СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD FOR OPERATION OF NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATOR BATTERIES OF SPACECRAFT POWER SUPPLY SYSTEM

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), функционирующих на низкой околоземной орбите.
В процессе всего активного срока существования современных КА на низкой околоземной орбите производится 10000 и более зарядно-разрядных циклов АБ, и подобный режим работы СЭП лучше всего обеспечивают никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ).
Особенностью НВАБ является то, что все последовательно соединенные аккумуляторы заряжаются и разряжаются одним и тем же количеством электрического заряда (А·ч). В идеальном случае, если начальное состояние аккумуляторов одинаково, не должно быть никаких изменений в их относительных степенях заряженности. Однако вследствие разницы в скорости саморазряда последовательно соединенные аккумуляторы приобретают различное состояние заряженности. Любое отклонение, вызванное дисперсией начальных характеристик саморазряда, градиентом температур внутри НВАБ и процессом старения, может увеличить разброс в степенях заряженности аккумуляторов, что приводит к деградации характеристик НВАБ, и более того, при отсутствии систем балансировки состояния заряда может привести к снижению надежности работы НВАБ. Существует еще так называемый «эффект памяти», связанный с уменьшением емкости НВАБ при длительном циклировании на небольшую глубину - (10-20)%. Именно такая глубина циклирования выбирается при эксплуатации АБ на низких околоземных орбитах (B.C.Багоцкий, A.M.Скундин. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981). Поэтому для выравнивания аккумуляторов по емкости, устранения так называемого «эффекта памяти» и оценки состояния АБ необходимо периодически проводить восстановительные (формовочные) циклы, которые представляют собой практически полный разряд и заряд АБ.
Известен способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей по патенту №2084055, МПК Н01М 10/44 (аналог), согласно которому заряд НВАБ ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанной на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов. При этом обеспечивается заряд аккумуляторной батареи до уровня (60-80)% от номинальной емкости.
Недостатком этого способа является низкая надежность эксплуатации системы электропитания, так как для АБ не предусмотрены формовочные циклы, а из-за разбаланса аккумуляторов по емкости реальная емкость АБ определяется аккумулятором с наименьшей емкостью, что в конечном итоге и снижает надежность эксплуатации АБ.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи по патенту РФ №2289178, заключающийся в том, что проводят зарядно-разрядные циклы, осуществляют контроль напряжения каждого аккумулятора и батареи в целом, определяют текущую разрядную и зарядную емкости, а также ток заряда, заряд АБ проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости. Перед началом теневых участков геостационарной орбиты выполняют восстановительный разрядно-зарядный цикл АБ, при этом АБ разряжают на разрядное сопротивление в течение 40-50 часов, причем заряд прекращают после снижения напряжения АБ до заданной величины, затем АБ заряжают, подключая ее в штатную схему СЭП.
Недостатком этого способа является также низкая надежность эксплуатации СЭП в частности и недостаточная живучесть КА в целом. Это связано с тем, что процесс проведения восстановительного разряд-заряда (формовочного цикла) занимает длительное время, и на это время аккумуляторная батарея выводится из эксплуатации. Для геостационарных орбит это приемлемо, т.к. теневые орбиты занимают 90 суток в году, все остальное время КА находится на освещенном участке орбиты, электропитание осуществляется от солнечных батарей и вывод из эксплуатации одной АБ на длительное время не сказывается на живучести и надежности эксплуатации КА. Для низкоорбитальных космических аппаратов вывод из эксплуатации одной из батарей на длительное время может существенно снизить живучесть и надежность эксплуатации АБ в частности и КА в целом, т.к. теневые участки орбиты (возникают) каждые полтора часа.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи и живучести КА.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата, заключающемся в циклировании двух или более аккумуляторных батарей в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, ограничении степени заряда аккумуляторных батарей по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой аккумуляторной батареи, контролировании параметров каждой аккумуляторной батареи, например текущей электрической емкости, напряжения, температуры, периодическом проведении формовочных циклов АБ путем глубокого их разряда, оценивании состояния АБ, один раз в 6-9 месяцев вводят запрет заряда для одной из АБ, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают равным числу n либо (n+1) аккумуляторов в аккумуляторной батарее, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, включая тем самым ее в штатную работу, значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла, используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, при этом промежуток времени от завершения формовочного цикла одной АБ до начала формовочного цикла другой АБ выбирают исходя из температурного режима отформованной АБ.
На фиг.1 показаны идеализированные циклограммы изменения текущей емкости для формуемой АБ (1) и АБ, функционирующей штатно (2). Формуемая АБ циклично разряжается, достигая в конечном итоге состояния глубокого разряда; затем она заряжается в зависимости от освещенности солнечной батареи и потребляемой бортовой аппаратурой нагрузки. Функционирующая штатно АБ имеет периодически изменяющуюся циклограмму.
На фиг.2 показана упрощенная блок-схема работы СЭП, в том числе и в процессе проведения формовочного цикла АБ.
Система электропитания 1 состоит из аккумуляторных батарей 2, оснащенных сигнальными датчиками давления для отключения АБ от заряда, батареи фотоэлектрической (БФ) 3, комплекса автоматики и регулирования напряжения (КАС), включающего в себя разрядные устройства (РУ) 4, зарядные устройства (ЗУ) 5, стабилизатора напряжения и автоматики (СНА) 6. Бортовая аппаратура (БА) 7 может быть запитана от РУ 4 или СНА 6. В отдельных режимах работы СЭП РУ 4 и СНА 6 могут функционировать совместно на нагрузку, каковой является БА 7. Из бортового комплекса управления (БКУ) 8 можно при необходимости выдавать разовые команды (РК) для изменения режимов работы СЭП, в том числе такие РК, как «Запрет заряда АБ», «Снятие запрета заряда АБ». При штатной работе СЭП аккумуляторные батареи 2 заряжаются на световом участке орбиты КА, а на теневом участке АБ 2 питают БА 7 стабилизированным РУ 4 напряжением. Батарея фотоэлектрическая 3 на световом участке обеспечивает стабилизированным СНА 6 напряжением БА 7 и одновременно заряжает АБ 2. Номинальное напряжение на выходе СЭП составляет 28,5 В.
Так как существенная разбежка параметров аккумуляторов АБ 2 происходит через 6-9 месяцев, то периодичность проведения формовочных циклов выбирается один раз в 6-9 месяцев. При этом конкретный срок их проведения в пределах 6-9 месяцев может быть установлен исходя из других требований, например в период минимальных длительностей теневых участков орбиты КА и т.д.
Формовочные циклы проводят по очереди на одной из АБ 2 в произвольном порядке. За сутки до проведения формовочного цикла при штатной работе системы электропитания 1 осуществляют съем информации (на фиг.2 система телеметрического контроля КА не показана) о работе формуемой АБ (максимальное напряжение на заряде, минимальное напряжение при разряде, максимальную текущую емкость АБ при срабатывании датчика давления, максимальную температуру АБ).
Вводят запрет заряда АБ путем выдачи с Земли (через БКУ 8) РК «Запрет заряда АБ». В этом случае происходит разряд формуемой АБ на нагрузку (на бортовую аппаратуру 7) на теневых участках орбиты. Таким образом, запасенную в АБ энергию используют по прямому назначению. Разряд формуемой АБ происходит циклично (фиг.1), так как действие РК «Запрет заряда АБ» не снимается до достижения напряжения на АБ, равного n либо (n+1) В, где n - количество аккумуляторов в АБ. В этом случае происходит полное выравнивание характеристик аккумуляторов формуемой АБ. Так, для современных низкоорбитальных КА применяют никель-водородные АБ типа 28НВ-70, в которых количество аккумуляторов составляет 28 штук. На практике эти АБ разряжают при проведении формовочных циклов до 29 В.
После выполнения необходимого глубокого разряда запрет заряда АБ снимают путем выдачи РК «Снятие запрета заряда АБ» и формуемую АБ заряжают на фоне штатного функционирования СЭП на солнечных участках орбиты. Формовочный цикл считают завершенным, если формуемая АБ будет заряжена полностью до срабатывания сигнального датчика давления (на фиг.2 сигнальный датчик давления не показан).
Оценивают эффективность формовочного цикла путем сравнения характеристик АБ, полученных до и после проведения формовочных циклов. Формовочные циклы считают эффективными, если после их проведения значения максимального напряжения при заряде, минимального напряжения при разряде и текущей емкости, при которой происходит срабатывание датчика давления, увеличились при прочих равных условиях. Изменение указанных параметров в сторону их увеличения свидетельствует о выравнивании напряжений аккумуляторов и, как следствие, увеличении величины текущей емкости, при которой срабатывает сигнальный датчик давления. Снижение уровня срабатывания сигнального датчика давления по сравнению с аналогичным параметром предыдущего формовочного цикла указывает о деградации электродвижущей силы (ЭДС) отдельных аккумуляторов и АБ в целом.
Подобная методика оценки состояния АБ весьма эффективна и направлена на определение степени разбаланса аккумуляторов количественно. Своевременное определение степени разбаланса аккумуляторов и проведение очередного формовочного цикла АБ в целом позволяет надежно их эксплуатировать длительное время.
Повышение надежности эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей также достигается за счет проведения формовочного цикла через каждые 6-9 месяцев и доведения глубины разряда до такого уровня, когда разрядное напряжение АБ станет равным n или (n+1) В. Кроме того, надежность эксплуатации АБ достигается путем обеспечения необходимой для стабилизации температурного режима отформованной АБ паузы между двумя формовочными циклами. Действительно, как показывает опыт эксплуатации АБ, после проведения ФЦ она подвержена повышенному нагреву, а следовательно, и повышенной деградации. При переходе к проведению ФЦ очередной АБ при прочих равных условиях удельная нагрузка (токовая) на остальные АБ увеличивается, и, как следствие, степень нагрева АБ, в том числе отформованной АБ, увеличивается. Температурный режим отформованной АБ практически стабилизируется, если продолжительность паузы между моментом завершения ФЦ данной АБ и до момента начала ФЦ очередной АБ составляет примерно 48-72 часов в зависимости от конкретных параметров отформованной АБ.
Живучесть системы электропитания и КА в целом увеличивается за счет использования бортовой аппаратуры в качестве нагрузки для формуемой АБ, поскольку только в этом случае формуемая АБ не выводится из состава системы электропитания и поддерживает заданный уровень надежности системы электропитания.
Таким образом, применение предлагаемого способа эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата позволит повысить надежность эксплуатации АБ в частности и живучесть КА в целом.