СПОСОБ ЭСКПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА, ЭКСПЛУАТИРУЮЩЕГОСЯ НА НИЗКОЙ ОКОЛОЗЕМНОЙ ОРБИТЕ
METHOD TO OPERATE NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATOR BATTERIES IN POWER SUPPLY SYSTEM OF SPACE VEHICLE OPERATED IN LOW EARTH ORBIT

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания космических аппаратов, эксплуатируемых на низкой околоземной орбите.
В процессе всего срока активного существования современных космических аппаратов на низкой околоземной орбите производится 30000 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 электричества (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 текущей емкости и, как следствие, надежности работы НВАБ. Поэтому для выравнивания аккумуляторов по емкости необходимо периодически проводить балансировку аккумуляторов по емкости.
Известен способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей по патенту №2084055, МПК Н01М 10/44, принятый за 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.
Признак, общий для предлагаемого способа и аналога:
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 способы балансировки аккумуляторов по емкости, 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 по технической сущности, принятым за прототип, является способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата (Патент РФ №2399122), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по уровню датчиков давления, размещенных в отдельных (управляющих) аккумуляторах каждой аккумуляторной батареи, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически проводят формовочные циклы АБ путем глубокого их разряда, оценивают состояние АБ.
Недостатком этого способа является низкая надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи при использовании одной батареи в системе электропитания, а на небольших низкоорбитальных КА используется, как правило, одна аккумуляторная батарея. Низкая надежность эксплуатации и недостаточная живучесть КА при применении этого способа эксплуатации обусловлена тем, что при периодическом проведении формовочных циклов АБ путем глубокого ее разряда запасенная энергоемкость батареи стремится к нулю, и когда в системе энергопитания одна батарея, это снижает надежность эксплуатации КА и его живучесть, т.к. определенный запас энергоемкости должен быть всегда.
Признаки прототипа, общие с предлагаемым способом, следующие:
- аккумуляторную батарею циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания;
- степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по датчикам давления, размещенным в отдельных (управляющих) аккумуляторах аккумуляторной батареи на уровне 60-80% полной емкости;
- контролируют параметры аккумуляторной батареи, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности эксплуатации и живучести КА.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи системы электропитания космического аппарата, заключающемся в том, что аккумуляторную батарею циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по датчикам давления, размещенным в отдельных аккумуляторах аккумуляторной батареи на уровне 60-80% полной емкости, контролируют параметры аккумуляторной батареи, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически - один раз в сутки для выравнивания степени заряженности аккумуляторов в АБ проводят заряд с ограничением степени заряда по датчикам давления на уровне 90-95% - полной емкости, причем степень заряженности 90-95% выбирают с учетом средневитковой температуры аккумуляторной батареи.
Т. к. на низких околоземных орбитах, как правило, совершается около 15 витков в сутки, КА проходит 15 теневых участков (15 разрядов и зарядов АБ). 14 циклов (зарядов) АБ заряжается до степени заряда по управляющим аккумуляторам 60-80% полной емкости, и каждый пятнадцатый цикл (заряд) АБ заряжается до степени заряда по управляющим аккумуляторам 90-95% полной емкости. Для выравнивания степеней заряженности аккумуляторов в АБ на каждом 15 цикле производится небольшой перезаряд АБ.
Механизм балансировки (выравнивания) аккумуляторов в АБ по емкости следующий. У никель-водородного аккумулятора зарядный к.п.д. на степенях заряженности от 0 до 80% примерно равен 100%, в диапазоне степеней заряженности от 80 до 100% он падает от 100 до 0%.
В результате, при наличии разбаланса аккумуляторов по степени заряженности в АБ, при заряде по управляющим датчикам давления до степени заряда 80%, в АБ могут оказаться аккумуляторы со степенью заряженности менее 80%.
При продолжении заряда выше 80% по управляющим датчикам давления у аккумуляторов с высокой степенью заряженности зарядный к.п.д. падает, и их степень заряженности растет медленно, а у аккумуляторов с низкой степенью заряженности зарядный к.п.д. продолжает оставаться высоким и их степень заряженности продолжает расти пропорционально зарядному току. В результате на каждом пятнадцатом цикле заряда-разряда степени заряженности аккумуляторов выравниваются, а запасенная емкость АБ увеличивается.
В никель-водородном аккумуляторе емкость (степень заряженности) аккумулятора пропорциональна количеству запасенного водорода, а при одинаковых по объему сосудах пропорциональна давлению.
2
2
На фиг.1 проиллюстрирован процесс выравнивания степеней заряженности. Здесь представлено суточное циклирование никель-водородной аккумуляторной батареи на низкой околоземной орбите. Здесь пунктирной линией показано давление (Р1) в аккумуляторе с управляющим датчиком давления, а сплошной линией показано давление (Р2) в аккумуляторе с минимальной степенью заряженности (максимальным саморазрядом). При этом в аккумуляторе типа НВ-25 степень заряженности 80% соответствует давлению 50 кг/см, а степень заряженности 90% соответствует давлению 56,25 кг/см. Как видно из графика, после заряда АБ до степени заряженности 80% степени заряженности аккумуляторов в АБ выравниваются, т.е. потенциальная разрядная емкость АБ становится максимальной. Это обеспечивает ее надежную эксплуатацию, что повышает надежность эксплуатации и живучесть КА.
На фиг.2 приведена функциональная схема автономной системы электропитания КА 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.
При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.
Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторной батареи 7 (в частности, напряжения, давления, температуры), связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом - с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).
В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.
Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1.
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-конденсатора 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.
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает преимущественно в режиме непрерывных зарядно-разрядных циклов.
Питание нагрузки 2 осуществляется при этом на освещенных участках орбиты от солнечной батареи 1 через стабилизатор напряжения 3, а на теневых участках - от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.
Устройства контроля аккумуляторной батареи 7 контролируют текущее состояние аккумуляторов (напряжение, давление, температура) аккумуляторной батареи 4 и передают информацию в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ) для управления зарядом аккумуляторной батареи по программному контуру, либо выдают управляющие воздействия непосредственно на схему управления зарядного преобразователя при работе с аппаратным контуром управления. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в составе системы электропитания КА в основном используется программный контур контроля и управления, связанный с бортовой ЭВМ.
При этом в бортовую ЭВМ закладывается программа, управляющая зарядом аккумуляторной батареи с ограничением по давлению водорода в управляющих аккумуляторах на уровне 60-80% полной емкости, причем периодически, один раз в сутки, степень заряда аккумуляторной батареи ограничивают 90-95% полной емкости, а конкретное значение степени заряда выбирают с учетом средневитковой температуры аккумуляторной батареи.
При необходимости в процессе эксплуатации КА программа может корректироваться через командно-измерительную радиолинию.
Таким образом, заявляемый способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата, эксплуатирующегося на низкой околоземной орбите, повышает надежность эксплуатации и живучесть КА.