СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
OPERATING METHOD FOR NICKEL-HYDROGEN BATTERIES IN POWER SUPPLY SYSTEM OF SPACECRAFT

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), функционирующих на низкой околоземной орбите.
В процессе всего срока активного существования современных КА на низкой околоземной орбите производится 10000 и более зарядно-разрядных циклов АБ и подобный режим работы СЭП на сегодняшний день лучше всего обеспечивают никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ).
Особенностью НВАБ является то, что все последовательно соединенные аккумуляторы заряжаются и разряжаются одним и тем же количеством электрического заряда (А·ч). В идеальном случае, если начальное состояние аккумуляторов одинаково, не должно быть никаких изменений в их относительных степенях заряженности. Однако вследствие разницы в скорости саморазряда последовательно соединенные аккумуляторы приобретают различное состояние заряженности. Любое отклонение, вызванное дисперсией начальных характеристик саморазряда, градиентом температур внутри НВАБ и процессом старения, может увеличить разброс в степенях заряженности аккумуляторов, что приводит к деградации характеристик НВАБ, и более того, при отсутствии систем балансировки состояния заряда, может привести к снижению надежности работы НВАБ. Существует еще так называемый «эффект памяти», связанный с уменьшением емкости НВАБ при длительном цитировании на небольшую глубину - (10-20)%. Причиной уменьшения емкости НВАБ является кристаллизация некоторой части материала электродов аккумуляторов в силу отчуждения ее на длительное время от токообразующей химической реакции. Именно такая глубина цитирования выбирается при эксплуатации АБ на низких околоземных орбитах. Поэтому для выравнивания аккумуляторов по емкости, устранения так называемого «эффекта памяти» и оценки состояния АБ необходимо периодически проводить восстановительные (формовочные) циклы, которые представляют собой практически полный разряд и заряд АБ.
На ресурс, а, следовательно, и на надежность ее функционирования НВАБ существенное влияние оказывает ее температурный режим. Так режим работы в условиях повышенной температуры приводит к повышенной деградации основных характеристик аккумуляторов, а в условиях низких температур - к увеличению внутреннего сопротивления НВАБ.
Температурный режим НВАБ зависит как от температуры теплоносителя, охлаждающего аккумуляторы, так и собственного тепловыделения. Наибольшее тепловыделение возникает при перезаряде НВАБ, когда заряд аккумуляторов осуществляется в области низких КПД с выделением кислорода (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981). Поэтому выбор оптимального с точки зрения минимума собственного тепловыделения режима функционирования НВАБ в составе системы электропитания КА является актуальной задачей.
Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи по патенту RU №2289178 (аналог), заключающийся в том, что проводят заряд-разрядные циклы, осуществляют контроль напряжения каждого аккумулятора и батареи в целом, определяют текущую разрядную и зарядную емкости, а также ток заряда; заряд АБ проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости. Перед началом теневых участков геостационарной орбиты выполняют восстановительный разряд-зарядный цикл АБ, при этом АБ разряжают на разрядное сопротивление в течение 40-50 часов, причем заряд прекращают после снижения напряжения АБ до заданной величины, затем АБ заряжают, подключая ее в штатную схему СЭП.
Недостатком этого способа является также низкая надежность эксплуатации СЭП, в частности, и недостаточная живучесть КА в целом. Это связано с тем, что процесс проведения восстановительного разряд-заряда (формовочного цикла) занимает длительное время, и на это время аккумуляторная батарея выводится из штатной эксплуатации. Для геостационарных орбит это приемлемо, т.к. теневые орбиты занимают 90 суток в году, все остальное время КА находится на освещенном участке орбиты, электропитание осуществляется от солнечных батарей и вывод из эксплуатации одной АБ на длительное время практически не сказывается на живучести и надежности эксплуатации КА. Для низкоорбитальных космических аппаратов вывод из эксплуатации одной из батарей на длительное время может существенно снизить живучесть и надежность эксплуатации АБ, в частности, и КА в целом, т.к. теневые участки орбиты возникают каждые полтора часа.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи системы электропитания космического аппарата по патенту RU №2399122 (прототип), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой аккумуляторной батареи, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически проводят формовочные циклы АБ путем глубокого их разряда, оценивают состояние АБ, периодически, например, один раз в 6-9 месяцев, вводят запрет заряда для одной из АБ, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают в вольтах равным числу n либо (n+1) аккумуляторов в аккумуляторной батарее, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, включая тем самым ее в штатную работу, значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла, используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, при этом промежуток времени от завершения формовочного цикла одной АБ до начала формовочного цикла другой АБ выбирают, исходя из температурного режима отформованной АБ.
Недостатком прототипа является относительно низкая надежность системы электропитания, связанная со снижением ресурса АБ при ее длительной эксплуатации в условиях повышенной температуры. Действительно проведение периодически формовочных циклов существенно повышает ресурс АБ и, как правило, надежность ее функционирования в составе СЭП КА. Однако при неправильной штатной эксплуатации, когда АБ отключается от заряда при достижении заданного уровня заряженности, соответствующего в области низких КПД, возможен ее перегрев, приводящий к существенному ограничению ресурса и, как следствие, к снижению надежности функционирования.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности функционирования НВАБ путем увеличения ее ресурса, т.е. продолжительности штатной эксплуатации.
Поставленная задача достигается тем, что в способе эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) системы электропитания космического аппарата, заключающемся в том, что две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически один раз в 6-9 месяцев вводят запрет заряда для одной из АБ для выполнения формовочного цикла, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают в вольтах равным числу n либо (n+1) аккумуляторов в аккумуляторной батарее, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, а определяемое в процессе завершения формовочного цикла значение максимального напряжения АБ при заряде используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, в котором степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают или аппаратно по «жесткой» логике, или программно по «гибкой» логике, причем управление зарядом АБ по «гибкой» логике выбирают в качестве основного варианта, а по «жесткой» логике - в качестве резервного варианта, при этом отключение АБ от заряда по «жесткой» логике выполняют по признаку превышения давления газовой среды в АБ i-го порогового значения, выбранного в качестве рабочего из множества дискретных, заранее заданных пороговых значений давления, причем перевод на другое рабочее пороговое значение давления из данного множества осуществляют по разовой команде, исходя из величины температуры АБ, а отключением АБ от заряда по «гибкой» логике управляют дискретно при переходе из одного диапазона температур в другой и плавно внутри каждого диапазона, используя систему зависящих от ее температуры t линейных уравнений, справедливых соответственно в конкретном диапазоне изменения температуры АБ:
пор.
1
0
1
2
Р=α(Р - k·t) в диапазоне t≤t≤t;
пор.
2
0
2
3
Р=α(Р - k·t) в диапазоне t≤t≤t;
…………………………………………
пор.
n
0
n
n+1
Р=α-(P - k·t) в диапазоне t<t≤t;
пор.
крит.
крит.
t≥· t в диапазоне t≥t,
пор
где Р.- пороговое значение давления газовой среды в АБ, при котором АБ отключается от заряда, в МПа;
0
Р - величина (паспортное значение) давления газовой среды в АБ при температуре 0°С;
k - постоянный коэффициент, в МПа/град;
t - температура АБ, в °С;
i
α - постоянный безразмерный коэффициент, изменяющийся дискретно, например, от 1 до 0,6;
крит.
t - критичная для функционирования температура, при которой АБ отключается от заряда независимо от давления газовой среды в АБ;
1
2
n
α>α>·>α;
i
2
n
крит.
t<t<·<t<t
Ha чертеже показана упрощенная блок-схема работы СЭП.
наз
зар.
Система электропитания состоит из аккумуляторных батарей АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1, батареи фотоэлектрической (БФ) 2, комплекса автоматики и регулирования напряжения (КАС), включающего в себя разрядные устройства РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3, зарядные устройства ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4, стабилизатора напряжения и автоматики (СНА) 5. Бортовая аппаратура (БА) 6 может быть запитана от РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 или СНА 5, а также в процессе испытаний от наземного источника питания Е через дистанционный переключатель 7. Аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 перед стартом КА заряжаются вспомогательным зарядным устройством Е
В отдельных режимах функционирования системы электропитания РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 и СНА 5 могут питать электрической энергией совместно нагрузку, каковой является БА 6. При аномальной работе РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 или ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4 для изменения конфигурации СЭП может быть использована аварийная шина с коммутационной аппаратурой 8, например, при выходе из строя 3РУ1 аккумуляторная батарея АБ1 подключается параллельно АБ2 к 3РУ2 и т.д.
Из бортового комплекса управления (БКУ) 9 можно при необходимости выдавать разовые команды (РК) для изменения режимов работы СЭП, в том числе такие РК, как «Запрет заряда ABi», «Восстановление КАС», «Отключение ABi», «Выключение 3PYi от аварийной шины». При штатной работе СЭП аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 заряжаются на световом участке орбиты КА, а на теневом участке АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 питают БА 6 стабилизированным РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 напряжением. Батарея фотоэлектрическая 2 на световом участке обеспечивает стабилизированным СНА 5 напряжением БА 6 и одновременно заряжает АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1.
Из фиг. видно, что «минусовые» шины АБ не коммутируются и гальванически связаны между собой, поэтому коммутационная аппаратура 8 аварийной шины обеспечивает изменение конфигурации СЭП только по «плюсовой» шине.
Так как существенная разбежка параметров аккумуляторов АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 происходит через 6-9 месяцев, то периодичность проведения формовочных циклов выбирается один раз в 6-9 месяцев. При этом конкретный срок их проведения в пределах 6-9 месяцев может быть установлен, исходя из других требований, например, в период минимальной длительности теневых участков орбиты КА и т.д. Формовочные циклы проводят по очереди на одной из АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 в произвольном порядке, используя зарядно-разрядное устройство (3РУ) 10, состоящее из РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 и ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4, и аварийную шину с коммутационной аппаратурой 8 при необходимости. За сутки до проведения формовочного цикла при штатной работе системы электропитания осуществляют съем информации (на фиг. система телеметрического контроля КА не показана) о работе формуемой АБ (максимальное напряжение на заряде, минимальное напряжение при разряде, максимальную текущую емкость, максимальную температуру).
Запрет заряда формуемой АБ вводят путем выдачи из наземного комплекса управления (НКУ) через БКУ 8 РК «Запрет заряда АБ». В этом случае происходит разряд формуемой АБ на нагрузку (на бортовую аппаратуру 6) на теневых участках орбиты. Таким образом, запасенную в АБ энергию используют по прямому назначению. После выполнения необходимого глубокого разряда запрет заряда АБ снимают путем выдачи РК «Восстановление КАС» и формуемую АБ заряжают на фоне штатного функционирования СЭП на солнечных участках орбиты. Формовочный цикл считают завершенным, если формуемая АБ будет восполнена до заданного значения текущей емкости.
В предлагаемом способе эксплуатации НВАБ управление отключением АБ от заряда осуществляют, используя или «гибкую» логику (основной вариант), или «жесткую» логику (резервный вариант), не применяя сигнальных датчиков давления. Отключение АБ от заряда как по «гибкой» логике, так и по «жесткой» логике выполняют по расчетному или заданному пороговому значению давления газовой среды в НВАБ (далее по тексту порогового значения давления) соответственно, в качестве которой является водород, являющийся активным веществом аккумуляторов. В зависимости от степени заряженности давление газовой среды в НВАБ практически пропорционально изменяется, причем при заряде давление увеличивается, а при разряде уменьшается. (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981).
«Гибкая» логика управления отключением АБ от заряда, основанная на автоматическом выборе порогового значения давления в зависимости от температуры, построена на следующих принципах:
выбор массива диапазонов изменения температуры АБ;
выбор порогового значения давления при температуре t=0°С;
выбор массива постоянных коэффициентов для дискретного программного уменьшения порогового значения давления, в случае повышения температуры АБ и выхода ее за заданный i-ый диапазон;
выбор аналитической линейной зависимости порогового значения давления от температуры внутри каждого i-го диапазона;
выбор критичной температуры, при которой АБ отключается от заряда независимо от величины ее текущей емкости.
Этим условиям полностью удовлетворяет система линейных уравнений вида:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Р</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>и</mi><mi>а</mi><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><msub><mi>t</mi><mn>1</mn></msub><mo>≤</mo><mtext> </mtext><mi>t</mi><mtext> </mtext><mo>≤</mo><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mn>2</mn></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>Р</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>и</mi><mi>а</mi><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><msub><mi>t</mi><mn>2</mn></msub><mo><</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><msub><mi>t</mi><mn>3</mn></msub><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mo>…</mo><mtext>            </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mtext> </mtext><msub><mi>α</mi><mi>n</mi></msub><mo>⋅</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mn>0</mn></msub><mo>−</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>и</mi><mi>а</mi><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><msub><mi>t</mi><mi>n</mi></msub><mo><</mo><mi>t</mi><mo>≤</mo><msub><mi>t</mi><mi>n</mi></msub><msub><mrow /><mrow><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>;</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>t</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>≥</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mtext> </mtext><mi>в</mi><mtext> </mtext><mi>д</mi><mi>и</mi><mi>а</mi><mi>п</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>о</mi><mi>н</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mi>t</mi><mo>≥</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>т</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable>
пор.
где Р - пороговое значение давления газовой среды в АБ, при котором АБ отключается от заряда, в МПа;
0
Р - величина (паспортное значение) давления газовой среды в АБ при температуре 0°С;
k - постоянный коэффициент, в МПа/град;
t - температура АБ, в °С;
i
α - постоянный безразмерный коэффициент, изменяющийся дискретно, например, в диапазоне от 1 до 0,6;
крит.
t - критичная для функционирования температура АБ, при которой АБ отключается от заряда независимо от давления газовой среды в АБ;
1
2
n
α>α>·>α;
i
2
n
крит.
t<t<·<t<t
i
пор.
i
i+1
пор.
Из системы уравнений (1) видно, что для каждого диапазона температур АБ задается соответствующий постоянный коэффициент α, для дискретного изменения зависимости Р от температуры t. В диапазоне от t до tзависимость Р от температуры t имеет линейный характер. Величина ц варьируется примерно от 1 до 0,6, т.е. уменьшение максимально возможной емкости при ее восполнении АБ может достигать до 50%, однако такой режим может возникать только в случае аномальной работы системы терморегулирования и не является штатным.
«Жесткая» логика управления отключением АБ от заряда предусматривает наличие нескольких заранее заданных пороговых значений давления. При достижении порогового значения давления, выбранного в качестве рабочего, вводится запрет заряда АБ. При необходимости перехода на другое рабочее пороговое значение давления из НКУ выдают соответствующую РК (на фиг. НКУ не показан). Выбор того или иного порогового значения давления, как правило, зависит от температурного режима АБ, при этом чем выше температура, тем ниже пороговое значение давления.
В системе электропитания КА предусматривают защиту от высокой температуры, критичной для функционирования АБ. Резкое повышение температуры, как правило, возникает при заряде АБ, когда происходит выделение кислорода, поэтому наиболее эффективным мероприятием по защите АБ от перегрева является отключение от заряда на время, достаточное для снижения ее температуры до безопасной величины.
Повышение ресурса, следовательно, и надежности функционировании АБ достигается путем использования «гибкой» логики в качестве основного варианта и «жесткой» логики - в качестве резервного варианта.
Действительно используемая система уравнений (1) позволяет «гибко» отключать АБ от заряда: при этом в случае повышения температуры на некоторую величину уменьшается пропорционально пороговое значение давления и заряд АБ завершается в области высоких КПД и происходит уменьшение тепловыделения АБ, а затем, как следствие, снижение ее температуры. Дискретное изменение порогового значения давления при переходе из одного диапазона температур в другой существенно уменьшает вероятность отключения АБ от заряда в области низких КПД с большим тепловыделением.
В случае отказа «гибкой» логики отключение АБ от заряда обеспечивается по «жесткой» логике. «Жесткая» логика практически не уступает по эффективности «гибкой» логике, а в некоторых случаях, когда температура АБ выходит за пределы штатных условий эксплуатации, она расширяет возможности управления режимом функционирования АБ. К недостаткам управления отключением АБ от заряда по «жесткой» логике следует отнести необходимость наличия большого количества РК и вмешательства в работу СЭП из НКУ.
Таким образом, применение предлагаемого способа эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата позволит повысить ресурс и, как следствие, надежность эксплуатации АБ