АККУМУЛЯТОРНАЯ БАТАРЕЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к конструкции аккумуляторной батареи для системы электроснабжения околоземных малых космических аппаратов.
Известна аккумуляторная батарея [патент РФ 2667905], включающая установленные на плите-основании два аккумуляторных модуля, состоящие из цилиндрических аккумуляторов, имеющих одноразовый встроенный элемент защиты, разрывающий внутреннюю электрическую цепь при повышении его внутреннего давления. В каждом модуле аккумуляторы электрически сначала соединяются парами последовательно, а затем пары подключаются по параллельно-последовательной схеме. Конструктивно модули выполнены в виде изготовленных из алюминиевого сплава двух параллельных друг другу оксидированных пластин-держателей, имеющих сквозные цилиндрические отверстия, в которые установлены с гарантированным зазором и закреплены с помощью клея аккумуляторы. С внешней стороны одной из пластин-держателей размещены токопроводящие перемычки, соединяющие пары аккумуляторов последовательно. С внешней стороны второй пластины-держателя размещены токосборные шины, соединяющие с использованием сварки пары аккумуляторов параллельно или параллельно-последовательно. Модули электрически соединены между собой параллельно и выведены электрическими жгутами на электрический соединитель).
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является аккумуляторная батарея [патент РФ на полезную модель №178488], содержащая аккумуляторные модули, соединенные электрически последовательно. Каждый аккумуляторный модуль включает в себя несколько расположенных параллельно оси модуля цилиндрических аккумуляторов, соединенных между собой электрически параллельно с помощью размещенных рядом с их торцами токосборных шин.
В аккумуляторной батарее, изготовленной с использованием данного патента на полезную модель, для обеспечения в ней равномерного температурного поля в каждом аккумуляторном модуле дополнительно предусмотрен металлический радиатор, обеспечивающий кондуктивный теплообмен между аккумуляторами и основанием, от которого он отделен теплопроводящей (1,2 Вт/м⋅К) электроизоляционной прокладкой 5. Аккумуляторы своей центральной частью закреплены в отверстия радиаторов с помощью теплопроводящего электроизоляционного клея. [Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. Приложение за 2017 г. Материалы докладов Пятой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли». - с. 202-206.].
Недостатком известных батарей для использования в системе электроснабжения околоземного малого космического аппарата является появления при ее заряде или разряде магнитного момента, который при взаимодействии с магнитным полем Земли создает не контролируемый возмущающий вращательный момент, влияющий на движение космического аппарата по орбите.
Задачей настоящей полезной модели является создание аккумуляторной батареи на основе цилиндрических литий-ионных аккумуляторов для малых космических аппаратов, в которой обеспечивается в течение всего срока его активного существования снижение магнитного момента до значений, не влияющих на движение космического аппарата по околоземной орбите.
Указанных технический результат достигается тем, что:
1. В аккумуляторной батарее, состоящей из подключенных в последовательную цепь с помощью соединительных шин четного количества N аккумуляторных модулей (где N≥4), образованных соединенными аккумуляторами и имеющих конструкционные элементы (радиаторы) для отвода кондуктивным способом выделяющегося в аккумуляторах тепла, отличающаяся тем, что аккумуляторные модули установлены в два ряда, а электрические цепи батареи выполнены таким образом, что замкнутые контура токов, протекающих в соединительных шинах и аккумуляторных модулях создают равные по величине, но противоположно направленные (скомпенсированные) магнитные моменты в контурах соседних аккумуляторных модулей, расположенных в одном ряду, и контурах смежных аккумуляторных модулей, расположенных в разных рядах, при этом в последовательную цепь соединяются сначала аккумуляторные модули, создающие магнитный момент одного направления поочередно из первого и второго ряда, а потом аккумуляторные модули, создающие магнитный момент противоположного направления также поочередно из первого и второго ряда.
2. В батарее аккумуляторные модули (где N≥4) образованы параллельно соединенными с помощью токосборных шин аккумуляторами или подключенными последовательно с помощью перемычек парами аккумуляторов.
3. В батарее в последовательную цепь соединяются сначала аккумуляторные модули, находящиеся в первом ряду, а затем аккумуляторные модули, находящиеся во втором ряду.
4. В батарее аккумуляторные модули одного ряда имеют общие конструкционные элементы (радиаторы) для отвода выделяющегося в аккумуляторах тепла.
5. В батарее радиаторы выполнены в виде двух параллельных друг другу металлических пластин-держателей, имеющих сквозные цилиндрические отверстия, между которыми установлены и закреплены в отверстиях аккумуляторы.
6. В батарее аккумуляторы установлены в пластинах-держателях с помощью электроизолирующих теплопроводящих втулок и электрически соединены с помощью размещенных с внешней стороны пластин-держателей токосборных шин, соединяющих аккумуляторы параллельно или параллельно-последовательно, и токопроводящих шин, соединяющих аккумуляторы последовательно.
7. В батарее каждом ряду аккумуляторные модули с противоположным направлением магнитного момента размещены в двух ярусах и расположены один над другим.
Пример выполнения аккумуляторной батареи.
Аккумуляторная батарея состоит из 192 цилиндрических аккумуляторов 1 в электрической конфигурации 2S24P4S. Ее структурная электрическая схема приведена на фиг. 1. Конструктивно батарея состоит из расположенных в два ряда 2 и 3 аккумуляторных модулей 4-7. Каждый аккумуляторный модуль 4-7 образован параллельным соединением двадцати четырех пар аккумуляторов, соединенных между собой последовательно перемычками 8. Аккумуляторные модули соединены шинами 9 в последовательную цепь в следующей очередности 4-7-5-6. Расположение аккумуляторов в модулях таково, что при протекании тока в аккумуляторных модулях 4 и 7 возникают магнитные моменты, направление которых противоположно направлению магнитных моментов, создаваемых в аккумуляторных модулях 5 и 6.
Конструкция батареи приведена на фиг. 2, 3, 4, 5. Аккумуляторные модули 4-7 размещены на плите-основание 10 в два ряда 2 и 3 (фиг. 3). Каждый аккумуляторный модуль 4-7 имеет выполняющие роль радиатора изготовленные из алюминиевого сплава две параллельные друг другу оксидированные пластины-держателя 11 и 12, имеющие сквозные цилиндрические отверстия, в которые установлены с гарантированным зазором и закреплены с помощью клея аккумуляторы 1.
С внешней стороны пластин-держателей 11 размещены токопроводящие перемычки 8, соединяющие пары аккумуляторов 1 последовательно.
С внешней стороны пластин-держателей 12 размещены токосборные шины (+) 13 и (-) 14, соединяющие пары аккумуляторов 1 в пакетах 4…7 параллельно. Соединение аккумуляторов 1 с токосборными шинами 13 и 14 и токопроводящими перемычками 8 производится с использованием сварки.
Аккумуляторные модули 4 и 5 имеют общие пластины-держатели 11 и 12 и установлены на плите-основание 10 в два яруса один над другим (фиг. 4).
Аналогично аккумуляторные модули 6 и 7 также имеют общие пластины-держатели 11 и 12 и установлены на плите-основание 10 в два яруса один над другим (фиг. 5)
Токосборные шины (+) 13 и (-) 14 в каждом аккумуляторном модуле 4-7 объединены между собой с помощью соответствующих соединительных шин 9, которые соединяют аккумуляторные модули в последовательности 4-7-5-6. Оконечные соединительные шины затем выводятся электрическими жгутами на электрический соединитель, для подключения батареи к внешним устройствам (на фиг. 2-5 условно не показаны).
Данная конструкция батареи позволяет обеспечить достижение необходимого технического эффекта - существенного снижения магнитного момента во всех режимах работы батареи за счет взаимной компенсации магнитных моментов создаваемых в аккумуляторных модулях 4-7.
Достижение положительного технического результата при работе батареи в режиме заряда поясняется фигурами 6-9. На фиг. 6 и 7 показаны площади проекции на плоскость XY контуров и направления протекания тока при заряде батареи в нижнем ярусе батареи (аккумуляторных модулях 4, 6) и в верхнем ярусе батареи (аккумуляторных модулях 5, 7), соответственно. Площади контуров токов S1 - S4 равны между собой (с точностью, определяемой отклонениями в размерах конструкционных элементов батареи). Учитывая последовательное соединение аккумуляторных модулей и, соответственно, одинаковую величину протекающего через них тока, магнитные моменты, создаваемые контурами S1 и S4 и направленные по оси Z, равны по величине и компенсируют магнитные моменты, создаваемые контурами S2 и S3 и направленные в обратном направлении. При этом компенсация магнитных моментов происходит в аккумуляторных модулях одного яруса первого 2 и второго 3 рядов, так и в каждом ряду в аккумуляторных модулях верхнего и нижнего яруса.
На фиг. 8 показаны направление протекания токов при заряде батареи в плоскости XZ в аккумуляторных модулях 4 и 5 (верхний рисунок) и в аккумуляторных модулях 6 и 7 (нижний рисунок). При работе батареи в этой плоскости также образуются два разнонаправленных контура протекания тока одинаковой площади, магнитные моменты которых также взаимно компенсируются.
На фиг. 9 показаны площади проекции на плоскость YZ контуров и направления протекания тока в шинах батареи при ее заряде S5 и S6 (токи, протекающие в аккумуляторах условно не показаны, так как площадь проекции контуров каждой пары аккумуляторов равна нулю). При работе батареи в этой плоскости также образуются два разнонаправленных контура протекания тока одинаковой площади S5 и S6, магнитные моменты которых также взаимно компенсируются.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что суммарный магнитный момент, создаваемый при заряде батареи практически равен нулю. Аналогично, при разряде батареи направления протекания тока изменятся на противоположные, но создаваемые ими результирующие магнитные моменты останутся скомпенсированными, так как через все аккумуляторные модули протекает один и тот же ток.
По этой же причине в процессе эксплуатации батареи при старении и отказах аккумуляторов, приводящих к изменению емкость батареи и, соответственно, величины ее рабочих токов, создаваемые в аккумуляторных модулях магнитные моменты во всех плоскостях останутся скомпенсированными, а результирующий магнитный момент близким к нулю.
Все перечисленные в описании признаки непосредственно влияют на достижение указанного технического результата посредством предложенной схемы размещения и соединения аккумуляторных модулей. Размещение в два ряда и последовательное поочередное соединение аккумуляторных модулей с взаимно компенсирующими друг друга магнитными моментами при протекании тока в батарее является существенным признаком с альтернативными элементами, направленными на достижение технического результата полезной модели: минимизация магнитного момента батареи в течение всего срока ее эксплуатации, в том числе и в условиях отказов отдельных аккумуляторов.