Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ). Техническим результатом изобретения является упрощение эксплуатации и повышение эффективности использования ЛИАБ в автономной системе электропитания. Согласно изобретению способ эксплуатации ЛИАБ заключается в проведении зарядов и подзарядов, хранении в заряженном состоянии, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению. Балансировку аккумуляторов производят путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением и разряда других аккумуляторов до установленного конечного уровня напряжения. 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в автономной системе электропитания, преимущественно искусственного спутника Земли (ИСЗ).

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, С.Б.Орлов: Герметичные химические источники тока. Элементы и аккумуляторы. Оборудование для испытаний и эксплуатации, Санкт-Петербург, Химиздат, 2005 г., глава 5, 7.

Однако в данной работе не рассмотрены особенности технологии эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей.

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов и описанные в книге Д.А.Хрусталев, Аккумуляторы, М.: Изумруд, 2003 г., глава 4. В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда- разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Однако, известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе ИСЗ.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины, напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар).

В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ.563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения отличия в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ.

Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.

Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости (путем балансировки аккумуляторов по напряжению), реализованного известной аккумуляторной батареей, является то, что процесс выравнивания может проводиться достаточно часто, особенно, если один из аккумуляторов имеет повышенный саморазряд. При этом разряд будет ограничиваться именно по этому аккумулятору (имеющему повышенный саморазряд), а ограничение заряда будет осуществляться всегда по другим аккумуляторам, имеющим напряжение выше аккумулятора с повышенным саморазрядом. Кроме того, начало проведения выравнивания аккумуляторов по емкости связано с достижением заранее установленной величины разбаланса по напряжению, что не всегда технологически приемлемо. Все это снижает эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи и усложняет процесс ее эксплуатации.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение эксплуатации и повышение эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.

Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии, подзарядов, при необходимости, разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением и разряда других аккумуляторов в зависимости от их исходной величины напряжения до установленного конечного уровня, конечный уровень напряжения каждого другого аккумулятора устанавливают исходя из соотношения

U_i=U₀-(U_i0-U₀)·k,

где U₀ - наименьшее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;

U_i0 - напряжение i-го аккумулятора перед началом балансировки, В;

k - коэффициент степени балансировки, рассчитанный по формуле

k=ΔU_доп/ΔU_{макс.тек},

где ΔU_доп - допустимая максимальная разница в напряжениях аккумуляторов аккумуляторной батареи, В;

ΔU_{макс.тек} - максимальная текущая разница в напряжениях аккумуляторов аккумуляторной батареи, В.

Действительно, при эксплуатации аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания ИСЗ проведение профилактических работ планируют исходя из программы использования ИСЗ по целевому назначению, в периоды пауз в работе сеансной (целевой) нагрузки. Поэтому целесообразно использовать технологию балансировки аккумуляторов по напряжению, позволяющую проводить ее из любого состояния аккумуляторов аккумуляторной батареи и с эффективным конечным результатом.

Предлагаемый способ балансировки аккумуляторов по напряжению реализуется в рамках требований по допустимой разбалансировке аккумуляторов по емкости (напряжению), но максимально увеличивает период времени до проведения следующей балансировки аккумуляторов по напряжению, что упрощает эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания. Кроме того, в течение времени до следующей балансировки эффективная емкость аккумуляторной батареи будет меняться (по синусоиде) с максимумом в середине межбалансировочного периода, что позволяет планировать более эффективное использование литий-ионной аккумуляторной батареи в определенные периоды времени.

На чертеже, фиг.1, приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, 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, напряжения аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.

Аккумуляторная батарея состоит из последовательно соединенных аккумуляторов 4-1, параллельно которым подключены балансировочные резисторы 4-2 через замыкающиеся контакты 4-3 реле в блоке реле 4-4.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 15, транзисторах 16 и выпрямителя на диодах 17.

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 - конденсатора 18 и выходного фильтра на диоде 19, дросселе 20 и конденсаторе 21.

Схемы управления 10, зарядного преобразователя 5, 12, разрядного преобразователя 6, и 14, преобразователя напряжения 3, 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, в качестве обратных связей по величине зарядного тока и напряжения нагрузки соответственно.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических подзарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности для прохождения штатных теневых участков орбиты или, на случай потери ориентации солнечной батареи ИСЗ, на Солнце.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом 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 напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2, в которой реализуются следующие технологические операции.

1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов, оценивается текущая емкость аккумуляторов и разница в текущей емкости (напряжениях) аккумуляторов.

2. При снижении текущей емкости (напряжения) аккумуляторов до определенного выбранного на этапе проектирования системы электропитания значения разблокируется заряд (подзаряд) аккумуляторной батареи и, при наличии избыточной мощности солнечной батареи 1, включается заряд аккумуляторной батареи 4, при этом факт включения заряда фиксируется бортовой ЭВМ по появлению тока заряда - сигнал с шунта 8. В случае достижения разницы в текущей емкости аккумуляторов 4-1 существенного значения (допустимой максимальной разницы в напряжениях аккумуляторов аккумуляторной батареи), так же выбранного на этапе проектирования системы электропитания (или по команде с Земли), запускается процесс балансировки аккумуляторов по напряжению. Фиксируется наименьшее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее (U₀) и номер этого аккумулятора. Для всех остальных аккумуляторов рассчитывается индивидуальный конечный уровень напряжения (U_i).

К аккумуляторам 4-1 подключаются индивидуальные разрядные резисторы 4-2 (соответствующие контакты 4-3 замыкаются), за исключением аккумулятора имеющего самое низкое напряжение (самого разряженного аккумулятора). После достижения напряжения балансируемых аккумуляторов индивидуального конечного уровня, формируется команда на отключение соответствующего индивидуального разрядного резистора 4-2 посредством размыкания соответствующего контакта 4-3 реле блока реле 4-4. Управление блоком реле 4-4 реализуется, по программе в бортовой ЭВМ, через устройство контроля аккумуляторов 7.

3. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных о величине напряжений аккумуляторов на момент окончания заряда, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, корректируют при необходимости величину допустимой максимальной разницы в напряжениях аккумуляторов аккумуляторной батареи (ΔU_доп).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить процесс эксплуатации и повысить эффективность использования литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания.

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания, заключающийся в проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии подзарядов, при необходимости разрядов, контроле напряжения аккумуляторов и периодической балансировке аккумуляторов по напряжению путем выбора аккумулятора с наименьшим напряжением и разряда других аккумуляторов в зависимости от их исходной величины напряжения до установленного конечного уровня, отличающийся тем, что конечный уровень напряжения каждого другого аккумулятора устанавливают исходя из соотношения:
U_i=U₀-(U_i0-U₀)·k,
где U₀ - наименьшее напряжение аккумулятора в аккумуляторной батарее, В;
U_i0 - напряжение i-го аккумулятора перед началом балансировки, В;
k - коэффициент степени балансировки, рассчитанный по формуле:
k=ΔU_доп/ΔU_{макс·тек},
где ΔU_доп - допустимая максимальная разница в напряжениях аккумуляторов аккумуляторной батареи, В;
ΔU_{макс·тек} - максимальная текущая разница в напряжениях аккумуляторов аккумуляторной батареи, В.