СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ РЕЖИМА ЦИКЛИРОВАНИЯ ГЕРМЕТИЧНОЙ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ
METHOD FOR PERFORMING CYCLING MODE OF AIRTIGHT NICKEL-CADMIUM BATTERY

Изобретение относится к электротехнике, а именно к эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, используемых для энергообеспечения потребителей на космических аппаратах.
Известно, что устройство никель-кадмиевого аккумулятора имеет ряд недостатков, основным из них является "эффект памяти" (Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003, с. 12). В течение нескольких циклов зарядки-разрядки происходит изменение структуры поверхности электродов. При этом в сепараторе образовываются химические соединения, которые впоследствии будут мешать разрядке малыми токами. Это приводит к запоминанию источником своего неполного разряда. Заряд никель-кадмиевых аккумуляторов, чем дальше, тем больше будет терять свою эффективность, аккумуляторная батарея будет иметь все меньшую фактическую емкость. Для компенсации этого явления используются различные режимы эксплуатации аккумуляторных батарей, для никель-кадмиевых батарей крайне необходим полный периодический разряд. Известным способом является периодическое проведение режима циклирования аккумуляторной батареи с последовательным глубоким разрядом и полным зарядом заданными токами - полностью разрядить батарею, а затем немедленно зарядить ее (1. с. 32). При заряде (левая часть формулы) и разряде (правая часть) никель-кадмиевой батареи протекают химические реакции:
В настоящее время известен способ проведения режима циклирования герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, выбранный в качестве прототипа, основанный на использовании двух последовательных циклов разряд-заряд выбранными токами без перерыва в один этап (ЕИГА.565311.003 ТО - Комплект унифицированных приборов автоматического регулирования и контроля для СЭП СМ МКС «Альфа», Техническое описание, 1997, с. 19). Используемый способ проведения режима циклирования герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей заключается в следующем - выдают команду на включение режима циклирования аккумуляторной батареи, снимают ток разряда аккумуляторной батареи заданной величины, измеряют значения тока разряда аккумуляторной батареи, ее напряжения и температуры и проводят сравнение значения тока разряда аккумуляторной батареи с заданной величиной. При достижении установленного минимального предельного значения напряжения аккумуляторной батареи производят прекращение снятия тока разряда и подают ток заряда заданной величины, измеряют значение тока заряда аккумуляторной батареи, ее напряжение и температуру и проводят сравнение значения тока заряда аккумуляторной батареи с заданной величиной. При достижении установленного максимального предельного значения напряжения или давления аккумуляторной батареи производят прекращение подачи тока заряда и повторно снимают ток разряда заданной величины, измеряют значение тока разряда аккумуляторной батареи, ее напряжение и температуру и проводят сравнение значения тока разряда аккумуляторной батареи с заданной величиной. При достижении установленного минимального предельного значения напряжения аккумуляторной батареи производят прекращение снятия тока разряда и повторно подают ток заряда заданной величины, измеряют значение тока заряда аккумуляторной батареи, ее напряжение и температуру и проводят сравнение значения тока заряда аккумуляторной батареи с заданной величиной. При повторном достижении установленного максимального предельного значения напряжения или давления аккумуляторной батареи производят прекращение заряда и отключение режима циклирования, аккумуляторную батарею переводят в дежурный режим заряда-разряда произвольными токами.
Существенным недостатком данного способа является значительное увеличение температуры аккумуляторных батарей. Необходимо максимально ограничить работу герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при высоких температурах, так как чем выше температура аккумуляторных батарей, тем ниже ее коэффициент полезного действия. Допустимое значение температуры эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей составляет 40°C, допускается отклонение до 50°C, но не более трех часов в сутки (ФЮЗ.585.576ТО - Блок 800А, Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1985, с. 6). Известно, что при разряде герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей происходит значительное тепловыделение, а их заряд сопровождается небольшим поглощением тепла (эндотермический процесс), только в конце заряда происходит небольшое выделение тепла (вследствие реакций выделения кислорода на положительном электроде). Таким образом, самыми «горячими точками» при проведении режима циклирования на этапе разряда герметичной никель-кадмиевой аккумуляторной батареи являются моменты срабатывания датчика предельного разряда при достижении установленного минимального предельного значения напряжения аккумуляторной батареи. Так как аккумуляторная батарея при разряде на первом цикле достаточно сильно нагревается то, не успев существенно остыть на этапе первого заряда, на втором цикле разряда она нагревается еще сильнее, что приводит к превышению допустимого значения температуры аккумуляторной батареи и существенному снижению ее фактической емкости.
Задачей изобретения является разработка способа снижения температуры герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей при проведении режима циклирования для увеличения продолжительности их эксплуатации и характеризуется по сравнению с регламентированным способом отсутствием разогрева аккумуляторных батарей выше допустимого значения.
Техническим результатом изобретения является снижение температуры, повышение эффективности и увеличение срока эксплуатации аккумуляторных батарей.
Технический результат достигается тем, что в используемом способе проведения режима циклирования герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей, содержащем выдачу команды на включение режима циклирования аккумуляторной батареи, снятие тока разряда заданной величины с аккумуляторной батареи, измерение значения тока разряда аккумуляторной батареи, ее напряжения и температуры и сравнение значения тока разряда аккумуляторной батареи с заданной величиной, прекращение снятия тока разряда с аккумуляторной батареи при достижении установленного минимального предельного значения напряжения аккумуляторной батареи в отличие от прототипа после прекращения снятия тока разряда с аккумуляторной батареи, выдают команды на прекращение режимов разряда-заряда аккумуляторной батареи, проводят контроль снижения температуры аккумуляторной батареи до заданного значения, при достижении которого, проводят подачу тока заряда заданной величины, измерение значения тока заряда аккумуляторной батареи, ее напряжения и температуры и сравнение значения тока заряда аккумуляторной батареи с заданной величиной, далее повторение цикла заряд-разряд-заряд, описанного ранее.
Для достижения указанного технического результата в известный способ проведения режима циклирования герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей внесены изменения, характеризующиеся тем, что при проведении режима циклирования после первого разряда аккумуляторных батарей до срабатывания датчика предельного разряда вводится пауза на прекращение режимов разряда-заряда аккумуляторных батарей, проводят контроль снижения температуры аккумуляторных батарей до заданного значения, при достижении которого, выдают команды на продолжение заряда и разряда аккумуляторных батарей заданными токами.
Суть изобретения поясняется графическим материалом, в котором приведены результаты проведения режима циклирования одной из герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей (АБ2) в составе системы электропитания (СЭП) служебного модуля (СМ) российского сегмента международной космической станции (PC МКС), представленным на Фиг. 1 и Фиг. 2. Табличные материалы с данными по результатам проведения режима циклирования герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей (АБ2-8) в составе СЭП CM PC МКС приведены в таблице 1.
Предлагаемый способ проведения режима циклирования герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей был проверен на герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батареях в составе СЭП CM PC МКС. В состав СЭП СМ входит восемь герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей (блок 800А). Положительным электродом блок 800А является окисло-никелевый электрод металлокерамической конструкции (основное рабочее вещество - гидратные формы окислов никеля), отрицательный электрод - электрод вальцованной конструкции из термической окиси кадмия, электролит водный раствор едкого калия с добавкой едкого лития (3. с. 9, 10). Каждая из аккумуляторных батарей имеет свой прибор регулирования мощности - преобразователь тока АБ (ПТАБ) и прибор автоматического контроля состояния АБ и формирования программы работы АБ путем ПТАБ - блок управления преобразователем тока (БУПТ) (2. с. 12). При выборе в БУПТ режима циклирования АБ осуществляется следующая циклограмма работы АБ - сначала принудительный разряд током 35 A до срабатывания датчика предельного разряда (ДПР), затем принудительный заряд током 10A до срабатывания датчика максимального напряжения (ДМК) или датчика давления (ДД), затем повторяется принудительный разряд током 35 A до срабатывания ДПР и принудительный заряд током 10A до срабатывания ДМК или ДД, после чего режим циклирования на этой АБ прекращается (ЕИГА.565311.003 ТО - Комплект унифицированных приборов автоматического регулирования и контроля для СЭП СМ МКС «Альфа», Технические условия, 1997, с. 19).
АБ2Н
разр
АБ2ДПР
зар
АБ2ДД
разр
АБ2ДПР
зар
АБ2ДД
На Фиг. 1 приведены графические материалы по проведению режима циклирования АБ2 способом-прототипом, где приведен график изменения текущего уровня заряженности аккумуляторной батареи (емкость АБ2). Режим циклирования АБ начинается при температуре АБ2 Т=37°C с разряда аккумуляторной батареи током ТАБ2=35 A до срабатывания датчика предельного разряда в точке 1 при достижении установленного минимального предельного значения напряжения аккумуляторной батареи. Температура АБ2 на момент срабатывания ДПР составила Т=50°C. Далее, производится прекращение снятия тока разряда и подастся ток заряда аккумуляторной батареи ТАБ2=10 A до срабатывания датчика давления аккумуляторной батареи в точке 2. Температура АБ2 на момент срабатывания ДД составила Т=41°C. После срабатывания ДД повторно снимается ток разряда ТАБ2=35 A до второго срабатывания ДПР АБ2 в точке «3». Температура АБ2 на момент второго срабатывания ДПР составила Т=53°C, эта точка 3 является самой «горячей» точкой при проведении режима циклирования, так как аккумуляторная батарея при разряде на первом цикле достаточно сильно нагрелась и, не успев существенно остыть на этапе первого заряда, на втором цикле разряда АБ2 нагрелась еще сильнее, что привело к превышению допустимого значения температуры аккумуляторной батареи (50°C). Далее, повторно производится прекращение снятия тока разряда и вновь подается ток заряда аккумуляторной батареи ТАБ2=10 A до второго срабатывания датчика давления аккумуляторной батареи в точке 4. Температура АБ2 на момент второго срабатывания ДД составила Т=43°C. После второго срабатывания датчика давления произведено прекращение заряда и отключение режима циклирования АБ2, аккумуляторная батарея переведена в дежурный режим заряда-разряда произвольными токами. Таким образом максимальное значение температуры АБ2 при циклировании ее способом - прототипом составило 53°C.
АБ2Н
разр
АБ2ДПР
АБ2Н1
зар
АБ2ДД
разр
АБ2ДПР
зар
АБ2ДД
На Фиг. 2 приведены графические материалы по проведению режима циклирования АБ2 предлагаемым способом, где приведен график изменения текущего уровня заряженности аккумуляторной батареи (емкость АБ2). Режим циклирования АБ начинается при температуре АБ2 Т=38°C с разряда аккумуляторной батареи током ТАБ2=35 A до срабатывания датчика предельного разряда в точке 1 при достижении установленного минимального предельного значения напряжения аккумуляторной батареи. Температура АБ2 на момент срабатывания ДПР составила Т=49°C. Далее, производится прекращение снятия тока разряда и, в отличие от способа-прототипа, после прекращения снятия тока разряда на аккумуляторную батарею выдают команды на прекращение режимов разряда-заряда аккумуляторной батареи и проводят контроль снижения температуры аккумуляторной батареи на величину ~15°C. При значении температуры АБ2 Т=33°C, подается ток заряда аккумуляторной батареи ТАБ2=10 A до срабатывания датчика давления аккумуляторной батареи в точке «3». Температура АБ2 на момент срабатывания ДД составила Т=33°C. После срабатывания ДД повторно снимается ток разряда ТАБ2=35 A до второго срабатывания ДПР АБ2 в точке «4». Температура АБ2 на момент второго срабатывания ДПР составила Т=48°C. Далее, повторно производится прекращение снятия тока разряда и вновь подается ток заряда аккумуляторной батареи ТАБ2=10 A до второго срабатывания датчика давления аккумуляторной батареи в точке 5. Температура АБ2 на момент второго срабатывания ДД составила Т=40°C. После второго срабатывания датчика давления произведено прекращение заряда и отключение режима циклирования АБ2, аккумуляторная батарея переведена в дежурный режим заряда-разряда произвольными токами. Таким образом, максимальное значение температуры АБ2 при циклировании ее предлагаемым способом составило 48°C, что на 5°C меньше максимального значения при циклировании этой аккумуляторной батареи способом-прототипом.
Табличные материалы по результатам проведения режима циклирования на АБ2-8 герметичных никель-кадмиевых аккумуляторных батарей в составе СЭП CM PC МКС приведены в таблице 1 (для АБ1 нет данных для сравнения, так как на месте АБ1 22.01.16 была проведена замена аккумуляторной батареи, после чего она циклировалась только предлагаемым способом). В первом столбце указанной таблице приведены номера АБ, во втором столбце - значения максимальных температур при проведении РЦ, в третьем столбце - значения фактических емкостей АБ2-8 при использовании способа-прототипа проведения режима циклирования. В четвертом столбце - значения максимальных температур при проведении РЦ, в пятом столбце - значения фактических емкостей АБ2-8 при использовании предлагаемого способа проведения режима циклирования. В шестом столбце приведены значения разницы между максимальными значениями температуры АБ при проведении РЦ способом-прототипом и предлагаемым способом в градусах и значения разницы между фактической емкостью АБ при проведении РЦ способом-прототипом и предлагаемым способом в процентах. Из представленных табличных данных видно, что при использовании предлагаемого способа проведения РЦ удалось снизить температуру на всех аккумуляторных батареях на величину от 1 до 6°C. Исключением является только АБ4, которое объясняется тем, что при проведении на ней РЦ предлагаемым способом, зафиксировано очень значительное (на 50%) увеличение фактической емкости, что привело к существенному увеличению продолжительности ее разрядного цикла и, следовательно, к возрастанию температуры, при проведении ранее на месте АБ4 режима циклирования способом-прототипом при таких же значениях фактической емкости (~95 А⋅ч) температура превышала значение 50°C.
Самое большое снижение температуры отмечено на АБ2 (на 6°C) и АБЗ (на 4°C). Результатом использования предлагаемого способа РЦ явилась возможность избежать превышения температуры на АБ допустимого значения температуры эксплуатации равного 50°C.
Из представленных табличных данных видно, что сопутствующим преимуществом использования предлагаемого способа проведения РЦ явилось увеличение фактических емкостей почти всех АБ (самое большое увеличение зафиксировано на АБ4 - на 32 А⋅ч или >50%), что приводит к увеличению срока эксплуатации аккумуляторных батарей в составе СЭП СМ PC МКС, так как одним из критериев проведения замены аккумуляторной батареи на новую является снижение ее фактической емкости до 45 А⋅ч. Таким образом использование предлагаемого способа проведения РЦ приводит к снижению материальных затрат на эксплуатацию СЭП CM PC МКС.
Источники информации
1. Хрусталев Д.А. Аккумуляторы. - М.: Изумруд, 2003.
2. ЕИГА.565311.003 ТО - Комплект унифицированных приборов автоматического регулирования и контроля для СЭП СМ МКС «Альфа», Техническое описание, 1997.
3. ФЮ3.585.576ТО - Блок 800 A, Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 1985.
4. ЕИГА.565311.003 ТО - Комплект унифицированных приборов автоматического регулирования и контроля для СЭП СМ МКС «Альфа», Технические условия, 1997.
Способ проведения режима циклирования герметичной никель-кадмиевой аккумуляторной батареи