Способ подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в системе электропитания искусственного спутника земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в системах электропитания преимущественно геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Согласно изобретению способ подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в автономной системе электропитания заключается в ее термостатировании в диапазоне температуры (5÷25)°С, при проведении стартового заряда. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности. При этом при проведении стартового заряда аккумуляторную батарею термостатируют на нижнем уровне температур (5÷8)°С, а перед началом штатной эксплуатации - на верхнем уровне (15÷25)°С. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных (НВ) аккумуляторных батарей (АБ) в системах электропитания преимущественно геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Как известно, вывод ИСЗ на геостационарную орбиту связан с длительным нахождением аппарата на переходной орбите в течение 7-10 часов, когда основной источник электроэнергии - солнечная батарея (БС) - находится в сложенном состоянии, а электропитание аппаратуры обеспечивается только от аккумуляторной батареи. Энергия аккумуляторной батареи требуется и тогда, когда происходит раскрытие панелей БС, поиск Солнца и ориентация панелей, что занимает дополнительно еще 3 часа. Возможные задержки в ориентации также приводят к увеличению времени работы бортовой аппаратуры только от аккумуляторной батареи.

Таким образом, на участке выведения ИСЗ на геостационарную орбиту, проведения ориентации панелей БС на Солнце предъявляются очень высокие требования к энергии аккумуляторной батареи, которые в свою очередь обеспечиваются как типом электрохимической системы аккумулятора (например никель-водородный), так и эффективностью ее стартового заряда.

Известен способ эксплуатации герметичного аккумулятора путем проведения заряд-разрядных циклов с отключением от заряда по заданному конечному напряжению и периодическому подзаряду (Авторское свидетельство СССР №260714, кл. Н01М 10/44, 1968). Однако зарядная кривая герметичных никель-водородных аккумуляторов не имеет резко выраженного напряжения соответствующего полной заряженности. Кроме того, величина зарядного напряжения меняется в зависимости от температуры, при которой происходит заряд. Это не дает возможности надежно контролировать степень заряженности аккумулятора.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают, исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов (патент №2084055, Н01М 10/44), который выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что он обеспечивает заряд аккумуляторной батареи только до уровня (60-80)% номинальной емкости. Попытки установить уровень заряженности более 80% номинальной емкости приводят к повышению тепловыделения и повышению температуры аккумуляторов.

При превышении температуры аккумуляторов выше расчетной величины, для данной конструкции аккумуляторной батареи, может развиваться явление так называемого "теплового разгона", состоящего в том, что дальнейшее повышение температуры при перезаряде вызывает более интенсивное выделение кислорода из положительного электрода и увеличивает активность отрицательного электрода, что увеличивает, в свою очередь, скорость рекомбинации кислорода с водородом и интенсифицирует тепловыделение. В итоге процесс развивается с положительной обратной связью. В этом случае заданный уровень плотности водорода в аккумуляторах (согласно патенту №2084055, Н01М 10/44) не достигается, что снижает эффективность и надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.

Экспериментально установлено, что зона риска выхода НВ батареи на тепловой разгон находится выше 25°С температуры окружающей среды или посадочного места корпуса батареи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования никель-водородной аккумуляторной батареи, на участке выведения геостационарного ИСЗ.

Поставленная цель достигается тем, что при проведении стартового заряда АБ термостатирование производят на нижнем уровне заданного диапазона температур, а перед началом штатной эксплуатации - на верхнем уровне. Кроме того, нижний уровень температуры устанавливают в диапазоне (5÷8)°С, а верхний - в диапазоне (15÷25)°С.

Суть предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена зависимость разрядной емкости НВ батареи от рабочей температуры, на фиг.2 представлены кривые саморазряда НВ-70 для различных температур, а на фиг.3 изображена схема термостатирования космической головной части на стартовом комплексе при проведении стартового заряда.

Известна зависимость (фиг.1) разрядной емкости НВ батареи от температуры окружающей среды, в соответствии с которой пик отдаваемой емкости приходится на диапазон температур (15÷25)°С (см. НПК "САТУРН" Отчет о НИР "Создание никель-водородных аккумуляторов емкостного ряда 40...60 и 80...130 А·ч для систем электропитания объектов общей техники" 1991 г., стр.68).

В то же время проведенные исследования поведения НВ аккумуляторов и батарей при заряде показали, что оно может быть полностью описано кривой саморазряда НВ аккумулятора. Кривая саморазряда является абсолютным индикатором величины емкости, которую можно сообщить батарее в разных температурных условиях.

На фиг.2 приведены кривые саморазряда широко применяемого на отечественных геостационарных ИСЗ аккумулятора НВ-70 для двух температур: 5°С и 20°С.

Кривая саморазряда при заряде при температуре 20°С показывает, что добиться 100% степени заряженности без значительного тепловыделения невозможно. Однако уже при температуре 5°С, что является нижним пределом, обусловленным требованиями к тепловому режиму внутри КГЧ, тепловыделение аккумулятора практически отсутствует, что позволяет достичь 100% заряженности аккумулятора (батареи). Это правомерно и для всего диапазона (5÷8)°С.

Сочетая эти два приема - стартовый заряд при низких температурах (5÷8)°С, обеспечивающий 100% степень заряженности, и разряд в оптимальном диапазоне температур (15÷25)°С, можно добиться максимальной эффективности НВ АБ на участке выведения.

На фиг.3 приведена схема термостатирования космической головной части (КГЧ) на стартовом комплексе (СК) при проведении стартового заряда.

Заряд АБ осуществляется от наземного зарядно-разрядного комплекса 1. Термостатирование аккумуляторной батареи спутника проводится продувкой полости обтекателя воздухом в указанном направлении 2 с включением системы терморегулирования космического аппарата (КА) 3. Регулирование температуры внутри КГЧ осуществляется изменением температуры подаваемого воздуха и управлением его расходом.

Температура газа на входе в полость обтекателя поддерживается на заданном уровне с точностью ±2%. Контроль температуры осуществляется по датчикам 4.

Поддержание температуры батареи на КА осуществляется путем контактной передачи тепла между корпусом батареи и жидкостным коллектором и обеспечивается системой терморегулирования КА, которая поддерживает необходимую температуру в любом режиме эксплуатации.

При этом термостатирование КА происходит по следующей схеме:

- на этапе стартового заряда температуру воздуха в КГЧ поддерживают на уровне (5÷8)°С;

- после проведения заряда, непосредственно перед стартом, температуру воздуха в КГЧ поддерживают на уровне (15÷25)°С.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить от аккумуляторной батареи большую разрядную емкость, что повышает эффективность ее использования в системе электропитания ИСЗ.

Действенность данного способа подтверждена экспериментально и его предполагается использовать при подготовке никель-водородных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в системе электропитания космических аппаратов предприятия.

1. Способ подготовки никель-водородной аккумуляторной батареи к штатной эксплуатации в системе электропитания геостационарного искусственного спутника Земли, заключающийся в ее термостатировании в диапазоне температуры 5÷25°С при проведении стартового заряда, отличающийся тем, что при проведении стартового заряда аккумуляторной батареи термостатирование производят на нижнем уровне температур, а перед началом штатной эксплуатации - на верхнем уровне.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нижний уровень температуры устанавливают в диапазоне 5÷8°С, а верхний - в диапазоне 15÷25°С.