Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания и аккумуляторная батарея для его реализации

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании никель-водородных аккумуляторных батарей для автономных систем электропитания, преимущественно связных ИСЗ. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания заключается в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и индивидуальном подзаряде аккумуляторов в процессе разряда аккумуляторной батареи, и аккумуляторная батарея для его реализации содержит n аккумуляторов, соединенных последовательно, n разрядных и n зарядных цепей байпасных элементов, причем цепи разрядных и зарядных байпасных элементов подключены параллельно каждому аккумулятору соответственно. Техническим результатом является повышение эффективности и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, который достигается за счет того, что подзаряд аккумуляторов проводят стабильным напряжением, причем уровень стабилизации напряжения на аккумуляторе выбирают в диапазоне 0-0,8 В, для этого разрядные байпасные элементы выполнены в виде n гальванически развязанных выпрямителей, выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору аккумуляторной батареи соответственно, а входами - к дополнительно введенному стабилизированному преобразователю постоянного напряжения в переменное. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания ИСЗ.

Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи, предусматривающий "обход" "слабого" или отказавшего в процессе эксплуатации аккумулятора посредством диодных (байпасных) цепей /см. W.I.Billerbeck, W.E.Baker "The desing of reliable power systems for communications satelite", Comsat Laboratories Clarksbufg, AIAA/NASA Spacesyst. Technol. Conf. 14/8, 5-7 june, 1984/.

Недостатком известного способа является то, что при 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 (отрицательной полярности по отношению к полярности аккумулятора), способствует протеканию в последнем электрохимических процессов, что может привести, в отдельных случаях, к его разгерметизации с нежелательными последствиями.

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 N1396881, 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 N 1396881, 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 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.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи, реализованный "устройством для разряда аккумуляторной батареи" по авт. свид. №902116, RU, 1982 г., который выбран в качестве прототипа.

Согласно известному способу разряд аккумуляторной батареи в процессе ее эксплуатации проводится с одновременным подзарядом аккумуляторов, достигших определенной установленной величины напряжения. При этом снижается возможность переполюсовки отдельных аккумуляторов в процессе разряда аккумуляторной батареи и повышается величина разрядной емкости аккумуляторной батареи.

Недостатком известного способа является его низкая надежность при работе с никель-водородными аккумуляторными батареями.

На фиг.1 приведены разрядные характеристики аккумуляторов аккумуляторной батареи 40НВ-70 изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар. Как видно из чертежа (на чертеже представлены разрядные характеристики трех аккумуляторов), разрядные напряжения аккумуляторов имеют существенный разброс. При этом аккумулятор, имеющий самое низкое разрядное напряжение, оказался по емкости выше аккумуляторов с более высоким разрядным напряжением, по которому произошло отключение разряда аккумуляторной батареи.

Из приведенного примера следует, что подзаряд аккумуляторов, исходя из их разрядного напряжения для никель-водородных аккумуляторных батарей, неэффективен.

Известны аккумуляторные батареи, описанные в B.C. Багоцкий, А.М. Скундин "Химические источники тока", Москва, Энергоиздат, 1981 г. [1].

Известны никель-водородные аккумуляторные батареи, описанные в Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрохимические системы", Ленинград: Химия, 1989 г., [2]).

Однако известные материалы не содержат рекомендаций по защите аккумуляторной батареи от свершившихся отказов (полных или частичных) 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).

Аккумуляторная батарея 28НВ-50 принята за прототип.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что подзаряд аккумуляторов проводят стабильным напряжением, причем уровень стабилизации напряжения на аккумуляторе выбирают в диапазоне 0-0,8 B, для этого разрядные байпасные элементы выполнены в виде n гальванически развязанных выпрямителей, выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору аккумуляторной батареи соответственно, а входами - к дополнительно введенному стабилизированному преобразователю постоянного напряжения в переменное.

Действительно, в диапазоне разрядного напряжения 0-0,8 В емкость в аккумуляторе практически отсутствует (см. Фиг.1), кроме того, при напряжении 0,8 В и ниже гарантированно обеспечен глубокий разряд аккумулятора (см. [2], глава XI/1.3), и, следовательно, именно в этом диапазоне целесообразно прекратить дальнейший разряд аккумулятора, чтобы избежать его последующей переполюсовки со всеми вытекающими из этого отрицательными последствиями. При этом желательно продолжить разряд самой аккумуляторной батареи для обеспечения электроэнергией потребителей.

Введение в конструкцию аккумуляторной батареи дополнительных элементов (стабилизированного преобразователя и n выпрямителей) позволяет обеспечить ее самостоятельную защиту от переполюсовок аккумуляторов и при этом повысить эффективность ее использования. Кроме того, введение указанных элементов непосредственно в конструкцию аккумуляторной батареи позволяет снизить потери электроэнергии и улучшить габаритно-весовые характеристики автономной системы электропитания в целом.

На фиг.2 приведена функциональная схема аккумуляторной батареи для реализации предлагаемого способа.

Аккумуляторная батарея содержит последовательно соединенные аккумуляторы А1-An.

Параллельно аккумуляторам подключены зарядные байпасные диоды Д11, Д12, Д13 - Дn1, Дn2, Дn3 и разрядные байпасные элементы - выпрямители В1-Bn, связанные с преобразователем постоянного напряжения в стабилизированное переменное напряжение CH.

Преобразователь постоянного напряжения в стабилизированное переменное напряжение СН входом может быть запитан с силовых клемм аккумуляторной батареи или с стабилизированных шин автономной системы электропитания. Последнее существенно упрощает конструкцию СН.

Аккумуляторная батарея работает следующим образом.

В процессе разряда аккумуляторной батареи выпрямители В1-Bn заперты более высоким напряжением аккумуляторов А1-An соответственно.

При снижении напряжения на каком-либо аккумуляторе до 0-0,8 В соответствующий выпрямитель начинает компенсировать разрядный ток аккумуляторной батареи, исключая при этом переполюсовку аккумулятора.

В процессе разряда аккумуляторной батареи таких аккумуляторов может быть несколько, в зависимости от ограничений автономной системы электропитания на минимальное разрядное напряжение аккумуляторной батареи.

Это обеспечивает продолжение разряда аккумуляторной батареи, что повышает эффективность и надежность ее использования.

При работе аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ возможность получения максимальной разрядной емкости является очень существенным фактором, так как определяет мощность сеансной нагрузки (количество включенных стволов ретрансляторов) при прохождении теневых участков орбиты.

Таким образом, предлагаемый способ и аккумуляторная батарея для его реализации позволяют повысить эффективность и надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания, заключающийся в проведении зарядно-разрядных циклов, контроле напряжения каждого аккумулятора и индивидуальном подзаряде аккумуляторов в процессе разряда аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что аккумуляторная батарея содержит n аккумуляторов, соединенных последовательно, n зарядных цепей байпасных элементов, подключенных параллельно каждому аккумулятору соответственно, при этом разрядные байпасные элементы выполнены в виде n гальванически развязанных выпрямителей, выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору аккумуляторной батареи соответственно, а входами - к дополнительно введенному стабилизированному преобразователю постоянного напряжения в переменное, при этом уровень стабилизации напряжения на аккумуляторе выбирают в диапазоне (0-0,8)В.

2. Аккумуляторная батарея для реализации способа по п.1, содержащая n аккумуляторов, соединенных последовательно, n разрядных и n зарядных цепей байпасных элементов, причем цепи разрядных и зарядных байпасных элементов подключены параллельно каждому аккумулятору соответственно, отличающаяся тем, что разрядные байпасные элементы выполнены в виде n гальванически развязанных выпрямителей, выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору аккумуляторной батареи соответственно, а входами к дополнительно введенному стабилизированному преобразователю постоянного напряжения в переменное.