СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
OPERATION OF NICKEL-HYDROGEN STORAGE BATTERY ON ARTIFICIAL EARTH SATELLITE

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).
В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи происходит разбалансировка аккумуляторов по емкости. Это может быть следствием разных условий охлаждения отдельных аккумуляторов в батарее, наличия в отдельных аккумуляторах внутренних микрошунтов, пассивация активной массы аккумуляторов из-за неблагоприятных условий их эксплуатации и многих других факторов. Поэтому появление в процессе разряда аккумуляторной батареи полностью разряженного аккумулятора, когда батарея в целом имеет достаточную емкость, явление весьма распространенное.
Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи искусственного спутника Земли (см. патент №2289178), заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов при контроле текущей емкости никель-водородной аккумуляторной батареи, заряде никель-водородной аккумуляторной батареи постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости никель-водородной аккумуляторной батареи с последующим дозарядом импульсным током, причем длительность зарядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуляторов. Кроме того, величину среднего дозарядного тока выбирают в пределах 0,02-0,04 номинальной емкости.
Известный способ позволяет в определенной мере устранять возникающий разбаланс аккумуляторов, однако, процесс выравнивания - длительный по времени (до нескольких суток). Кроме того, достаточно широкий диапазон рекомендованной величины среднего дозарядного тока (в пределах 0,02-0,04 номинальной емкости), оставляет открытым вопрос выбора оптимального его значения, что может привести либо к недостаточной степени выравнивания, либо к выходу на высокий температурный уровень, что нежелательно. Все это снижает эффективность известного способа.
Наиболее близким техническим решением заявляемому способу является «Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи искусственного спутника Земли» (патент №2320055), заключающийся в проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, периодических дозарядов импульсным током и контроле текущего состояния аккумуляторов, отличающийся тем, что дозаряд импульсным током проводят, чередуя зарядные импульсы с разрядными импульсами, причем величину зарядного импульса устанавливают равной величине номинального зарядного тока, а среднее значение зарядных импульсов устанавливают исходя из соотношения
Зс
где I - действующее значение зарядных импульсов;
Pc
I - действующее значение разрядных импульсов;
C
I - максимальная величина тока саморазряда аккумуляторов;
З
С
ή - коэффициент полезного действия по зарядному току, соответствующий I.
Этот «Способ…» принят за прототип заявляемому изобретению.
В сравнении с аналогом, прототип - более щадящий в отношении тепловыделения аккумуляторной батареи в процессе выравнивания аккумуляторов по емкости. Однако так же оставляет открытым вопрос выбора оптимального значения дозарядного тока в пределах рекомендованного диапазона. Это снижает эффективность известного способа.
Целью заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации аккумуляторной батареи.
Поставленная цель достигается тем, что при проведении зарядов, с ограничением по давлению и температуре аккумуляторов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов для компенсации саморазряда и периодических дозарядов импульсным током, по окончании заряда, либо подзаряда, рассчитывают максимальный разбаланс аккумуляторов по емкости по формуле:
max
min
ΔС=(Р-P)·k, где
mах
Р - величина наибольшего давления в аккумуляторах;
min
P - величина наименьшего давления в аккумуляторах;
k - коэффициент пересчета давления водорода аккумулятора в емкость, при выявлении существенной разницы текущей емкости аккумуляторов, рассчитывают токи саморазряда аккумуляторов по формуле:
i
Сi
i
Ic=ΔР·k/Δτc; где
i
Iс - ток саморазряда аккумулятора;
i
i
ΔРс - величина снижения давления водорода в аккумуляторе за расчетный промежуток времени Δτc,
при равенстве токов саморазряда друг другу, в рамках погрешности измерения, проводят дозаряд импульсным током, равным среднеинтегральному току, рассчитанному по формуле:
з
I=(1÷1,2)·(Iс+ΔI), где
max
ΔI=ΔC·m, где
max
m - коэффициент наклона горизонтального линейного участка тока саморазряда аккумулятора, с наименьшей текущей емкостью (давлением), определяемый по формуле:
mах
тек.min
m=Ic/C,
а при неравенстве токов саморазряда дозаряд импульсным током проводят среднеинтегральным током, рассчитанным по формуле:
max
Iз=(1÷1,2)·(Iс+ΔI),где
max
Ic - наибольший ток саморазряда (ток саморазряда аккумулятора с наименьшим текущим давлением).
Действительно, в процессе длительной эксплуатации аккумуляторной батареи, с ограничением заряда по давлению водорода в аккумуляторах, все аккумуляторы распределяются по емкости так, что их токи саморазряда становятся равны друг другу. При этом возникший разбаланс аккумуляторов по емкости предопределен различием в величинах токов саморазряда аккумуляторов при предшествующей равной степени заряженности. После выравнивания токов саморазряда всех аккумуляторов, далее, в статическом режиме работы, разбаланс не увеличится, но его можно нивелировать проведением дозарядов (по сути, это дозированный перезаряд аккумуляторной батареи - заряд выше нормально допустимой емкости).
Однако следует отметить, что состояние аккумуляторов, выровненных по емкости, в составе эксплуатируемой аккумуляторной батареи устойчиво, только при условии поддержания степени заряда «слабых» аккумуляторов не ниже достигнутого, в процессе дозаряда, уровня заряженности. В противном случае, разбаланс аккумуляторов по емкости через некоторое время вновь восстановится.
Для снижения величины разбаланса аккумуляторов по емкости перед началом теневых орбит проводят дозаряд (перезаряд) аккумуляторной батареи импульсным током (см. патент №2320055). При этом полностью заряженные аккумуляторы (подавляющее большинство) зарядную энергию превращают в тепло, а «слабые» аккумуляторы (от одного аккумулятора до (5-10)% от общего количества аккумуляторов в аккумуляторной батарее) получают возможность достичь более высокой степени заряженности.
Совершенно очевидно, что такой процесс выравнивания аккумуляторов по емкости сопровождается повышенным тепловыделением, что требует создания системы терморегулирования ИСЗ с возможностью сброса избыточного тепла соответствующей мощности. При этом аккумуляторы, подвергающиеся перезаряду, имеют повышенную температуру, что отрицательно влияет на их ресурсные характеристики. Поэтому, при проведении выравнивания аккумуляторов по емкости, важное значение имеет ограничение (оптимизация) процесса перезаряда.
В заявляемом изобретении процесс перезаряда строго дозируется заданием величины среднеинтегрального тока дозаряда на уровне тока саморазряда «слабого» аккумулятора при планируемой степени его заряженности. При этом допускается увеличение величины среднеинтегрального тока дозаряда до 20%.
На фиг.1 представлены графики изменения токов саморазряда аккумуляторной батареи 40НВ-70 (разработки ОАО «Сатурн», г.Краснодар) в зависимости от степени их заряженности.
При этом график «а» соответствует аккумулятору аккумуляторной батареи с повышенным саморазрядом, а график «б» соответствует «нормальному» аккумулятору аккумуляторной батареи.
Из представленного графика видно, что если заряд аккумуляторной батареи ограничивать по аккумулятору «б» в точке «в», то емкость аккумулятора «а» неизбежно придет в точку «г». В этом случае, если разряд аккумуляторной батареи ограничивают по минимальному напряжению любого аккумулятора, аккумуляторная батарея потеряет примерно половину своей емкости.
Для устранения имеющегося разбаланса аккумуляторов по емкости, необходимо сообщить аккумулятору «а» емкость, достаточную для перехода его тока саморазряда на вертикальный участок графика. Для обеспечения этого предлагается установить среднеинтегральный ток дозаряда равным (или больше до 20%) по величине току саморазряда этого аккумулятора при планируемой степени его заряженности. Для этого к текущему току саморазряда следует прибавить величину тока исходя из разницы в текущих емкостях аккумуляторов «а» и «б» и условной линейности графика саморазряда (на фиг.1 график саморазряда аккумулятора «а» продолжен пунктиром).
На фиг.2 приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.
Устройство 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.
При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.
Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов (напряжения, давления, температуры) 7, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).
Кроме того, параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено разрядное сопротивление R через коммутатор К, управляемый нагрузкой 2 (бортовой ЭВМ или по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию).
В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.
Зарядный преобразователь состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2 и выпрямителя на диодах D1 и D2.
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 С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.
Схемы управления преобразователями 10, 12, 14 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 (с командно-измерительной радиолинией).
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или прохождения ИСЗ штатных теневых участков орбиты.
Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.
При прохождении ИСЗ теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации на Солнце нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.
Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует текущую емкость аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).
В бортовую ЭВМ ИСЗ «закладывается» программа, реализующая контроль аккумуляторной батареи и управление ее режимами работы:
1. Контролируется текущее состояние аккумуляторной батареи по давлению аккумуляторов.
mах
min
2. При достижении разбаланса аккумуляторов (ΔС=(Р-P)·k) наперед заданной величины (или перед началом периода с «теневыми» участками орбиты), по команде с Земли или автоматически, включают программу, реализующую дозаряд аккумуляторной батареи импульсным током.
i
i
i
3. Величину среднеинтегрального тока дозаряда устанавливают, в зависимости от токов саморазряда аккумуляторов, рассчитанных исходя из соотношения: Iс=ΔРс·k/Δτc, по формулам:
Iз=(1÷1,2)·(Iс+ΔI) - при равенстве токов саморазряда,
max
Iз=(1÷1,2)·(Iс+ΔI) - при неравенстве токов саморазряда.
При этом величина зарядного импульса соответствует оптимальному току заряда аккумуляторной батареи, позволяющему заряжать аккумуляторы с наибольшим коэффициентом полезного действия. Разрядные импульсы могут формироваться в рамках известного изобретения по патенту №2320055.
4. Включение и отключение заряда (зарядных импульсов) реализуется непосредственно управлением работой схемы управления 10 зарядного преобразователя 5 от нагрузки (бортовой ЭВМ) 2, а включение и отключение разрядных импульсов - управлением коммутатором К, подключающим разрядное сопротивление R.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет устранять разбаланс аккумуляторов по емкости при оптимальном тепловыделении, что повышает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.