Способ заряда комплекта из n литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника земли

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования комплекта из n ЛИАБ в составе геостационарного ИСЗ. Согласно изобретению способ заряда комплекта из n ЛИАБ в составе геостационарного ИСЗ заключается в контроле текущего напряжения аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи и проведении зарядов постоянным током до достижения напряжения любого аккумулятора каждой аккумуляторной батареи заданного значения. Заряд аккумуляторных батарей проводят поочередно, при этом в случае, если максимальное значение напряжения аккумулятора из числа ее аккумуляторов достигло верхнего допустимого значения или превышает максимальное напряжение аккумуляторов из числа других аккумуляторных батарей, длительность заряда этой аккумуляторной батареи устанавливают равной нулю. Приводится математическое выражение для определения допустимого разбаланса батарей по емкости. 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей автономных систем электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).

Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их заряда, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов, описанные в книге Д.А.Хрусталев, "Аккумуляторы", М., Изумруд, 2003 г., глава 4.4. 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 заряда литий-ионной аккумуляторной батареи путем проведения заряда двумя зарядными устройствами и поэлементного контроля напряжения аккумуляторов с помощью блоков контроля заряда, спроектированных и изготовленных в Исследовательском центре Гленн NASA, которые шунтируют избыточный ток, когда аккумулятор достигает требуемого напряжения конца заряда (см. NASA/TM-2005-213995, ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЕННЫХ NASA ПРОВЕРОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЛИТИЙ-ИОННОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ, Барбара Маккисок, Мишель А. Манзо, Томас Б. Миллер и Конча М. Рейд, Исследовательский центр Гленн, Кливленд, шт.Огайо, Уилльям Р. Беннет и Рассел Гемейнер, Компания QSS Group, Inc., Кливленд, шт.Огайо, раздел Описание испытаний, подраздел E. Ресурсные испытания).

Этот способ принят за прототип заявляемого технического решения.

Известный способ позволяет проводить эффективный заряд аккумуляторных батарей, однако для его реализации необходимы два зарядных устройства на две аккумуляторные батареи, рассчитанные на полный зарядный ток, что снижает удельно-массовые характеристики системы электропитания ИСЗ.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования комплекта из n литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли.

Поставленная задача решается тем, что заряд аккумуляторных батарей проводят поочередно, при этом в случае, если максимальное значение напряжения аккумулятора из числа ее аккумуляторов достигло верхнего допустимого значения или превышает максимальное напряжение аккумуляторов из числа других аккумуляторных батарей, длительность заряда этой аккумуляторной батареи устанавливают равной нулю, иначе длительность заряда ограничивают достижением максимального значения текущего напряжения из числа ее аккумуляторов величины, равной максимальному текущему значению напряжения аккумулятора из числа других аккумуляторных батарей, но не менее величины, определяемой допустимым разбалансом аккумуляторных батарей по емкости исходя из соотношения

где τ_з, ч - длительность заряда АБ;

ΔC, А·ч - допустимый разбаланс аккумуляторных батарей по емкости;

I_зар, A - ток заряда аккумуляторных батарей.

Действительно при работе ИСЗ на геостационарной орбите теневой участок составляет менее 2 часов в сутки, следовательно, оставшихся 22 часов вполне достаточно, чтоб зарядить аккумуляторные батареи одним зарядным преобразователем. При этом разряд аккумуляторных батарей может быть неодинаков. В связи с этим для обеспечения эффективной балансировки аккумуляторных батарей по напряжению в процессе проведения заряда (подзаряда) важное значение имеет время заряда (подзаряда) каждой аккумуляторной батареи.

Рассчитаем минимальное значение времени заряда комплекта из n литий-ионных аккумуляторных батарей, состоящей, например, из аккумуляторов емкостью 20 А·ч для некоторого абстрактного случая.

Допустимый разбаланс аккумуляторных батарей по емкости

ΔC=1 A·ч

ток заряда: I_зар=10 A,

тогда время заряда аккумуляторной батареи составит

Если же максимальное значение напряжения аккумулятора из числа ее аккумуляторов достигло верхнего допустимого значения или превышает максимальное напряжение аккумуляторов из числа других аккумуляторных батарей, длительность заряда этой аккумуляторной батареи устанавливают равной нулю.

Из расчета видно, что время заряда аккумуляторных батарей ограничено допустимым разбалансом АБ по емкости, верхним допустимым пределом напряжения аккумулятора и напряжением аккумуляторов из числа других АБ.

Заряд комплекта из n литий-ионных аккумуляторных батарей проводится поочередно от одного общего зарядного преобразователя. При этом текущая емкость каждой аккумуляторной батареи в процессе такого заряда в основном не будет отличаться на величину более допустимой величины разбаланса. Это позволяет повысить эффективность использования комплекта из n литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли за счет обеспечения равномерной текущей степени заряженности всех аккумуляторных батарей.

На фиг.1 приведена функциональная схема заявляемой автономной системы электропитания ИСЗ, с помощью которой поясняется предлагаемый способ заряда.

Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через сериесный преобразователь напряжения 3 и аккумуляторные батареи 4₁-4₂, подключенные через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6₁-6₂ к входу выходного фильтра сериесного преобразователя напряжения 3.

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

Параллельно аккумуляторным батареям 4₁-4₂ подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7₁-7₂, связанные входом с аккумуляторными батареями 4₁-4₂ для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2.

В силовой цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей 4₁-4₂ установлены измерительные шунты 8₁-8₂.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10. Вольтодобавочный узел зарядного преобразователя 5 выполнен на трансформаторе 5₁, транзисторах 5₂ и выпрямителе на диодах 5₃. Дополнительно в состав зарядного преобразователя 5 введен переключатель выхода 15, состоящий из двух транзисторных ключей 16 и 17, связанных с аккумуляторными батареями 4₁-4₂ и нагрузкой 2.

Каждый разрядный преобразователь 6₁-6₂ состоит из регулирующих ключей 11₁-l1₂, управляемых схемами управления 12₁-12₂.

Сериесный преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра C₁ и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе C₂.

Схемы управления:

- 12₁-12₂ разрядных преобразователей 6₁-6₂,

- 14 сериесного преобразователя напряжения 3

выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, связанных измерительными органами с напряжением нагрузки 2 автономной системы электропитания.

Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 связана с измерительными шунтами 8₁-8₂ в силовых цепях аккумуляторных батарей 4₁-4₂ и с напряжением солнечной батареи 1.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4₁-4₂ работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. При этом поочередно в течение времени, расчитаного по формуле (1) бортовой ЭВМ, заряжая по отдельности каждую аккумуляторную батарею. Это обеспечивается запиранием одного из транзисторных ключей, например 16, и открытием другого - 17 по командам с нагрузки 2. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

При этом зарядный преобразователь 5 работает в режиме заряда стабильным током для обеспечения заряда аккумуляторных батарей 4₁-4₂ оптимальными режимами.

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

При прохождении теневых участков орбиты или при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4₁-4₂ через разрядные преобразователи 6₁-6₂.

Устройства контроля 7₁-7₂ контролируют напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4₁-4₂ и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.

Далее бортовая ЭВМ в составе нагрузки 2 реализует алгоритм управления зарядом аккумуляторных батарей. По результатам анализа телеметрической информации алгоритм в процессе эксплуатации ИСЗ может корректироваться (например, по допустимой величине разбаланса) через командно-измерительную радиолинию ИСЗ.

Таким образом, заряд двух аккумуляторных батарей с помощью одного зарядного преобразователя, который попеременно заряжает батареи в течение времени, рассчитанного по формуле (1), решает проблему более эффективного использования комплекта из n литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли.

Способ заряда комплекта из n литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли, заключающийся в контроле текущего напряжения аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи и проведении зарядов постоянным током до достижения напряжением любого аккумулятора каждой аккумуляторной батареи заданного значения, отличающийся тем, что заряд аккумуляторных батарей проводят поочередно, при этом в случае, если максимальное значение напряжения аккумулятора из числа ее аккумуляторов достигло верхнего допустимого значения или превышает максимальное напряжение аккумуляторов из числа других аккумуляторных батарей, длительность заряда этой аккумуляторной батареи устанавливают равной нулю, иначе длительность заряда ограничивают достижением максимального значения текущего напряжения аккумулятора из числа ее аккумуляторов величины, равной максимальному текущему значению напряжения аккумулятора из числа других аккумуляторных батарей, но не менее величины, определяемой допустимым разбалансом аккумуляторных батарей по емкости, исходя из соотношения

где τ_з - длительность заряда, ч АБ;
ΔС - допустимый разбаланс аккумуляторных батарей по емкости, А·ч;
I_зap - ток заряда аккумуляторных батарей, A.