Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания
METHOD OF OPERATING A LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERY IN AN AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их эксплуатации, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге А.А. Таганова, Ю.И. Бубнова, С.Б. Орлова «Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации», Санкт-Петербург, Химиздат, 2005 г., глава 5, 7.
Однако в данной работе не рассмотрены особенности технологии эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей.
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их эксплуатации, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанный в книге Д.А. Хрусталева «Аккумуляторы», М., Изумруд, 2003 г., глава 4. В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим, и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Однако известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем разряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжения величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г. Краснодар).
В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ. 563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.
Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.
Известный способ предполагает периодический контроль напряжения аккумуляторов, анализ разности поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов и проведение балансировки, но не определяет периодичность и способ контроля, а так же средства для запуска процесса балансировки.
Для заявленного способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания выявлены основные общие с прототипом существенные признаки, такие как: проведение зарядов, хранение в заряженном состоянии, подзаряды, при необходимости, разряды, контроль напряжения аккумуляторов и периодическая балансировка аккумуляторов по напряжению путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением, подключения к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов, с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора
Технической проблемой заявляемого изобретения является упрощение эксплуатации и повышение эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.
Поставленная техническая проблема решается тем, что при проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов, при необходимости, разрядов, контроль напряжения аккумуляторов и разности поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов проводится бортовой ЭВМ с периодом контроля не реже 1 раза в 32 секунды и при превышении разности напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов заданной величины заложенной в бортовой ЭВМ запускается процесс балансировки по программе в бортовой ЭВМ, кроме того заданную величину разности напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумулятора выбирают не более 0,05 В.
Действительно, проведение контроля напряжения аккумуляторов целесообразно проводить с периодом не реже 1 раза в 32 секунды. Это позволяет обеспечить высокую эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи без существенной загрузки бортовой ЭВМ сложными вычислительными процессами и позволит обеспечить заданную энергоемкость аккумуляторной батарей на весь расчетный период функционирования.
На чертеже, фиг. 1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, 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 7 (в частности, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, 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, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле.
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 - конденсатор 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 в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения штатных теневых участков орбиты или на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ на Солнце.
Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.
При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.
Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции:
1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов и разности поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов с периодом контроля не реже 1 раза в 32 секунды.
2. При превышении разности напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов 4-1 заданной величины в бортовой ЭВМ, при наличии избыточной мощности солнечной батареи 1, включается заряд аккумуляторной батареи 4, при этом факт включения заряда фиксируется бортовой ЭВМ по появлению тока заряда -сигнал с шунта 8. После завершения заряда запускается процесс балансировки, по программе в бортовой ЭВМ, аккумуляторов по напряжению. К аккумуляторам 4-1 подключаются индивидуальные разрядные резисторы 4-2 (соответствующие контакты 4-3 замыкаются), за исключением аккумулятора, имеющего самое низкое напряжение (самого разряженного аккумулятора). После достижения напряжения соответствующего аккумулятора текущего значения напряжения самого разряженного аккумулятора соответствующий индивидуальный разрядный резистор 4-2 отключается посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле
3. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных о величине напряжений аккумуляторов, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию корректируют при необходимости заданную величину разности напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов, по достижению которой запускается процесс балансировки. При этом заданную величину разности напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумулятора выбирают не более 0,05 В.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить процесс эксплуатации и повысить эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.