СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА И АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF NICKEL-HYDROGEN BATTERY OPERATION IN INDEPENDENT POWER SUPPLY SYSTEM OF SPACECRAFT AND INDEPENDENT POWER SUPPLY SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Заявляемая группа изобретений относится к электротехнической промышленности и может быть использована при создании и эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей и автономных систем электропитания космических аппаратов (КА).
При эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в составе КА основная работа приходится на период теневых орбит. В остальное время на солнечных орбитах, за исключением моментов, когда мощности солнечной батареи недостаточно для обеспечения потребления нагрузки, аккумуляторная батарея работает в режиме хранения с периодическими дозарядами для компенсации саморазряда.
Основной причиной снижения емкостных характеристик никель-водородных аккумуляторных батарей является разбаланс аккумуляторов по емкости в процессе ее эксплуатации. Это обусловлено объективной разницей в величине токов саморазряда отдельных аккумуляторов. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи ее заряд ограничивают наиболее заряженные аккумуляторы, а разряд - наименее заряженные аккумуляторы. Следовательно, чем больше степень разбаланса аккумуляторов по емкости, тем ниже эффективная емкость аккумуляторной батареи.
Учитывая, что величина тока саморазряда увеличивается в зависимости от степени заряженности аккумулятора, важно правильно выбрать степень заряженности управляющих аккумуляторов для ограничения заряда (дозаряда) аккумуляторной батареи.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (патент №2294580, RU), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по аналоговым датчикам давления, установленным на отдельных аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии и проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, при этом аналоговые датчики давления устанавливают на аккумуляторах, находящихся в наиболее теплонапряженных условиях, а включение и отключение дозаряда проводят из условия обеспечения нахождения установившегося тока саморазряда аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления равным определенной величине, принятый за прототип.
Известный способ, базируясь на скорости саморазряда управляющих аккумуляторов, позволяет достичь практически максимально возможной степени выравнивания аккумуляторов в аккумуляторной батарее по емкости и, следовательно, максимальной степени заряженности аккумуляторной батареи в целом.
Недостатком известного способа является то, что для достижения высокой степени выравнивания аккумуляторов в аккумуляторной батарее по емкости проводится заряд управляющих аккумуляторов до более высокого уровня, что повышает их среднюю рабочую температуру и отрицательно влияет на их ресурсные характеристики.
Кроме того, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи ее «температурное поле» может измениться (например, при отказе одного из аккумуляторов, что допускается), и управляющий аккумулятор может выйти из требования «находящихся в наиболее теплонапряженных условиях». Это приведет к снижению эффективности эксплуатации аккумуляторной батареи.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата (патант №2331954, RU), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по датчикам давления, установленным на управляющих аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии, проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, контроле токов саморазряда управляющих аккумуляторов и регулировании величины этих токов посредством изменения уставок датчиков давления, отличающийся тем, что регулирование величины токов саморазряда управляющих аккумуляторов дополнительно проводят с помощью внешней разрядной цепи.
В процессе изготовления аккумуляторной батареи управляющие аккумуляторы проходят более тщательный отбор по своим характеристикам (включая токи саморазряда) на предмет их идентичности. Известный способ предполагает различие в температурных условиях управляющих аккумуляторов в процессе их эксплуатации (что объективно) и предлагает компенсировать влияние этого различия путем разряда аккумуляторов на дополнительную внешнюю цепь по определенному алгоритму.
Это позволяет более эффективно эксплуатировать аккумуляторную батарею. Однако, так как борьба с разбалансом управляющих аккумуляторов ведется уже после возникновения такового, эффективность его недостаточна, что является недостатком известного способа,
Известна автономная система электропитания космического аппарата, описанная в материалах патента RU №2334337, принятая за прототип. Известная автономная система электропитания КА содержит солнечную батарею, подключенную к нагрузке через преобразователь напряжения, аккумуляторные батареи, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи к входу выходного фильтра преобразователя напряжения. При этом нагрузка в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию. Параллельно аккумуляторным батареям подключены устройства контроля аккумуляторных батарей, связанные входом с аккумуляторными батареями для контроля напряжения, давления и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой.
Недостатком известной автономной системы электропитания является то, что она не предусматривает средств управления токами саморазряда управляющих аккумуляторов.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.
Поставленная задача решается тем, что при эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата, заключающейся в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по датчикам давления, установленным на управляющих аккумуляторах аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии, проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, контроле токов саморазряда управляющих аккумуляторов и регулировании величины этих токов посредством изменения уставок датчиков давления, регулирование величины токов саморазряда управляющих аккумуляторов дополнительно проводят с помощью электронагревателей, установленных на управляющих аккумуляторах, кроме того, питание электронагревателей коммутируют управляемыми коммутаторами, при этом дополнительно контролируют текущие температуры управляющих аккумуляторов, а замыкание и размыкание управляющих коммутаторов проводят в зависимости от этих температур для достижения их равенства и повышения текущей величины, при необходимости. Для реализации этого в автономной системе электропитания космического аппарата, содержащей первичный источник электроэнергии, аккумуляторные батареи, зарядные и разрядные преобразователи, устройства контроля аккумуляторных батарей и нагрузку, в аккумуляторные батареи дополнительно введены электронагреватели для управляющих аккумуляторов, в цепях питания которых установлены управляемые коммутаторы связанные с нагрузкой.
В процессе проведения заряд-разрядных циклов или периодических дозарядов аккумуляторной батареи токи саморазряда всех аккумуляторов приходят к единой величине (установившемуся значению). Это происходит автоматически - каждый аккумулятор выходит на уровень заряженности, при котором его ток саморазряда сравнивается с током саморазряда управляющего аккумулятора. Соответственно аккумулятор, имеющий объективно наибольший саморазряд, выйдет на установившийся наименьший уровень заряженности.
Абсолютно одинаковые аккумуляторы, но находящиеся в разных температурных условиях, также приводят к разбалансу по емкости, если в качестве управляющего аккумулятора будет выбран более холодный аккумулятор. Переход на управление зарядом от аккумулятора с повышением верхней уставки уменьшает риск разбаланса, но может стать причиной повышенного тепловыделения аккумулятора, что тоже нежелательно.
Отрицательный эффект разброса токов саморазряда компенсируется, если управляющие аккумуляторы находятся в одинаковых температурных условиях и в самых теплых секторах конструкции батареи, что гарантирует величину тока саморазряда этих аккумуляторов больше токов саморазряда остальных аккумуляторов и препятствует появлению разбаланса аккумуляторов при эксплуатации аккумуляторной батареи.
Создать реально одинаковые температурные условия для управляющих аккумуляторов возможно только с использованием дополнительных средств, в частности с использованием электронагревателей, подключенных к электропитанию через управляемые коммутаторы, связанные с нагрузкой КА (бортовой ЭВМ). При этом замыкание и размыкание управляющих коммутаторов проводят в зависимости от температуры конкретного управляющего аккумулятора для достижения равенства температуры всех управляющих аккумуляторов, а также повышения текущей величины температуры, при необходимости.
Суть предлагаемого способа поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена функциональная схема автономной системы электропитания КА (с одной аккумуляторной батареей из n аккумуляторов соединенных последовательно, из которых k аккумуляторов - управляющие) для реализации заявляемого способа.
Автономная система электропитания КА 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. Аккумуляторная батарея 4 содержит в своем составе последовательно соединенные аккумуляторы 4-1/1-4-1/n, электронагреватели 4-2/1-4-2/k, каждый из которых подключен к шинам аккумуляторной батареи через управляемый коммутатор 4-3/1-4-3/k соответственно.
Нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на чертеже не показано).
Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторных батарей 7, связанное с аккумуляторной батареей 4 (для контроля напряжения и температуры аккумуляторов 4-1) и с нагрузкой 2.
В цепи заряда-разряда аккумуляторной батарей установлен измерительный шунт 8.
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 - зарядного преобразователя 5, 12 - разрядного преобразователя 6, и 14 - 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 основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения 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 и температуру аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции.
В бортовой ЭВМ обрабатываются данные по текущему значению температуры управляющих аккумуляторов 4-1 аккумуляторной батареи 4. Выбирают управляющий аккумулятор с наибольшей температурой, а на остальных управляющих аккумуляторах включают электронагреватели 4-2 (4-2/1-4-2/k) через управляемые коммутаторы 4-3 (4-3/1-4-3/k). При достижении температуры каждого из этих управляющих аккумуляторов величины выбранного управляющего аккумулятора соответствующий нагреватель выключают. Процесс контролируется и управляется по программе бортовой ЭВМ. При необходимости температура «выбранного» управляющего аккумулятора может быть так же повышена до нужного уровня.
По результатам анализа телеметрических данных, при необходимости, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию алгоритмы управления электронагревателями могут корректироваться.
Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания КА и автономная система электропитания для его реализации позволяют обеспечить температуру управляющих аккумуляторов на одном (комфортном) уровне, что повышает эффективность использования и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.