Управление режимом работы никель-водородных аккумуляторных батарей с большим количеством аккумуляторов в составе геостационарных космических аппаратов

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ РАБОТЫ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ С БОЛЬШИМ КОЛИЧЕСТВОМ АККУМУЛЯТОРОВ В СОСТАВЕ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ

КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Рассмотрены особенности эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей на геостационарной орбите, а также результаты эмпирического поиска алгоритмов управления НВАБ. Приведены результаты исследования достаточного количества управляющих аккумуляторов и описаны разработанные процедуры управления НВАБ с большим количеством аккумуляторов.

Стремительное развитие телекоммуникаций требует передачи все больших объемов информации на большие расстояния. Это в свою очередь требует создания более мощных спутников связи с длительным сроком службы.

Одним из элементов системы питания, определяющих срок службы и мощность спутника является аккумуляторная батарея. В настоящее время никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ), благодаря высокой удельной энергии, практически неограниченному сроку эксплуатации и высокой эксплуатационной надежности прочно завоевали место химических источников тока для космических программ разработки ОАО «ИСС». Эксплуатационная надежность НВАБ обеспечивается за счет простоты и устойчивости алгоритмов управления зарядом, а также за счет конструкции НВ-аккумулятора (НВА) разработки ОАО «Сатурн», который, имея замкнутые кислородно-водородные циклы, практически безопасен при перезаряде и переразряде при гарантированном отводе тепла.

Так, серия КА с мощностью СЭП 4200 Вт и напряжением на шине питания 40 В была создана с использованием НВАБ типа 40НВ-70 (40 аккумуляторов номинальной емкостью 70 А-ч). Однако, применение шины питания с напряжением 40 В является неэффективным с точки зрения массы и КПД СЭП в случаях создания спутников: 1) с мощностью СЭП 5 кВт и более; 2) с небольшой массой.

В таких случаях рациональнее использовать шину питания с более высоким напряжением, для чего необходимы аккумуляторные батареи с большим количеством аккумуляторов. Поэтому, для создания спутников связи с мощностью СЭП 2,5 кВт и массой до 1 000 кг применена шина питания с напряжением 100 В и НВАБ типа 60НВ-40 (60 аккумуляторов номинальной емкостью 40 А-ч).

Опыт эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей с 40 аккумуляторами с применением сигнальных датчиков давления показал, что из-за несоответствия температурного режима функционирования батареи в составе КА температурному режиму, при котором происходит настройка сигнальных датчиков, могут иметь место такие негативные явления, как температурный градиент и разбаланс аккумуляторов по емкости, которые существенно ограничивают энергетические возможности и срок службы НВАБ. В результате снижается эксплуатационная надежность обеспечения работы модуля полезной нагрузки на теневых участках орбиты.

С увеличением количества аккумуляторов в батарее также увеличивается вероятность возникновения

вышеуказанных аномалий. Поэтому встал вопрос о применимости имеющихся процедур управления к НВАБ с количеством аккумуляторов до 60 штук и выбор достаточного количества управляющих аккумуляторов для поддержания энерго-емкостных характеристик АБ в течение срока эксплуатации.

Основные аномалии, возникающие в никель-водородной аккумуляторной батарее. Герметичный никель-водородный аккумулятор работает следующим образом: при заряде на водородном электроде (ВЭ) выделяется водород, при этом давление водорода в аккумуляторе пропорционально степени заряженно-сти; при разряде на водородном электроде ионизируется водород, поступающий из газовой фазы.

Стабильность (неразрушаемость при перезаряде-переразряде) НВА обеспечивается замкнутыми кислородным и водородным циклами, что является особенностью электрохимической системы. Благодаря этой особенности давление внутри аккумулятора стабилизируется и возможность разрушения исключается.

Замкнутый кислородный цикл осуществляется следующим образом. При перезаряде на окисно-никелевом электроде (ОНЭ) выделяется кислород и накапливается в газовом пространстве аккумулятора. В момент, когда парциальное давление кислорода обеспечит скорость его ионизации на ВЭ, рост давления в аккумуляторе прекращается. Система приходит в стационарное состояние, при котором устанавливается стационарная теплопередача.

Замкнутый водородный цикл при переразряде осуществляется при наличии остаточного давления водорода следующим образом: выделяющийся на ОНЭ водород поглощается на ВЭ.

При ограниченном теплоотводе при перезаряде возможно возникновение «теплового разгона». Тепловыделение повышается после заряда выше 80 % номинальной емкости (Сном) и особенно - при температуре более 25 °С. Это обусловлено выделением кислорода из ОНЭ и его дальнейшей реакцией с водородом (экзотермическая реакция). Чем выше температура и степень заряженности АБ, тем выше тепловыделение и тем выше скорость реакции кислорода с водородом, то есть процесс идет с положительной обратной связью, и батарея начинает работать в неблагоприятных температурных условиях.

Также, при эксплуатации НВАБ возможно возникновение температурного градиента, который представляет собой радиальную или осевую разницу температур внутри аккумулятора. Причиной возникновения температурного градиента является переход на управление зарядом от аккумуляторов с существенно более высоким током саморазряда. В результате ряд

аккумуляторов НВАБ, имеющих меньший ток саморазряда по сравнению с управляющими аккумуляторами1, попадают в режим перезаряда. При этом наблюдается повышение тепловыделения аккумуляторов при хранении в заряженном состоянии на солнечном участке орбиты.

Как правило, у аккумуляторов, в которых зафиксирован радиальный температурный градиент, часть корпуса находится в тесном контакте с конструкцией системы охлаждения, что в сочетании с повышенным тепловыделением в процессе хранения на солнечных участках орбиты, приводит к его возникновению. Время появления градиента составляет ~4,5 месяца.

Температурный градиент выражается понижением разрядного напряжения аккумуляторов. Объясняется это тем, что из электролита в центральной области активной массы, испаряется вода (в более холодные граничные области), повышается концентрация электролита и, как следствие, внутреннее сопротивление аккумулятора.

Важнейшей характеристикой никель-водородного аккумулятора является ток саморазряда. Ток саморазряда НВ-аккумулятора - это функция степени заря-женности и температуры (в упрощенном варианте). Кривые тока саморазряда при различных температурах приведены на рис. 1: чем выше температура аккумулятора, тем больше ток саморазряда.

Аккумуляторы в АБ имеют значительный разброс по токам саморазряда, который обусловлен разницей в активной массе электродов и температурой отдельных аккумуляторов. Это дополнительный существенный фактор разбаланса аккумуляторов по емкости.

Проведем эмпирический поиск алгоритмов управления режимами АБ. С вышеуказанными аномалиями

НВАБ мы столкнулись при штатной эксплуатации батарей 40НВ-70 на геостационарной орбите.

Схематичное поведение давления в 4-х никель-водородных аккумуляторах как в процессе хранения в заряженном состоянии, так и в процессе заряд-разрядных циклов на теневых орбитах представлено на рис. 2. Управление происходило по сигнальным датчикам давления.

Как видно из приведенного графика, уровень давления в управляющих аккумуляторах постоянный, что свидетельствует об их стабильном состоянии. Однако на одном из двух других аккумуляторов наблюдается постепенное снижение давления водорода. Учитывая, что давление водорода пропорционально степени за-ряженности аккумулятора, был сделан вывод, что в батарее возник постепенно нарастающий разбаланс аккумуляторов. После перехода на управление зарядом от аккумуляторов с повышенными (резервными) уставками окончания заряда на солнечных участках орбиты снижение емкости прекратилось при сохранении величины разбаланса. Тем не менее, при прохождении теневых участков орбиты в процессе заряд -разрядных циклов процесс нарастания разбаланса возобновился, а с окончанием теневых участков величина разбаланса стабилизировалась, но уже на новом уровне.

Поскольку возможности аппаратного управления зарядом в части дальнейшего повышения уровня уставок были исчерпаны, было принято решение о переходе на управление зарядом от программного обеспечения по показаниям аналоговых датчиков давления. При этом управляющими стали аккумуляторы, в которых было зафиксировано наибольшее отклонение по емкости от средней по АБ. После этого процесс разба-лансирования аккумуляторов остановился.

Рис. 1. Зависимость тока саморазряда от степени заряженности и температуры

1 Управляющими называются аккумуляторы, на которых установлены сигнальные или аналоговые датчики давления.

Рис. 2. Поведение давление 4-х управляющих аккумуляторов НВАБ 40НВ-70

Комплект НВ АБ 40НВ-70 успешно прошел весенний сезон теневых участков орбиты, однако на очередных осенних теневых участках были зафиксированы 5 аккумуляторов, разрядное напряжение которых составило около 1...1,05 В, в то время как остальные имели напряжение около 1,25 В. Как указано в [1], причиной пониженного разрядного напряжения этих аккумуляторов явилось возникновение температурного радиального градиента. Была разработана программа устранения последствий температурного градиента. Суть программы заключалась в глубоком доразря-де НВАБ до напряжения, при котором давление водорода внутри аккумуляторов было близко к нулю. Хранение НВ АБ в этом состоянии способствовало воз -вращению воды в электродный блок, что привело к восстановлению разрядного напряжения аккумуляторов.

Таким образом, опыт эксплуатации НВ АБ с сигнальными датчиками давления на геостационарной орбите показал, что могут иметь место такие негативные явления, как температурный градиент и разбаланс аккумуляторов по емкости, которые существенно ограничивают энергетические возможности и срок эксплуатации НВ АБ.

Очевидно, что увеличение количества аккумуляторов в АБ повышает вероятность возникновения разбаланса по емкости. Поэтому, для батарей с большим количеством аккумуляторов появилась необходимость оценить достаточность количества управляющих аккумуляторов для обеспечения энерго-емкостных характеристик НВАБ с учетом теплового режима работы батареи.

Исследование достаточного количества управляющих аккумуляторов потребовало моделирования режимов хранения и разряда НВАБ 60НВ-40 с использованием адаптированной математической модели НВАБ, приведенной в [2]. Так как НВАБ 60НВ-40 со-

стоит из двух равнозначных блоков, состоящих из 30 аккумуляторов, то моделирование проводилось для отдельного блока 30НВ-40.

При управлении зарядом по показаниям УКЗА с помощью бортового программного обеспечения сигнал на отключение или включение формируется путем сравнения среднеарифметического значения показаний УКЗА с заложенными программными уставками верхнего и нижнего давления (емкости). При достижении аккумулятором емкости равной или больше уровня верхней уставки заряд прекращается. Заряд начинается при снижении емкости до уровня нижней уставки.

Фактически такой способ формирования управляющих воздействий поддерживает заряженность только управляющих аккумуляторов в блоке. Заряженность остальных аккумуляторов, из-за разницы в токах саморазряда, обусловленных технологическим разбросом параметров электродного блока, разницы в исходных емкостях отдельных аккумуляторов при комплектации НВАБ и различных тепловых условий, может существенно отличаться от заряженности управляющих аккумуляторов.

Разница исходных емкостей аккумуляторов может достигать 6 %. В качестве емкостного критерия используется коэффициент корреляции между усредненной емкостью по показаниям УКЗА и средней емкостью всей батареи. Чем меньше отличие указанного коэффициента от единицы, тем точнее среднее арифметическое показаний УКЗА описывает среднюю ем -кость батареи.

Исследование проводилось путем моделирования параметров батареи в режиме хранения в заряженном состоянии в течение трех суток с последующим раз -рядом током 30 А в течение 70 мин. Вариациям подвергались разброс исходных емкостей аккумуляторов и количество управляющих аккумуляторов. Были про-

ведены расчеты с вариантами исходных данных, представленных в таблице.

Остальные параметры модели соответствовали следующим значениям:

- начальная емкость аккумуляторов - 30 А-ч;

- уставки по емкости ДН/ДВ - 28/32 А-ч, разница между управляющими и остальными аккумуляторами в батарее составляла 3 °С, кроме варианта 8, в котором эта разница отсутствует.

Варианты исходных данных

Проведенные расчеты показывают, что при 6 % разбросе емкостей аккумуляторов и использовании соотношения управляющих аккумуляторов в диапазоне 0,1..0,17, вместо 0,03...0,1, коэффициент корреляции на 0,000 897 выше. Следовательно, точность описания средней емкости батареи тоже выше. Но в то же время, при увеличении количества управляющих аккумуляторов в два раза, коэффициент корреляции уменьшается на 0,000 004, что свидетельствует о неэффективности увеличения аккумуляторов с УКЗА. То же наблюдается и при 12 % разбросе емкостей аккумуляторов.

Результат расчета по варианту 7 говорит о том, что при отсутствии разброса емкостей, но при наличии разницы температур управляющих и остальных аккумуляторов в батарее, среднее арифметическое показаний УКЗА будет недостаточно адекватно описывать заряженность батареи.

Расчет по варианту 8 показывает, что при равных температурах управляющих и остальных аккумуляторов в батарее соответствие средней емкости батареи среднеарифметическому значению показаний УКЗА близко использованию в два раза большего количества управляющих аккумуляторов.

Варианты 7 и 8 в совокупности показывают, что обеспечение одинаковых тепловых условий для всех аккумуляторов в батарее является одним из факторов устранения разбаланса по емкости.

Рассмотрим процедуры управления НВАБ с большим количеством аккумуляторов. Опыт создания полетного комплекса процедур для НВ АБ 40НВ-70 требовал теоретического истолкования, объясняющего внутренние причины аномального поведения аккумуляторов, приводящего к разбалансу аккумуляторов по емкости. Знание этих процессов позволило бы создать новые способы заряда НВ АБ с большим числом ак-

кумуляторов, исключающие появление негативных явлений и повысить надежность эксплуатации.

Экспериментально установлено, что оптимальное количество аккумуляторов с аналоговыми датчиками давления удовлетворяет соотношению: М/Ы = 0,07 ... 0,14, где М - количество аккумуляторов с УКЗА; N - количество аккумуляторов в НВ АБ.

С точки зрения длительного хранения в заряженном состоянии необходимо обеспечивать минимальное тепловыделение аккумуляторов, что исключает возможность возникновения температурного градиента. Этому условию удовлетворяет эксплуатация аккумуляторов на пологой ветви графика тока саморазряда. При этом рабочая емкость батареи может быть меньше требуемой для прохождения теневого участка Земли максимальной длительности.

При переходе к заряд-разрядным циклам на теневых участках орбиты для повышения рабочей емкости, достаточной для прохождения теневых участков Земли, среднеарифметические значения уставок поднимают до уровня, соответствующего эксплуатации аккумуляторов на вертикальном участке графика зависимости тока саморазряда от степени заряженности.

Отличительным признаком такого управления является то, что закон управления зарядом носит не дискретный, а непрерывный (аналоговый) характер, что позволяет учитывать любые нюансы поведения аккумуляторов, что невозможно при дискретном характере изменения уставок. При этом, несмотря на более высокое тепловыделение, риск теплового разгона и возникновения температурного градиента исключаются за счет того, что значения верхних уставок не превышают (60...80) % Сном, а сам заряд-разрядный цикл никель-водородных батарей есть чередование экзотермических реакций с выделением тепла на разряде и эндотермических - с поглощением тепла в первой фазе заряда. Таким образом, в режиме заряд-разрядных циклов обеспечиваются условия для более высокого заряда без возникновения температурного градиента. На данное техническое решение оформлена заявка на изобретение № 2005122357 [3].

Для решения проблемы повышенного тепловыделения при достижении 80 % степени заряженности предложено производить заряд НВАБ в два этапа. На первом этапе проводят заряд постоянным током на величину (0,6...0,8)Сном до начала интенсивного тепловыделения, а на втором этапе проводят дозаряд НВ АБ импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов.

В процессе эксплуатации НВАБ 40НВ-70 была проанализирована эффективность усовершенствованного способа дозаряда НВ АБ импульсным током в реальных условиях, в частности температура НВ АБ. В результате анализа выявлено, что он не учитывает температурные условия эксплуатации НВ АБ. В связи с этим, способ заряда с импульсным дозарядом был модернизирован с учетом температуры посадочного места АБ. На данное техническое решение подана заявка на изобретение № 2005132149 [4].

Вариант расчета Разброс по емкости, % Соотношение управляющих аккумуляторов к общему количеству Полученный коэффициент корреляции

1 6 0,03...0,1 0,998 014

2 12 0,03...0,1 0,998 110

3 6 0,1...0,17 0,998 911

4 12 0,1...0,17 0,999 051

5 6 0,17...0,25 0,998 907

6 12 0,17...0,25 0,999 020

7 0 0,1...0,17 0,997 904

8 6 0,1...0,17 0,998 879

Особый интерес вызывает организация доразряда батареи, которая первоначально ограничивалась напряжением 0,5 В на любом аккумуляторе, что не позволяло устранить разбаланс аккумуляторов.

В процессе разряда НВ АБ при появлении в аккумуляторе кислорода (при полном отсутствии водорода) происходит его накапливание и в случае последующего активного заряда аккумуляторной батареи и интенсивного выделения водорода в аккумуляторе могут образоваться локальные зоны с взрывоопасной смесью. Образование таких зон приводит к микровзрывам, а микровзрывы - к внутренним шунтам в аккумуляторе. Поэтому величину переполюсовки аккумулятора, а, следовательно, величину накопленного кислорода, необходимо ограничить.

После специальных экспериментальных исследований доразряд НВ АБ стали ограничивать величиной напряжения и величиной разрядной емкости, полученной после достижения любым из аккумуляторов напряжения менее нуля, при которых аккумуляторы гарантированно не попадает в ситуацию, приводящую к микровзрывам. Таким образом, основным назначением доразряда по минимальному напряжению аккумуляторов является полное выравнивание по емкости и улучшением структуры активной массы аккумуляторов. По данному техническому решению оформлена заявка на изобретение № 2005106016 [5].

В итоге, разработанные алгоритмы управления для НВ АБ с большим числом аккумуляторов, включают в себя:

- режим хранения НВ АБ в заряженном состоянии на солнечных орбитах с функционированием по программными уставками давления;

- подготовку (профилактику) НВ АБ к прохождению теневых орбит, которая проводится непосредственно перед сезоном теневых орбит и состоит:

- из суточного импульсного заряда НВ АБ;

- глубокого доразряда НВ АБ;

- заряда до верхней программной уставки давления;

- прохождение теневых орбит, осуществляемое при управлении зарядом батарей по программным уставкам давления с обеспечением максимальной сте-

пени заряженности НВ АБ на период максимальных длительностей теней при максимальной нагрузке с помощью импульсного заряда НВ АБ;

В результате исследований сделаны следующие выводы:

1. Для контроля степени заряженности батареи типа 60НВ-40 достаточно выбрать количество управляющих аккумуляторов из диапазона соотношения 0,07...0,14. Дальнейшее увеличение количества УКЗА не ведет к существенному росту соответствия их показаний средней емкости батареи.

2. На основе комплекса процедур управления НВАБ 40НВ-70 разработаны алгоритмы управления батареями с большим количеством аккумуляторов, которые обеспечивает поддержание энерго-емкостных характеристик НВАБ в течение САС не менее 15 лет.

Библиографический список

1. Влияние температуры заряда на характеристики НВА в АБ 14МО58 (28НВ-50) : техн. справка ; исполн. : Галкин В. В., Лихоносов С. Д., Лапшин В. Ю., Кулыга В. П. ОАО «Сатурн», 2002.

2. Мощностные и емкостные характеристики комплекта аккумуляторных батарей ЖЦПИ. 563.533.012 ТУ и методы их реализации в составе КА «Экспресс-АМ». Разработка оптимальных алгоритмов управления зарядом батарей : техн. отчет; исполн. : Галкин В. В., Хартов В. В., Корчагин Е. Н., Достова-лов А. В. и др. ФГУП НПО ПМ ; ОАО «Сатурн», 2002.

3. Способ эксплуатации никель-водородной батареи в автономной системе питания геостационарного искусственного спутника Земли и аккумуляторная батарея для его реализации : заявка на изобретение № 2005122357.

4. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе геостационарного искусственного спутника земли : заявка на изобретение № 2005132149.

5. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи : заявка на изобретение № 2005106016.

M. Y. Sakhnov

CONTROL PROCEDURES OF NYCKEL-HYDROGEN STORAGE BATTERIES WITH MANY NUMBERS OF CELLS IN STRUCTURE OF GEOSTATIONARY

SPACE VEHICLES

Operation features of nyckel-hydrogen (NH) storage batteries on a geostationary orbit and empirical research results of NH storage batteries control procedures are considered. The research of enough number of control accumulators is resulted and the developed control procedures of NH storage batteries with many numbers of cells are described.