СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF OPERATION OF LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERY IN AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM OF EARTH SATELLITE VEHICLE

Заявляемое 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 способы их эксплуатации, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге Д.А. Хрусталев, 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 их надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (патент RU №2411618) в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли, заключающийся в проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии подзарядов, при необходимости разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке 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, отличающийся тем, что балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в процессе заряда (подзаряда) аккумуляторной батареи, при этом сравнение напряжения каждого балансируемого аккумулятора с напряжением первоначально выбранного аккумулятора проводят по текущему значению последнего.
Недостатком известного способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что он не предусматривает защиты аккумуляторной батареи от необратимой деградации какого-либо аккумулятора в ее составе, что приводит к деградации всей аккумуляторной батареи и снижает надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи (US 2002146617), предусматривающий исключение из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи неисправного аккумулятора обводной цепью.
Этот способ принят за прототип заявляемому техническому решению.
Известный способ устраняет указанные выше недостатки, однако он не дает конкретных рекомендаций по оперативному выявлению деградирующего аккумулятора и своевременному исключению его из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи. Это может привести к тому, что в какой-то момент из-за одного неисправного аккумулятора в аккумуляторной батарее система электропитания не сможет обеспечить электроэнергией целевую аппаратуру ИСЗ и соответственно приведет к срыву штатной работы.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ при внезапном отказе какого-либо аккумулятора аккумуляторной батареи.
Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, проведении подзарядов, разрядов, контроле напряжения аккумуляторов, отключении неисправных аккумуляторов из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению контролируют уровни максимального и минимального напряжения аккумуляторов, а отключение неисправного аккумулятора из последовательной цепи аккумуляторов проводят при существенном превышении измеряемого напряжения аккумулятора величины максимального зарядного значения либо при снижении измеряемого напряжения аккумулятора до нуля или смены его полярности.
Действительно, в аккумуляторных батареях для эксплуатации в составе ИСЗ, с длительным ресурсом работы, предусматривают резервные аккумуляторы («горячий» резерв), отказ которых в процессе эксплуатации ИСЗ не должен снижать его эксплуатационные возможности.
Для обеспечения надежной работы ИСЗ по целевому назначению необходимо своевременное выявление деградирующего аккумулятора и выведение его из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи для исключения ограничения им разрядной емкости аккумуляторной батареи.
Особенно опасен внезапный отказ аккумулятора «обрывом» (вследствие каких-либо механических воздействий или нештатного испарения из аккумулятора электролита), потому что при этом выводится из работы вся аккумуляторная батарея, в последовательной цепи аккумуляторов которой находится неисправный аккумулятор. Такой неисправный аккумулятор необходимо своевременно выявить и незамедлительно отключить из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи, для восстановления работоспособности последней. Аккумулятор же с медленно снижающейся емкостью может быть оставлен в составе последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи, пока соблюдается условие положительного энергобаланса по разрядной емкости аккумуляторной батареи и реальному потреблению нагрузки.
Признаком отказа аккумулятора «обрывом» является либо существенное повышение измеряемого на нем напряжения выше максимального зарядного напряжения (равное зарядному напряжению аккумуляторной батареи минус суммарное напряжение исправных аккумуляторов - при включенном заряде аккумуляторной батареи), либо снижение измеряемого напряжения аккумулятора до нуля или смены полярности (равное напряжению нагрузки минус суммарное напряжение исправных аккумуляторов: отрицательное значение при включенном разряде аккумуляторной батареи или равное нулю при заблокированных цепях заряда-разряда аккумуляторной батареи - режим хранения).
На чертеже, фиг. 1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу.
Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 41-42, подключенные через зарядные преобразователи 51-52 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 61-62 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.
Аккумуляторная батарея 4 (в левой части рисунка показан увеличенный и детализированный фрагмент) состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3. Кроме того, аккумуляторы соединены в последовательную цепь через размыкающиеся контакты 4-4, а каждый аккумулятор 4-1 вместе со своим размыкающимся контактом 4-4 охвачен цепью с замыкающимся контактом 4-5. Также аккумуляторная батарея 4 содержит блок реле 4-6 с перечисленными контактами, где для каждого аккумулятора предусмотрены собственные реле.
При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на рисунке не показано).
Параллельно аккумуляторным батареям 41-42 подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 71-72, связанные входом с аккумуляторными батареями 41-42 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2.
В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 81-82.
Каждый зарядный преобразователь 51-52 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10.
Каждый разрядный преобразователь 61-62 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12 и вольтодобавочного узла 13.
Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 14, управляемого схемой управления 15, входного фильтра - конденсатор 16 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 19 и конденсаторе 18.
Схемы управления: 10 зарядных преобразователей 51-52, 12-разрядных преобразователей 61-62, 15 - преобразователя напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных преобразователей 51-52 дополнительно связаны с измерительными шунтами 81-82 и нагрузкой 2.
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 41-42 работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 51-52. 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 аккумуляторных батарей 41-42 через разрядные преобразователи 61-62.
Устройства контроля 71-7n контролируют напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 41-42 и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.
При снижении текущей емкости (напряжения) аккумуляторов до определенного, выбранного на этапе проектирования системы электропитания, значения, разблокируется заряд (подзаряд) аккумуляторной батареи и, 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. Одновременно с включением заряда запускается процесс балансировки 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 балансируемых аккумуляторов текущего значения напряжения самого разряженного аккумулятора каждый соответствующий индивидуальный разрядный резистор 4-2 отключается посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-6. Управление блоком реле 4-6 реализуется по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.
При существенном превышении измеряемого напряжения аккумулятора величины максимального зарядного значения либо при снижении измеряемого напряжения аккумулятора до нуля или смены полярности отключение неисправного аккумулятора из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи проводят незамедлительно. Для этого размыкают контакт 4-4 и замыкают контакт 4-5, соответствующие неисправному аккумулятору. При этом неисправный аккумулятор будет исключен из последовательной цепи аккумуляторов аккумуляторной батареи и не будет блокировать ее работу.
Таким образом, заявляемый способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли позволяет повысить надежность эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ при внезапном отказе какого-либо аккумулятора аккумуляторной батареи.