York, N.Y., USA, 1980) [2] рассматриваются результаты ресурсных испытаний никель-водородной батареи при различных режимах и внешних условиях эксплуатации, проведенные в наземных условиях.
В статье "Циклирование никель-водородных аккумуляторов. Ускоренные ресурсные испытания" (Н.S.Lim, S.A.Verzwyvett, "Cycle life of Nickel-hydrogen cells. Accelerated cycle life test", San Diego, California, 1986 г.) [3] рассматривается способ ускоренных ресурсных испытаний аккумуляторных батарей в наземных условиях (прототип), заключающийся в проведении циклирования аккумуляторов с контролем их энергетических характеристик.
Недостатком известных способов проведения ресурсных испытаний аккумуляторных батарей ИСЗ является невозможность полного воспроизведения летных условий эксплуатации (в основном, невесомости и радиационных воздействий), что может искажать характер процессов, протекающих в испытываемых аккумуляторах, приводить к неверным выводам.
В частности, в выводах статьи [2] отмечается, что возникшая в процессе испытаний проблема (перераспределение электролита), возможно, не имеет место в условиях летной эксплуатации в составе ИСЗ (в условиях невесомости).
Очевидно, что особенности эксплуатации аппаратуры в составе ИСЗ могут оказывать как благоприятное, так и неблагоприятное влияние на конечный результат (ресурс эксплуатации) по сравнению с наземными вариантами их воспроизведения.
Известна практика проведения ресурсных испытаний в составе ИСЗ в процессе его опытной эксплуатации, однако это связано с огромными финансовыми затратами.
Известны автономные системы электропитания, описанные в книге "Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике"/ Под ред. Конева Ю.И. М.: Радио и связь, 1987, гл.7, стр.184-199 [4].
Известные системы электропитания содержат солнечные батареи, аккумуляторные батареи со схемами защиты, подключенные к солнечной батарее и нагрузке через зарядные и разрядные преобразователи, соответственно.
При этом регулирование мощности солнечной батареи осуществляется параллельными (шунтовыми) преобразователями либо последовательными (сериесными) преобразователями.
Автономная система электропитания с сериесным преобразователем известна также по авторскому свидетельству №1106407; H02J 7/34, а с параллельным преобразователем - по авторскому свидетельству №1538751, G05F 1/56.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является «Способ проведения ресурсных испытаний аккумуляторов космического назначения и устройство для его реализации», патент №2123460, принятый за прототип.
Известный способ заключается в том, что испытания проводят в составе ИСЗ в процессе его летной эксплуатации на фрагментах оборудования, функционально равнозначных их полномасштабному аналогу, в определенном режиме подключения к автономной системе электропитания, содержащей солнечные батареи, связанные с нагрузкой через преобразователь напряжения, аккумуляторные батареи, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи - к нагрузке, включающей в себя целевую аппаратуру, бортовую ЭВМ и другие служебные системы ИСЗ, причем в автономную систему электропитания введен модуль, содержащий фрагмент оборудования - терморегулирующую плиту с установленными на ней последовательно соединенными аккумуляторами, индивидуальные зарядный и разрядный преобразователи, связанные, соответственно, с солнечной батареей и нагрузкой автономной системы электропитания, а также с бортовой ЭВМ, при этом число аккумуляторов в модуле выбирается исходя из располагаемого избытка мощности солнечной батареи, собственных электротехнических характеристик модуля и энергопотребления в дежурном режиме ИСЗ.
Известные «Способ… и устройство…», патент №2123460, имеет ряд недостатков:
1) максимальное количество аккумуляторов в модуле ограничено наличием избыточной мощности солнечной батареи во время работы сеансной нагрузки. Ограничение количества аккумуляторов в ряде случаев не позволяет в полной мере оценить стабильность технологии производства аккумуляторов;
2) максимальное количество аккумуляторов в экспериментальной батарее также ограничено значением мощности нагрузки ИСЗ в дежурном режиме;
3) разряд аккумуляторов экспериментальной батареи производится постоянной мощностью, что не позволяет сравнить результаты ресурсных испытаний, проводимых в составе ИСЗ, с результатами ресурсных испытаний, проводимых в наземных условиях;
4) отсутствует возможность обеспечения требуемых для проверки работы аккумуляторов температурных условий, которые отличаются от условий, создаваемых системой терморегулирования конкретного ИСЗ.
В то же время ИСЗ, предназначенные, например, для телевизионных передач, в определенные промежутки времени (определяемые поясным временем) находятся в дежурном режиме, когда сеансная (целевая) аппаратура не включена, и имеющаяся в наличии мощность системы электропитания попросту не используется (работа сеансной нагрузки ИСЗ составляет в течение суток в среднем 40-60%). При этом наличие бортовой ЭВМ позволило бы гибко управлять проведением зарядов и разрядов аккумуляторов модуля в наиболее благоприятные периоды.
Путем введения в разрядную цепь модуля через переключатель дополнительного разрядного сопротивления исключалась бы зависимость количества аккумуляторов модуля от значения мощности дежурной нагрузки ИСЗ.
Кроме того, при помощи бортовой ЭВМ можно было бы поддерживать на необходимом уровне температурный режим аккумуляторов.
Целью предлагаемого изобретения является повышение функциональных возможностей ресурсных испытаний аккумуляторов в составе ИСЗ.
Поставленная задача решается тем, что зарядом и разрядом аккумуляторов управляют от бортовой ЭВМ, разряд аккумуляторов проводят стабилизированным током, а температурный режим аккумуляторов постоянно регулируют в процессе проведения их ресурсных испытаний. При этом индивидуальный разрядный преобразователь выполнен в виде стабилизатора тока, терморегулирующая плита содержит датчики температуры и нагреватели, и в модуль введено разрядное сопротивление, причем датчики температуры и нагреватели связаны с бортовой ЭВМ, а индивидуальный разрядный преобразователь своим выходом через переключатель дополнительно связан с разрядным сопротивлением.
Предлагаемое изобретение позволяет, используя реально существующий избыток мощности в автономной системе электропитания ИСЗ и его резерв по массе, решить задачу проведения ресурсных испытаний разрабатываемых аккумуляторных батарей ИСЗ непосредственно в реальных условиях в процессе эксплуатации существующих ИСЗ, что повышает достоверность испытаний и частично сокращает материальные затраты, т.к. исключает необходимость создания аппаратуры для воспроизведения летных условий.
На чертеже представлена функциональная схема автономной системы электропитания для реализации рассматриваемого способа.
Система содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через преобразователь напряжения 3 (в данном примере - последовательного типа), аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 - к нагрузке 2.
Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 7 и его схемы управления 8, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 9, транзисторах 10а, 10б и выпрямителя на диодах 11а и 11б.
Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 12, управляемого схемой управления 13. На чертеже разрядный преобразователь 6 подключен к нагрузке 2 через выходной фильтр последовательного преобразователя напряжения 3.
Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 14, управляемого схемой управления 15, входного фильтра - конденсатора 16 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 18 и конденсаторе 19.
Схемы управления преобразователями 8, 13, 15 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 8 регулирующего ключа 7 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с шунтом 20 в цепи заряда аккумуляторной батареи 4.
Нагрузка 2 в своем составе содержит целевую аппаратуру, бортовую ЭВМ 21, устройство телеметрии, командно-измерительную радиолинию.
Дополнительно в систему введен модуль 22. Модуль 22 состоит из терморегулирующей плиты 23 с установленными на ней последовательно соединенными аккумуляторами 24, индивидуального зарядного преобразователя 25, выполненного на регулирующем ключе 26, индивидуального разрядного преобразователя 27, выполненного на регулирующем ключе 28 и имеющего вольтодобавку 29, переключателя 30 и дополнительного разрядного сопротивления 31. Аккумуляторы 24 связаны через индивидуальный зарядный преобразователь 25 с нагрузкой 2, а через разрядный преобразователь 27, а также переключатель 30 - с нагрузкой 2 и дополнительным разрядным сопротивлением 31.
Схемы 32 и 33, предназначенные для управления регулирующими ключами, соответственно, 26 (индивидуального зарядного преобразователя 25) и 28 (индивидуального разрядного преобразователя 27), выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов и связаны с шунтом 34 в цепи аккумуляторов 24, а вольтодобавка 29 может быть выполнена аналогично вольтодобавочному узлу зарядного преобразователя 5.
Терморегулирующая плита 23 содержит температурные датчики 35 и нагреватели 36. Температурные датчики 35 и нагреватели 36 имеют информационную связь с нагрузкой 2.
Система работает следующим образом. При наличии мощности солнечной батареи 1, избыточной для питания нагрузки 2 и заряда аккумуляторной батареи 4, по команде из бортовой ЭВМ посредством схемы управления 32 включается индивидуальный зарядный преобразователь 25 и осуществляется заряд аккумуляторов 24. Индивидуальный зарядный преобразователь 25 отключается командой из бортовой ЭВМ по достижению необходимой в соответствии с определенными критериями степени заряженности аккумуляторов 24.
В случае, если мощность разряда аккумуляторов 24 превышает мощность нагрузки 2, может быть осуществлен их разряд на дополнительно введенное разрядное сопротивление 31, связанное с индивидуальным разрядным преобразователем 27 через переключатель 30. В противном случае (при работе целевой аппаратуры) возможен разряд аккумуляторов 24 на нагрузку 2 ИСЗ. Разряд начинается и заканчивается по командам из бортовой ЭВМ посредством схемы управления 33.
Помимо включения и выключения в необходимые моменты времени индивидуальных зарядного 25 и разрядного 27 преобразователей модуля 22, контроля параметров аккумуляторов 24, выбора нагрузки (нагрузки 2 ИСЗ или разрядного сопротивления 31) в процессе работы системы электропитания по своему основному функциональному назначению из бортовой ЭВМ производятся контроль температуры терморегулирующей плиты 23 при помощи температурных датчиков 35 и управление работой нагревателей 36, регулирование уставок зарядного и разрядного токов для обеспечения требуемых режима и алгоритма циклирования аккумуляторов 24.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить достоверность результатов ресурсных испытаний, сократив при этом материальные затраты на их проведение, и расширить функциональные и энергетические возможности автономной системы электропитания ИСЗ.
Изготовлен опытный образец рассматриваемого модуля, испытания которого в составе автономной системы электропитания ИСЗ дали положительные результаты.