СПОСОБ НАЗЕМНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В СОСТАВЕ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD FOR GROUND-BASED USE OF NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATOR BATTERY IN ARTIFICIAL EARTH SATELLITE

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при наземной эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в составе искусственных спутников Земли (ИСЗ).
В настоящее время изготовление ИСЗ, особенно первого ИСЗ новой разработки, идет в течение длительного времени (до двух лет). Кроме того, изготовленные ИСЗ могут длительное время храниться (с проведением регламентных работ - 1 раз в два года) до начала их штатной эксплуатации. Все это требует более внимательного отношения к режиму хранения комплектующей ИСЗ аппаратуры и, в частности, к режиму хранения никель-водородных аккумуляторных батарей.
Особенностью никель-водородных аккумуляторных батарей является то, что при переходе от режима заряда или разряда в режим хранения электрохимические процессы в аккумуляторах не прекращаются и их интенсивность снижается только по истечении некоторого времени. К таким процессам относятся рекомбинация кислорода, выделяющегося частично в конечных фазах заряда и разряда, с водородом и постоянно присутствующий процесс саморазряда аккумуляторов.
Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, описанные в (Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов “Металл-водородные электрические системы”, Ленинград: “Химия”, Ленинградское отделение, 1989 г.). При этом длительное хранение никель-водородной аккумуляторной батареи в заряженном состоянии рассматривается в этой работе как положительный фактор (см. стр.257).
Однако на практике отмечено снижение емкостных характеристик никель-водородных аккумуляторных батарей после их длительного хранения.
2
2
Причина этого явления обусловлена переходом активной массы из активной фазы α-Ni(OH) в неактивную фазу β-Ni(OH). В итоге, это приводит к снижению емкости аккумуляторной батареи (см. S.W.Donley and D.C.Verrier (TRW Space and Technology Group) Study of Nikel Hydrogen Battery Discharge Performange After Charge and Stand at Warm Temperature - Исследование разрядных характеристик никель-водородной батареи после заряда и выдержки при повышенной температуре). В целом это снижает эффективность и функциональные возможности известного способа.
В настоящее время в большинстве случаев разряд батареи прекращают по минимальному напряжению аккумуляторов.
Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи в составе космического аппарата, предусматривающий ее активное термостатирование (см. патент РФ № 2164881) системой терморегулирования с гидравлическими контурами в процессе эксплуатации (в том числе и наземной эксплуатации) аккумуляторной батареи.
Недостатком известного способа является то, что при переходе от циклирования аккумуляторной батареи к ее хранению режим термостатирования не определен, что в наземных условиях ведет к неоправданному расходу ресурса самой аккумуляторной батареи и системы термостатирования, если процесс электроиспытаний космического аппарата организован как непрерывный процесс, либо чреват локальным перегревом аккумуляторов, если имеют место перерывы в работе (с выключением системы электропитания космического аппарата и системы термостатирования), что снижает надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.
Наиболее близким техническим решением является «Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи» (патент № 2329572), заключающийся в проведении зарядов и разрядов с активным термостатированием и контролем температуры аккумуляторов и хранении в заряженном или разряженном состоянии без проведения активного термостатирования, отличающийся тем, что по окончании заряда или разряда аккумуляторной батареи перед хранением термостатирование ее продолжают, дифференцируют контролируемую температуру во времени dT/dτ, а прекращают термостатирование после достижения dT/dτ установившегося отрицательного значения, кроме того, термостатирование аккумуляторной батареи перед хранением продолжают не менее 1,5 ч от окончания заряда либо разряда. Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.
2
2
Создание благоприятных температурных условий в начале хранения аккумуляторной батареи в разряженном состоянии благоприятно отразится на сохранности ее технических характеристик. Однако при длительном хранении неизбежно проявятся отрицательные последствия, связанные с переходом активной массы из активной фазы α-Ni(OH) в неактивную фазу β-Ni(OH), приведенные выше.
Задачей заявляемого изобретения является повышение емкостных ресурсных характеристик и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе ИСЗ.
Поставленная задача решается тем, что при проведении заряд-разрядных циклов и периодическом хранении в разряженном состоянии, хранение аккумуляторной батареи в разряженном состоянии проводят с периодическими подзарядами, проводимыми путем подключения к аккумуляторной батарее стабилизированного напряжения, с ограничением по допустимому зарядному току, величиной из расчета напряжения одного аккумулятора:
Uакк+(0,025÷0,05), В, где
- Uакк - напряжение разомкнутой цепи одного аккумулятора, но не менее 1,25 В,
контроле тока подзаряда и прекращении подзаряда после снижения тока подзаряда до величины менее 0,015 от номинальной емкости аккумуляторов аккумуляторной батареи.
Действительно, для исключения возможности длительного хранения аккумуляторов в полностью разряженном состоянии необходимо периодически проводить подзаряд аккумуляторный батареи на некоторую величину, не способствующую возникновению существенного разбаланса аккумуляторов по емкости. Однако в современных ИСЗ цепи аналоговых датчиков давления для наземного применения зачастую не предусмотрены (для достижения максимальных удельных энергетических характеристик ИСЗ при штатной эксплуатации), что не позволяет проводить дозированный заряд до определенного значения емкости. Поэтому заряд с сообщением определенной емкости приведет либо к нарастающему уровню заряженности аккумуляторов, либо к постепенному падению уровня заряженности аккумуляторов в процессе их периодического подзаряда. В обоих случаях это нежелательно и снижает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.
Предлагаемый способ подзаряда обеспечивает фиксированную степень заряженности аккумуляторной батареи, независимо от предшествующего времени хранения.
Известно, что начальный участок заряда никель-водородного аккумулятора носит эндотермический характер. Этот факт в данном способе позволяет проводить подзаряд аккумуляторной батареи без проведения ее активного термостатирования, что упрощает предлагаемый способ и повышает его функциональную надежность.
Фактически подзаряд по предлагаемому способу проводится в диапазоне напряжений от 1,3 В до 1,35 В, в расчете на один аккумулятор. Это позволяет довести степень заряженности аккумулятора до (10÷15)% от номинальной емкости аккумулятора, что, к примеру для аккумулятора НВ-70 составляет около 10 А·ч, совпадает с рекомендациями производителя никель-водородных аккумуляторных батарей по заряду перед хранением и позволяет продолжить безопасное хранение аккумуляторной батареи, в технологическом плане, достаточно длительный период (до 3-х месяцев). Следует отметить, что предлагаемый способ эффективен при условии отсутствия внешних утечек емкости от аккумуляторной батареи.
Подзаряд можно прекратить при снижении тока до величины менее 0,015 от номинальной емкости аккумуляторов аккумуляторной батареи, так как при этом ток подзаряда по величине приближается к величине тока саморазряда и его эффективность приближается к нулю.
На чертеже представлена структурная схема рабочего места для автономной работы с аккумуляторными батареями в наземных условиях.
Рабочее место содержит:
- Зарядно-разрядный комплекс 1 в составе устройства зарядно-разрядного 2, устройства контроля аккумуляторов 3 и устройства расширения интерфейса 4;
- ПЭВМ 5;
- ИСЗ 6 с установленными аккумуляторными батареями 7.
В процессе наземной эксплуатации аккумуляторная батарея 7 периодически подвергается хранению в разряженном состоянии.
С целью сохранения ресурса, аккумуляторная батарея 7 хранится преимущественно в разряженном состоянии, для чего перед хранением она разряжается и подзаряжается до определенного уровня.
Так как рабочее место для автономной работы с аккумуляторными батареями 7 в составе ИСЗ 6 оснащено ПЭВМ 5, имеющей связь через «устройство расширения интерфейса» 4 с «Устройством зарядно-разрядным» 2 (имеющим прямоугольную выходную характеристику), и «Устройством контроля аккумуляторов» 3, то задача автоматической установки параметров подзаряда и определения момента его прекращения решается простыми программными средствами. Для данного способа функции «Устройства контроля аккумуляторов» 3 носят необязательный (справочный) характер - информация о напряжении аккумуляторов.
Наступление момента, допускающего прекращение подзаряда, может быть выведено на экран монитора ПЭВМ 5 в виде директивы (со звуковым сигналом или без него) для последующего исполнения обслуживающим персоналом.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить емкостные ресурсные характеристики и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.