СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИТИЙ-ИОННОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
METHOD FOR OPERATION OF LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERY IN AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в автономной системе электропитания, преимущественно искусственных спутников 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 А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, С.Б.Орлов, 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 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 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 подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», 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 заявляемому изобретению.
Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости (путем балансировки аккумуляторов по напряжению), реализованного известной аккумуляторной батареей, является то, что начало проведения выравнивания аккумуляторов по емкости связано с достижением заранее установленной величины разбаланса по напряжению, что снижает эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи. Кроме того, процесс балансировки связан с тепловыделением на балансировочных резисторах, что усложняет процесс эксплуатации аккумуляторной батареи.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования и упрощение эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.
Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов, разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением и разряда других аккумуляторов на индивидуальные балансировочные резисторы, в зависимости от исходной величины их напряжения, до установленного конечного уровня, разряд на балансировочные резисторы других аккумуляторов проводят поочередно по одному, причем каждый раз разряду на балансировочный резистор подвергается аккумулятор с наибольшим текущим напряжением. При этом разряд на балансировочные резисторы других аккумуляторов ограничивают минимальной величиной установленной разницы напряжений аккумуляторов аккумуляторной батареи, а минимальную величину установленной разницы напряжений аккумуляторов аккумуляторной батареи регулируют в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи для достижения оптимального результата. Кроме того, разряд на балансировочные резисторы других аккумуляторов проводят до достижения напряжения разряжаемого аккумулятора текущей величины наименьшего напряжения из всех аккумуляторов аккумуляторной батареи.
Предлагаемый способ балансировки аккумуляторов по напряжению реализуется в рамках требований по допустимой разбалансировке аккумуляторов по емкости (напряжению), при этом позволяет свести допустимую разбалансировку аккумуляторов по емкости практически к нулю, что повышает эффективность использования аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания. При этом процесс балансировки не накладывает никаких ограничений на работу системы электропитания (ИСЗ), проводится независимо от каких-либо внешних (например, температурных) факторов и режима работы аккумуляторной батареи (заряд, разряд, хранение), что упрощает эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания. Тепловыделение от балансировочных резисторов при проведении балансировки на порядок (и более) ниже, чем в прототипе, а потенциальное снижение выходной мощности аккумуляторной батареи, в следствии снижения напряжения одного аккумулятора на несколько милливольт, ничтожно мало.
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 в блоке реле 4-4.
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 на конденсаторе 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, входами подключенными 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, в которой реализуются следующие технологические операции:
1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов, оценивается текущая емкость аккумуляторов и разница в текущей емкости (напряжениях) аккумуляторов.
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. В случае достижения разницы в текущей емкости аккумуляторов 4-1 существенного значения (минимальной величиной установленной разницы напряжений аккумуляторов аккумуляторной батареи) запускается процесс балансировки аккумуляторов по напряжению. Фиксируется наименьшее и наибольшее напряжение аккумуляторов в аккумуляторной батарее и номер этих аккумуляторов.
К аккумулятору 4-1 с наибольшим напряжением подключается индивидуальный разрядный резистор 4-2 (посредством замыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4). При выравнивании значения напряжения балансируемого аккумулятора с величиной текущего напряжения аккумулятора, имеющего наименьшее значение напряжения, формируется команда на отключение соответствующего индивидуального разрядного резистора 4-2 посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4. Управление блоком реле 4-4 реализуется, по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.
Далее процесс повторяется для другого аккумулятора, имеющего наибольшее текущее напряжение и так далее. Процесс балансировки может быть приостановлен при текущем отсутствии в аккумуляторной батарее аккумуляторов с разницей в напряжениях выше минимальной величиной установленной разницы напряжений аккумуляторов, до момента появления таковых.
3. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных о величине напряжений аккумуляторов по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, может быть проведена корректировка минимальной величины установленной разницы напряжений аккумуляторов аккумуляторной батареи для достижения оптимального результата.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность использования и упростить эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.