Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи заключается в проведении заряд - разрядных циклов с ограничением заряда по аналоговым датчикам давления, установленным на отдельных аккумуляторах аккумуляторной батареи и температуре батареи, хранении в заряженном состоянии и проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении. В процессе заряда при достижении температуры на каком-либо аккумуляторе установленной величины до срабатывания аналоговых датчиков давления последний шунтируют внешней разрядной цепью, причем величину разрядного тока шунтирующей цепи устанавливают равной величине зарядного тока аккумуляторной батареи, а отключение шунтирующей цепи производят при отключении заряда аккумуляторной батареи, либо при снижении температуры аккумулятора ниже установленной величины на 3-5°С. Техническим результатом является повышение эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи. 2 ил.

 

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

При эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в составе ИСЗ основная работа приходится на период теневых орбит. В остальное время аккумуляторная батарея, в основном, работает в режиме хранения с периодическими подзарядами для компенсации саморазряда на солнечных орбитах.

Отличительной особенностью эксплуатации таких батарей является сочетание интенсивных заряд-разрядных циклов в период теневых орбит с последующим длительным хранением в заряженном состоянии с периодическими подзарядами на солнечных орбитах.

Опыт эксплуатации ИСЗ показал, что при использовании известных способов эксплуатации аккумуляторных батарей имеет место такой негативный момент как разбаланс аккумуляторов по емкости, который существенно ограничивает энергетические возможности и ресурс никель-водородных аккумуляторных батарей, что снижает эффективность использования последних.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (патент №2084055, Н 01 М 10/44) согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов, который обеспечивает заряд аккумуляторной батареи до уровня (60-80)% номинальной емкости.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (авт.св. №1746443, Н 01 М 10/44, 12/06), в котором управление заряд-разрядными циклами проводят по двухуставочному датчику давления с разницей уставок давления ΔР и температуре, а разряд оканчивают по минимальному напряжению, при достижении на разряде аккумуляторов минимального значения напряжения, периодически повышают уставки датчика давления, причем нижнюю уставку повышают до уровня верхней, а верхнюю - на величину ΔР.

Этот способ принят за прототип.

На фиг.1 представлено поведение аккумуляторов типа НВ-70 в ходе летной эксплуатации при практическом применении известных способов эксплуатации.

Для управления зарядом данной никель-водородной аккумуляторной батареи с номинальной емкостью аккумуляторов 70 Ач были применены два аккумулятора с двухуставочными датчиками давления, верхняя уставка которых (ДВ) была настроена в интервале (60-80)% номинальной емкости, а нижняя (ДН) на 4 Ач меньше. Для компенсации ресурсных изменений НВ АБ в составе батареи предусмотрено еще два аккумулятора с двухуставочными датчиками давления, верхняя уставка которых повышена на ΔР≈4 Ач, а нижняя поднята до уровня верхней. Для контроля уровня давления водорода все четыре аккумулятора были снабжены аналоговыми датчиками давления (АДД).

При заряде АБ1 в интервале ДН-ДВ по основному комплекту датчиков давления наблюдается массовая разбежка аккумуляторов по емкости, напряжению и давлению. Процесс разбежки аккумуляторов удалось остановить при переходе на резервный комплект датчиков давления (РДВ-РДН).

По показаниям аналоговых датчиков давления ДА1-ДА4 видно, что разбежка аккумуляторов в данном случае достигла 15 ATM до начала теневых орбит, в процессе прохождения теневых орбит она достигла 20 ATM и сохранилась на этом уровне до начала вторых теневых орбит. Кроме того, трижды в течение теневых орбит один аккумулятор достигал напряжения 0,5 В и ниже, что соответствует давлению 0-0,5 ATM. Таким образом, в составе батареи находится аккумулятор со степенью заряженности, значительно отличающейся от заряженности аккумуляторов, по которым осуществляется процесс управления зарядом.

Учитывая, что давление водорода пропорционально степени заряженности никель-водородного аккумулятора, констатируем, что в батарее возник постепенно нарастающий разбаланс аккумуляторов. Под разбалансом емкости понимается разница в степени заряженности управляющих аккумуляторов и аккумуляторов без датчиков давления.

Появление в составе батареи ряда аккумуляторов с пониженной емкостью резко сокращает энергетические возможности и ресурс батареи и ИСЗ в целом.

Процесс разбалансирования аккумуляторов по емкости возможно полностью остановить очередным повышением уставок управления зарядом для повышения емкости аккумуляторов, имеющих разбаланс емкости, однако в данном случае возможно понижение разрядного напряжения аккумуляторов вследствие возникновения в них температурного радиального градиента. В результате этого из электролита, в центральной области активной массы, «уходит» вода (в более холодные граничные области), повышается концентрация электролита и, как следствие, внутреннее сопротивление аккумулятора с понижением разрядного напряжения.

Кроме того, при повышении 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.

Именно поэтому с точки зрения длительного хранения в заряженном состоянии необходимо обеспечивать минимальное тепловыделение аккумуляторов, что исключает возможность теплового разгона и возникновения температурного градиента.

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

Поставленная цель достигается тем, что, в процессе заряда, при достижении температуры на каком-либо аккумуляторе установленной величины до срабатывания аналоговых датчиков давления последний шунтируют внешней разрядной цепью, причем величину разрядного тока шунтирующей цепи устанавливают равной величине зарядного тока аккумуляторной батареи, а отключение шунтирующей цепи производят при отключении заряда аккумуляторной батареи, либо при снижении температуры аккумулятора ниже установленной величины на 3-5°С.

Уровень температуры, при которой происходит шунтирование, устанавливают таким, при котором аккумулятор переходит в состояние перезаряда. Этот уровень зависит от способа термостатирования аккумуляторной батареи (газовый, жидкостной, радиационный) и выбирается для каждого конкретного случая индивидуально.

В результате аккумуляторы, заряженные до установленного значения температуры, исключаются из зарядной цепи, что позволяет другим аккумуляторам достичь их уровня заряженности и при этом избежать перезаряда этих аккумуляторов и возникновения в них температурного градиента.

Датчик температуры на корпусе каждого аккумулятора устанавливают таким образом, чтобы с наибольшей точностью определить среднюю по объему температуру.

Так как величина тока заряда обычно составляет (0,1-0,2)·С, где С - емкость батареи, то в качестве разрядных сопротивлений можно использовать резисторы соответствующего сопротивления, которые следует вынести за батарею для исключения влияния выделяемого ими тепла на температуру аккумуляторной батареи.

Напряжение заряженного аккумулятора выбирается равным его напряжения разомкнутой цепи (НРУ) в состоянии полного заряда с учетом температуры установленной величины. Анализ экспериментальных данных АБ 40НВ70 разработки ОАО Сатурн показал, что НРУ в конце заряда равно 1,47÷1,49 В.

Так для аккумуляторов в 70 Ач сопротивление резистора составит примерно:

R=1,48/(70·(0,1÷0,2))=(0,21÷0,106) Ом,

мощностью:

Р=1,48·70·(0,1÷0,2)=(10,36÷20,7) Вт;

Следует отметить, что предлагаемое техническое решение позволяет, во первых, заменить, т.е. исключить цепи зарядных байпасных диодов (по 3 диода на каждый аккумулятор), работающие при отказе какого-либо аккумулятора обрывом (обычно это разгерметизация аккумулятора), а, во вторых, даст возможность проводить профилактический глубокий разряд любого или всех аккумуляторов батареи.

Это позволит компенсировать увеличение весовых характеристик, связанное с реализацией предлагаемого решения, а так же расширить функциональные возможности по реализации различных методик восстановления или профилактики работоспособности аккумуляторной батареи в процессе ее эксплуатации.

В случае прекращения заряда разрядные цепи размыкают для исключения несанкционированного разряда самого аккумулятора.

В процессе заряда аккумуляторной батареи замкнувшиеся разрядные цепи также целесообразно периодически размыкать для компенсации текущего саморазряда этих аккумуляторов. Это предполагается делать при снижении их температуры на 3-5°С от установленного предельного значения. С учетом инертности тепловых процессов такое переключение возможно примерно один раз в час.

На чертеже, фиг.2, приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности температуры и давления аккумуляторов, которое определяет их текущую емкость) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

Так же к батарее подключен блок внешних разрядных цепей 8, управляемый нагрузкой 2, который состоит из подключаемых параллельно каждому аккумулятору резисторов Rl-Rn, включаемых в цепь контактами К1-Kn.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2, и выпрямителя на диодах D1 и D2.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 14 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце).

Питание нагрузки 2 осуществляется от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.

При прохождении теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует давление и температуру в аккумуляторах и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ «закладывается» программа, работающая по следующей схеме:

1. Обрабатываются данные аналоговых датчиков давления в аккумуляторах с вычислением среднеарифметического значения давления (или степени заряженности).

2. Обрабатываются данные температурных датчиков каждого аккумулятора.

3. Среднеарифметическое значение давления аккумуляторов (или степени заряженности) сравнивается со значениями верхней и нижней уставок давления, заложенными в логику управления зарядом. При превышении верхней уставки зарядный преобразователь выключается, при уменьшении ниже нижней уставки - снова включается.

4. При достижении определенной температуры, характеризующей состояние перезаряда аккумулятора, подается сигнал на его шунтирование внешней разрядной цепью с величиной тока, равной току заряда.

5. При отключении заряда, либо при снижении температуры аккумулятора ниже установленной величины на 3-5°С подается сигнал на отключение внешней разрядной цепи.

Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи позволяет избежать разбаланса аккумуляторов по емкости, обеспечивает повышение эффективности использования и надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Предлагаемый способ предполагается использовать в разработках КА предприятия.

Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов с ограничением заряда по аналоговым датчикам давления, установленным на отдельных аккумуляторах аккумуляторной батареи, и температуре батареи, хранении в заряженном состояниии и проведении периодических дозарядов для компенсации емкости саморазряда аккумуляторов при хранении, отличающийся тем, что в процессе заряда при достижении температурой на каком-либо аккумуляторе величины, характеризующей состояние перезаряда аккумулятора, до срабатывания аналоговых датчиков давления последний шунтируют внешней разрядной цепью, причем величину разрядного тока шунтирующей цепи устанавливают равной величине зарядного тока аккумуляторной батареи, а отключение шунтирующей цепи производят при отключении заряда аккумуляторной батареи либо при снижении температуры аккумулятора ниже установленной величины на 3-5°С.