Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи и аккумуляторная батарея для его реализации
Владельцы патента RU 2258982:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнёва" (RU)
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания. Согласно изобретению заявлены способ эксплуатации и никель-водородная аккумуляторная батарея, состоящая из «n» последовательно соединенных аккумуляторов, зашунтированных байпасными диодами в зарядном и разрядном направлениях и короткозамыкателями одноразового действия. Способ включает проведение заряд-разрядных циклов, и шунтирование неисправного аккумулятора короткозамыкателем одноразового действия. Для шунтирования аккумулятора контролируют появление тока в цепях байпасных диодов и по этому параметру проводят шунтирование аккумулятора, причем нагревательные элементы короткозамыкателей одноразового действия включают в цепи байпасных диодов. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и упрощение процесса шунтирования неисправного аккумулятора. 4 н.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания ИСЗ.
Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи, предусматривающий «обход» отказавшего в процессе эксплуатации аккумулятора посредством диодных (байпасных) цепей (см. W.I.Billerbeck, W.E.Baker «The desing of reliable power systems for communi cations satelite», Comsat Laboratories Clarksburg, AIAA/NASA Spacesyst. Technol.Conf. 14/8, 5-7 June, 1984).
Недостатком известного способа является то, что при отказе какого-либо аккумулятора и работе через «обходные» диоды возникают дополнительные потери электроэнергии на самих диодах. Кроме того, наличие падения напряжения на диодах /0,4-0,6/В, приложенного к отказавшему аккумулятору, способствует протеканию в последнем электрохимических реакций, что может привести в отдельных случаях к его разгерметизации.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи путем проведения зарядно-разрядных циклов и шунтирования неисправного аккумулятора, отличающийся тем, что величину сопротивления шунтирующей аккумулятор цепи выбирают из условия:
R<0,3I, где
I - максимальная величина тока через аккумулятор (см. авторское свидетельство №1396881, Н 01 М 10/44).
Известный способ устраняет указанные выше недостатки, однако в нем не определены критерии отказа аккумулятора, что может привести к ошибочному шунтированию исправного аккумулятора.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, усовершенствующий способ по авторскому свидетельству N1396881, по которому контролируют наличие емкости в аккумуляторной батарее и минимальное напряжение аккумуляторов, а шунтирование соответствующего аккумулятора проводят при наличии емкости в батарее по минимальному напряжению этого аккумулятора (авторское свидетельство №1795848).
Недостатком этого способа является то, что он не учитывает отказ аккумулятора типа «обрыв» или повышение внутреннего сопротивления аккумулятора сверх допустимой величины. Отказы такого рода для никель-водородных аккумуляторов могут быть связаны с утечкой водорода вследствие нарушения герметичности аккумулятора (см. главу Х1.3 Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов «Металл-водородные электрические системы», Ленинград, Химия, Ленинградское отделение, 1989 г. стр.265-266 [1]).
Полный внезапный «обрыв» аккумулятора также реален и был зафиксирован в процессе виброиспытаний аккумуляторной батареи 28НВ45. Причина - обрыв электрода аккумулятора.
Следует отметить, что при полном «обрыве» аккумулятора в процессе заряда аккумуляторной батареи на датчик контроля напряжения аккумулятора будет подано напряжение, равное зарядному напряжению за вычетом ЭДС оставшихся (n-1) аккумуляторов, то есть величина, значительно превышающая предельное значение напряжения аккумулятора.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи путем проведения заряд-разрядных циклов, контроля минимального напряжения аккумуляторов для ограничения разряда и шунтирования неисправного аккумулятора, в котором дополнительно контролируют максимальное напряжение аккумуляторов на уровне, превышающем их предельное зарядное напряжение, и шунтирование неисправного аккумулятора проводят также по этому параметру (см. патент №1836757 от 13 октября 1992 г.), который выбран в качестве прототипа.
Недостатком всех известных способов эксплуатации, связанных с шунтированием неисправного аккумулятора, является их недостаточно высокая надежность и громоздкость аппаратной реализации. Так для реализации известного способа в составе ИСЗ требуются специальная аппаратура контроля напряжения каждого аккумулятора, специальная аппаратура для включения на нагрев соответствующей нагревательной обмотки короткозамыкателя и так далее. Кроме того, для обеспечения полной уверенности в том, что закорачивается именно неисправный аккумулятор необходимо либо встраивать контроллеры напряжения аккумуляторов в конструкцию короткозамыкателей, либо чрезмерно усложнить процесс контроля правильной адресовки.
Известны аккумуляторные батареи, описанные в B.C.Багоцкий, А.М.Скундин «Химические источники тока», Москва, Энергоиздат, 1981 г. [2].
Известны никель-водородные аккумуляторные батареи, описанные в [1]).
Однако известные материалы не содержат рекомендаций по защите аккумуляторной батареи от свершившихся отказов аккумуляторов.
В настоящее время предприятием ОАО «Сатурн» г.Краснодар изготавливаются никель-водородные аккумуляторные батареи (например 40НВ-70), имеющие в своем составе 40 последовательно соединенных аккумуляторов, параллельно каждому из которых подключены разрядные байпасные диоды и силовые цепи короткозамыкателей одноразового действия, а нагревательные цепи короткозамыкателей одноразового действия выведены на соединители для внешнего управления. Конструкция батареи описана в ЖЦПИ.563533.012-01.
Этим же предприятием изготавливаются никель-водородные аккумуляторные батареи имеющие, наряду с разрядными, также зарядные байпасные диоды, например батарея 28НВ-50 (ЖЦПИ.563533.019Э3)
Данные аккумуляторные батареи приняты за прототип.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и упрощение процесса шунтирования неисправного аккумулятора, а также повышение надежности и автономности самой аккумуляторной батареи.
Поставленная цель достигается тем, что для шунтирования аккумулятора контролируют появление тока в цепях байпасных диодов и по этому параметру проводят шунтирование аккумулятора, причем нагревательные элементы короткозамыкателей одноразового действия включают в цепи байпасных диодов.
Действительно, на исправном аккумуляторе появление тока в цепи его байпасного диода однозначно свидетельствуют об отказе этого аккумулятора.
Причем появление тока в цепи разрядного байпасного диода возможно как при отказе аккумулятора, связанного с появлением внутреннего шунта, так и при отказе типа «обрыв», а появление тока в цепи зарядного байпасного диода возможно только при появлении отказа типа «обрыв».
Опыт эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей показывает, что отказы типа «внутренний шунт» не являются однозначно необратимыми. На практике были отмечены случаи последующего полного (или частичного) самопроизвольного (или после проведения специальных программ) восстановления характеристик прежде неисправных аккумуляторов. В то же время, отказ типа «обрыв» однозначно необратим.
В этой связи разработчику автономной системы электропитания ИСЗ необходимо решить по каким типам отказов (внутренний шунт или «обрыв») необходимо на данном ИСЗ шунтировать аккумулятор и в зависимости от этого соответствующим образом включить нагревательные элементы короткозамыкателей одноразового действия.
Реализацию предлагаемого способа целесообразно осуществить в самой аккумуляторной батарее, так как дополнительных (внешних) устройств для этого не требуется.
Это позволит повысить надежность и автономность аккумуляторной батареи. В случае отказа какого-либо аккумулятора проблема восстановления работоспособности батареи решается ею самой автоматически.
На чертежах, фиг.1 и 2 приведены электрические схемы аккумуляторных батарей для реализации предлагаемого способа.
Аккумуляторная батарея содержит последовательно соединенные аккумуляторы А1 - An.
Параллельно аккумуляторам подключены зарядные байпасные диоды Д11, Д12, Д13 - Дn1, Дn2, Дn3, разрядные байпасные диоды Д4 - Дn4 и короткозамыкатели одноразового действия К1 - Kn.
Нагревательные элементы (обмотки) короткозамыкателей одноразового действия включены в цепи разрядных байпасных диодов - фиг.1 и в цепи зарядных байпасных диодов - фиг.2.
При установке нагревательных элементов короткозамыкателей в цепи разрядных диодов аккумуляторная батарея работает следующим образом.
При отказе в процессе эксплуатации какого-либо аккумулятора А - An вследствие появления внутреннего шунта, напряжение на нем снизится до отрицательного (вследствие его переполюсовки до величины, ограниченной падением напряжения на разрядном диоде плюс нагревательном элементе короткозамыкателя) значения и через разрядный диод и последовательно соединенный с ним нагревательный элемент короткозамыкателя в режиме разряда аккумуляторной батареи начнет протекать ток разряда аккумуляторной батареи (в режиме заряда аккумуляторной батареи ток через разрядный диод протекать не будет). В результате замкнется цепь соответствующего короткозамыкателя одноразового действия и протекание тока через этот диод и нагревательный элемент прекратится. Аккумулятор будет надежно зашунтирован, и дальнейшая работа аккумуляторной батареи будет идти по прежнему алгоритму.
При отказе аккумулятора какого-либо аккумулятора А - An «обрывом» разрядный диод с нагревательным элементом короткозамыкателя просто окажутся в цепи протекания разрядного тока аккумуляторной батареи. Далее отключение соответствующего аккумулятора из работы произойдет как и при возникновении внутреннего шунта.
При установке нагревательных элементов короткозамыкателей в цепи зарядных диодов аккумуляторная батарея работает следующим образом.
При отказе в процессе эксплуатации какого-либо аккумулятора А - An вследствие появления внутреннего шунта, напряжение на нем снизится до отрицательного (вследствие его переполюсовки до величины, ограниченной падением напряжения на разрядном диоде) значения и через разрядный диод в режиме разряда аккумуляторной батареи начнет протекать ток разряда аккумуляторной батареи. В режиме заряда аккумуляторной батареи зарядный ток будет протекать непосредственно через неисправный аккумулятор.
При отказе аккумулятора какого-либо аккумулятора А - An «обрывом» разрядный диод просто окажется в цепи протекания разрядного тока аккумуляторной батареи. В режиме заряда аккумуляторной батареи зарядный ток будет протекать через зарядные диоды и последовательно соединенный нагревательный элемент соответствующего короткозамыкателя.
В результате замкнется цепь соответствующего короткозамыкателя одноразового действия и протекание тока через эти диоды и нагревательный элемент прекратится. Аккумулятор будет надежно зашунтирован и дальнейшая работа аккумуляторной батареи будет идти по прежнему алгоритму.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить надежность и упростить процесс шунтирования неисправного аккумулятора в аккумуляторной батарее, а также повысить надежность и автономность самой аккумуляторной батареи.
1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, состоящей из «n» последовательно соединенных аккумуляторов, зашунтированных байпасными диодами и короткозамыкателями одноразового действия путем проведения заряд-разрядных циклов и шунтирования неисправного аккумулятора короткозамыкателем одноразового действия, отличающийся тем, что контролируют токи в цепях разрядных байпасных диодов каждого аккумулятора, а шунтирование аккумулятора проводят при появлении в них токов.
2. Аккумуляторная батарея, содержащая «n» аккумуляторов, соединенных последовательно, «n» разрядных и «n» зарядных цепей байпасных диодов, «n» короткозамыкателей одноразового действия, содержащих нагревательные цепи, причем цепи разрядных и трех последовательно соединенных зарядных байпасных диодов, а также короткозамыкатели одноразового действия подключены параллельно каждому аккумулятору соответственно, отличающаяся тем, что нагревательные цепи короткозамыкателей одноразового действия включены в цепи разрядных байпасных диодов соответствующих аккумуляторов.
3. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, состоящей из «n» последовательно соединенных аккумуляторов, зашунтированных байпасными диодами и короткозамыкателями одноразового действия путем проведения заряд-разрядных циклов и шунтирования неисправного аккумулятора короткозамыкателем одноразового действия, отличающийся тем, что контролируют токи в цепях трех последовательно соединенных зарядных байпасных диодов каждого аккумулятора, а шунтирование аккумулятора проводят при появлении в них токов.
4. Аккумуляторная батарея, содержащая «n» аккумуляторов, соединенных последовательно, «n» разрядных и «n» зарядных цепей байпасных диодов, «n» короткозамыкателей одноразового действия, содержащих нагревательные цепи, причем цепи разрядных и трех последовательно соединенных зарядных байпасных диодов, а также короткозамыкатели одноразового действия подключены параллельно каждому аккумулятору соответственно, отличающаяся тем, что нагревательные цепи короткозамыкателей одноразового действия включены в цепи трех последовательно соединенных зарядных байпасных диодов соответствующих аккумуляторов.
