Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи
Владельцы патента RU 2329572:
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "Научно-производственное объединение прикладной механики им. акадекмика М.Ф. Решетнева" (RU)
Иизобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении и наземной эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей. Техническим результатом изобретения является повышение надежности и сохранение ресурсных характеристик. Согласно изобретению способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи заключается в проведении зарядов и разрядов, с активным термостатированием и контролем температуры аккумуляторов, и хранении в заряженном или разряженном состоянии без проведения активного термостатирования. По окончании заряда или разряда аккумуляторной батареи, перед хранением, термостатирование ее продолжают, при этом дифференцируют контролируемую температуру во времени dT/dτ, а прекращают термостатирование после достижения dT/dτ установившегося отрицательного значения, кроме того, термостатирование аккумуляторной батареи перед хранением продолжают не менее 1,5 часа от окончания заряда либо разряда. 1 з.п ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при изготовлении и наземной эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей.
В процессе изготовления и наземной эксплуатации аккумуляторной батареи имеют место периоды хранения ее как в заряженном, так и в разряженном состоянии.
Особенностью никель-водородных аккумуляторных батарей является то, что при переходе от режима заряда или разряда в режим хранения электрохимические процессы в аккумуляторах не прекращаются и их интенсивность снижается только по истечении некоторого времени. К таким процессам относятся рекомбинация кислорода, выделяющегося частично в конечных фазах заряда и разряда, с водородом и постоянно присутствующий процесс саморазряда аккумуляторов.
Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (см. главу X1, Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы". Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1989 г. [1]).
Недостатком этих способов является то, что вопросы термостатирования аккумуляторных батарей при их эксплуатации известными способами не рассматриваются.
Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи в составе космического аппарата, предусматривающий ее активное термостатирование (см. патент РФ №2164881) системой терморегулирования с гидравлическими контурами в процессе эксплуатации (в том числе и наземной эксплуатации) аккумуляторной батареи, принятый за прототип.
Недостатком известного способа является то, что при переходе от циклирования аккумуляторной батареи к ее хранению режим термостатирования не определен, что в наземных условиях ведет к неоправданному расходу ресурса самой аккумуляторной батареи и системы термостатирования, если процесс электроиспытаний космического аппарата организован как непрерывный процесс, либо чреват локальным перегревом аккумуляторов, если имеют место перерывы в работе (с выключением системы электропитания космического аппарата и системы термостатирования), что снижает надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности эксплуатации и сохранения ресурсных характеристик никель-водородной аккумуляторной батареи.
Поставленная цель достигается тем, что по окончании заряда или разряда аккумуляторной батареи перед хранением термостатирование ее продолжают, а прекращают термостатирование после завершения в аккумуляторах электрохимических процессов, связанных с рекомбинацией выделившегося кислорода с водородом, при этом дифференцируют контролируемую температуру во времени dT/dτ, а прекращают термостатирование после достижения dT/dτ установившегося отрицательного значения, кроме того, термостатирование аккумуляторной батареи перед хранением продолжают не менее 1,5 часа от окончания заряда либо разряда.
Действительно, при наземной эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей 28НВ60, разработки ОАО «Сатурн», г.Краснодар, термостатирование которых проводилось путем обдува, с заданным расходом газа, было зафиксировано следующее.
После отключения заряда аккумуляторной батареи по верхнему уровню заряженности ее термостатирование было прекращено, при этом температура аккумуляторов превышала температуру охлаждающего газа (температуру окружающей среды) на (5-7)°С. Через 10-12 часов хранения без активного термостатирования фиксировалась температура аккумуляторов, превышающая температуру окружающей среды на (15-20)°С. Выявлено, что подобная тенденция роста температуры аккумуляторов характерна для аккумуляторной батареи также после проведения ее разряда.
Аналогичное явление зафиксировано при наземной эксплуатации батареи 40НВ70 с жидкостным контуром термостатирования, того же разработчика и изготовителя.
Выявленный факт ведет к локальному перегреву аккумуляторов и, следовательно, способствует таким отрицательным явлениям как температурная деформация, коррозия активной массы, перераспределение концентрации электролита (повышение внутреннего электрического сопротивления), что снижает надежность эксплуатации и ухудшает (снижает) ресурсные характеристики никель-водородной аккумуляторной батареи. При этом известно, что скорость химических реакций в аккумуляторе в диапазоне (0-50)°С при повышении температуры на каждые 10°С возрастает примерно в 2 раза, в том числе и нежелательных реакций.
На фиг.1 представлены графики изменения температуры аккумуляторов аккумуляторной батареи, после окончания ее заряда (разряда), во времени (Т) и дифференциал этой характеристики во времени (dT/dτ).
Рассмотрим характерные участки этих графиков. Участок «а-b» соответствует уровню тепловыделения в аккумуляторе, превышающем уровень теплосъема, участок «b-с» соответствует уровню тепловыделения в аккумуляторе меньшем по величине уровня теплосъема, участки «c-d» и «d-e» соответствуют отсутствию тепловыделения в аккумуляторе - здесь идет простой съем накопленного тепла. При этом, тепловыделение от постоянно присутствующего саморазряда аккумуляторов на последних двух участках графиков несущественно, что позволяет им пренебречь.
Следует отметить, что процесс взаимодействия кислорода с выделившимся водородом может происходить относительно длительно, однако при эффективном теплосъеме времени 40-60 минут вполне достаточно для завершения процесса в полном объеме. Далее необходимо время для «снятия» с аккумуляторов накопленного тепла. Эффективность снятия накопленного тепла зависит как от конструкции аккумуляторов (теплопроводности от блока электродов к корпусу аккумулятора), так и от производительности системы термостатирования. В любом случае производительность системы термостатирования рассчитывается из условия теплоотвода максимальной расчетной величины тепловыделения аккумуляторной батареи. Исходя из этой предпосылки, можно существенно упростить способ эксплуатации, определив простой временной критерий времени термостатирования в процессе последующего хранения.
Проведенный анализ характера изменения температуры аккумуляторов после окончания заряда или разряда на различных модификациях никель-водородных аккумуляторных батарей в условиях активного термостатирования показал, что выход на линейный участок снижения температуры (адекватный участку «c-d» графика фиг.1) происходит через время от 30 минут до 1 часа 10 минут. С учетом технологического запаса время последующего термостатирования (после окончания заряда либо разряда) выбрано «не менее 1,5 часа».
На фиг.2 представлена структурная схема рабочего места для автономной работы с аккумуляторными батареями в наземных условиях.
Рабочее место содержит:
- зарядно-разрядный комплекс в составе устройства зарядно-разрядного, устройства контроля аккумуляторов и устройства расширения интерфейса;
- устройства контроля аналоговых датчиков давления и температуры;
- ПЭВМ;
- защитной термостатирующей камеры с жидкостным охлаждением для размещения аккумуляторной батареи.
В процессе наземной эксплуатации аккумуляторная батарея периодически подвергается хранению в заряженном или разряженном состоянии.
С целью сохранения ресурса аккумуляторная батарея хранится преимущественно в разряженном состоянии, для чего перед хранением она разряжается.
При возобновлении работ аккумуляторная батарея предварительно подвергается заряду.
В процессе проведения разряда, заряда и эксплуатации в заряженном состоянии аккумуляторная батарея термостатируется (в рассматриваемом примере - посредством прокачки охлаждающей жидкости).
Так как рабочее место для автономной работы с аккумуляторными батареями оснащено ПЭВМ, имеющей связь с «Устройством контроля аналоговых датчиков давления и температуры» и через «устройство расширения интерфейса» с «Устройством зарядно-разрядным» и «Устройством контроля аккумуляторов», то задача автоматического определения момента, когда термостатирование аккумуляторной батареи может быть прекращено (по установившемуся отрицательному значению dτ/dτ или по времени - не менее 1,5 часа) решается простыми программными средствами.
Наступление момента, допускающего прекращение термостатирования, может быть выведено на экран монитора в виде директивы (со звуковым сигналом или без него) для последующего исполнения обслуживающим персоналом.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет исключить появление локального перегрева аккумуляторов, а следовательно, снизить такие отрицательные явления как температурная деформация, коррозия активной массы, перераспределение концентрации электролита, что повышает надежность эксплуатации и сохраняет ресурсные характеристики никель-водородной аккумуляторной батареи.
1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении зарядов и разрядов с активным термостатированием и контролем температуры аккумуляторов и хранении в заряженном или разряженном состоянии без проведения активного термостатирования, отличающийся тем, что по окончании заряда или разряда аккумуляторной батареи перед хранением термостатирование ее продолжают, дифференцируют контролируемую температуру во времени dT/dτ, а прекращают термостатирование после достижения dT/dτ установившегося отрицательного значения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что термостатирование аккумуляторной батареи перед хранением продолжают не менее 1,5 ч от окончания заряда либо разряда.
