СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МНОГОБЛОЧНОЙ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD OF OPERATION OF A MULTIBLOCK LITHIUM-ION STORAGE BATTERY IN A SPACECRAFT

Настоящее изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных (ЛИ) аккумуляторных батарей (АБ) преимущественно в автономных системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА).
К числу систем современных КА, по сути определяющих срок активного существования КА, относится в первую очередь СЭП, у которой наиболее критичным звеном являются АБ.
Температура оказывает сильное влияние на емкость ЛИ АБ. ЛИ АБ имеют оптимальный диапазон рабочих температур, за пределами которого АБ теряет емкость. Данные потери могут быть временными, а могут быть и необратимыми. Даже в указанном производителем диапазоне рабочих температур АБ может испытывать ускоренную деградацию. Таким образом, диапазон температур оптимального срока службы АБ, как правило, еще уже, чем указанный производителем в спецификации. (см. L.Lam. A Practical Circuit-based Model for State of Health Estimation of Li-ion Battery Cells in Electric Vehicles. University of Technology Delft, Nederland: Faculty of Electrical Engineering, Mathematics and Computer Science Department of Electrical Sustainable Energy, 23.08.2011. 174 с [1]).
Поэтому для обеспечения длительного срока службы (ресурса) АБ очень важно обеспечивать, в процессе их эксплуатации, комфортные температурные режимы, при этом особенно важно поддерживать температуру в сравнительно узком диапазоне. Оптимальный диапазон рабочих температур для ЛИ АБ, предназначенных для установки на связных КА и характеризующихся сравнительно высокими токами заряда и разряда, составляет (5-20)°С (см. [1] и Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. – М.: Изумруд, 2003. 224 с [2]).
Так же в современном спутникостроении наметилась тенденция на увеличение мощности полезной нагрузки, что позволяет создавать более функциональные КА. При этом остро встает вопрос по эффективному использованию источников энергии КА. АБ - это вторичный источник питания, который осуществляет питание КА на теневых участках от Земли и Луны, а так же в нештатных и аварийных режимах в момент потери ориентации на Солнце. Проведенный анализ разработчиками АБ показал, что увеличивать мощность АБ за счет ее конструкции не целесообразно, т.к. повлечет за собой необходимость дополнительной квалификации, усложнит производство, тем самым увеличит ее конечную стоимость, а так же снизит ее мобильность при сборочных работах на заводе изготовителе КА. Кроме того в настоящий момент с целью снижения затрат и сроков изготовления КА предпочтение отдается преемственности оборудования, что позволяет существенно сократить объем квалификационных испытаний, и, как следствие, существенно ускорить процесс изготовления КА. Поэтому принято решение использовать существующие блоки АБ, имеющие наземную и летную наработку, и соединять их между собой электрически с помощью кабельной сети, что позволяет получить АБ необходимой мощности. Это обеспечивает преемственность с предыдущих проектов, что исключает затраты на ее квалификацию. Для обеспечения центра масс КА, блоки АБ располагаются по разным сторонам дна корпуса КА. Опыт эксплуатации ранее созданных КА показал, что температуры разных блоков АБ, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, разнятся между собой. Это связано с тем, что солнечные лучи в процессе прохождения орбиты по разному освещают КА, тем самым оказывает влияние на температуру отдельных блоков АБ. Это в конечном счете приводит к тому, что температура разных блоков одной АБ будет отличаться между собой, а это приведет к неэффективному использованию АБ и нарушению требований эксплуатационной документации АБ.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является «Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения» (патент RU 2637585, B64G 1/42, опубл. 05.12.2017), который принят за прототип. КА с многоблочными ЛИ АБ, в котором применяется этот способ, содержит СЭП, состоящую из солнечной батареи, стабилизированного преобразователя напряжения, ЛИ АБ, с установленными на аккумуляторах аналоговыми датчиками температуры, устройства контроля АБ, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной. При этом указанные аналоговые датчики температуры через устройство контроля АБ включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей АБ системы терморегулирования, в зависимости от степени заряженности и режима работы АБ и их температуры. На каждый блок АБ устанавливают два и более датчика температуры, по которым определяется текущее значение температуры АБ. В программно-вычислительном контуре устанавливается диапазон, в котором должна эксплуатироваться АБ, согласно эксплуатационной документации на АБ, после чего управление электрообогревателями (ЭО) блоков АБ осуществляется по следующему принципу: если температура одного из датчиков любого из блоков одной электрически соединенной АБ достигла нижней границы температуры (порог включения), происходит включение ЭО всех блоков АБ, после достижения верхней границы диапазона (порог отключения) любого из блоков одной АБ происходит отключение ЭО на этом блоке, при этом на других блоках ЭО не отключаются, после чего температура блока, на котором отключился ЭО, начинает снижаться и очевидно, что через некоторое время его температура сравняется с температурой другого блока, на которых ЭО остаются включенными, после этого на блоке с выключенным ЭО, происходит его включение, таким способом обеспечивается выравнивание температур разных блоков одной электрически соединённой АБ и этот процесс продолжается до того момента пока температуры всех блоков не достигнет верхней границы диапазона (порог отключения), после чего происходит отключение ЭО на всех блоках, при этом, в случае одновременного достижения порогов отключения и включения разных датчиков приоритет отдается на отключение ЭО АБ. Опыт эксплуатации ранее созданных КА показал недостаток данного технического решения, заключающийся в том, что при переключении состояний ЭО остывание и нагревание АБ начинается не сразу, из-за чего периодически возникают ситуации, когда ЭО разных блоков «поддерживают» работу друг друга, находясь у верхнего порога (попеременно включаются и отключаются в течении длительного времени), когда в этом нет необходимости, что не обеспечивает эффективное использование АБ и значительно сокращает ресурс ЭО.
Задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются: повышение эффективности использования ЛИ АБ, увеличение ресурса ЭО и улучшение ресурсных характеристик СЭП и КА в целом при его штатной эксплуатации.
Решение поставленных задач достигается заявленным способом эксплуатации многоблочной ЛИ АБ в составе КА, включающим проведение зарядов и разрядов, хранение в заряженном состоянии, контроль температуры АБ и обеспечение температурного режима АБ, в программно-вычислительном контуре которого устанавливается температурный диапазон эксплуатации АБ, согласно эксплуатационной документации на АБ. Также дополнительно устанавливается защитный диапазон.
Управление ЭО блоков АБ осуществляется по следующему принципу: если температура одного из датчиков любого из блоков одной электрически соединенной АБ достигла нижней границы температуры (порог включения), происходит включение ЭО этого блока, при этом на других блоках этой АБ ЭО не включаются. После достижения верхней границы диапазона (порог отключения) любого из блоков одной АБ происходит отключение ЭО на этом блоке, при этом на других блоках ЭО не отключаются. В случае одновременного достижения порогов отключения и включения разных датчиков одного блока приоритет отдается на отключение ЭО этого блока АБ. Если на рассматриваемом блоке одной электрически соединенной АБ отключены ЭО, температура его датчиков находится вне защитного диапазона и при этом ниже температуры датчиков одного из блоков, у которого ЭО включены, то происходит включение ЭО на рассматриваемом блоке АБ. При этом защитный порог устанавливается на несколько градусов ниже верхнего порога в диапазоне температурной эксплуатации АБ.
Таким образом, в результате использования предлагаемого способа эксплуатации многоблочной литий-ионной (ЛИ) аккумуляторной батареи (АБ) в составе космического аппарата (КА) повышается эффективность использования ЛИ АБ, увеличивается ресурс ЭО и улучшаются ресурсные характеристики СЭП и КА в целом при его штатной эксплуатации.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено:
На фиг. 1 - схема распределения температурных порогов и установки диапазонов.
Описанный выше способ выравнивания температур между разными блоками одной АБ, разберем на следующем примере. Так, например, установим на АБ, состоящей из двух блоков, температурный диапазон (11-18)°C и защитный порог на 2°C ниже порога отключения (т.е. защитный диапазон составит (16-18)°C). В случае достижения температуры любого из блоков значения меньше 11°C происходит включение нагревателя соответствующего блока АБ. В этот момент температура другого блока может и не достигнуть порога включения ЭО, а быть на уровне допустим 14°C, соответственно она будет продолжать понижаться. При этом температура другого блока АБ, на котором включился ЭО, будет наоборот повышаться. Естественно, что на каком-то этапе температуры первого и второго блоков сравняются, например, на значении 13°C. В этот момент на втором блоке включится ЭО, несмотря на то, что включение ЭО должно было произойти на уровне ниже порога включения (11°C), т.к. текущее значение (13°C) ниже защитного порога (16°C). После чего начнется нагрев двух разных блоков АБ. Но в силу разных причин (к примеру, освещенности блоков, работы полезной нагрузки) нагревание блоков происходит с разной скоростью. Один из ЭО обгонит ЭО другого блока, и, достигнув 18°C, его ЭО отключится по порогу отключения (18°C), начнется остывание. На другом же блоке ЭО будет по-прежнему работать, нагревание продолжится. Естественно, что на каком-то этапе температуры первого и второго блоков снова сравняются, но уже, например, на значении 17°C, что выше защитного порога (16°C), т.е. входящим в защитный диапазон (16-18)°C. В этом случае отключенный ЭО не будет включен, пока температура на нем не опустится ниже защитного порога, при этом ЭО другого блока по-прежнему должен будет находится во включенном состоянии, иначе оба ЭО просто продолжат остывать. Таким образом, обеспечивается выравнивание температуры разных блоков одной электрически соединенной АБ без лишних воздействий на ЭО. Это обеспечивает повышение эффективности использования ЛИ АБ, увеличение ресурса ЭО и улучшение ресурсных характеристик СЭП и КА в целом при его штатной эксплуатации.