Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата и автономная система электропитания для его реализации

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании никель-водородных аккумуляторных батарей и автономных систем электропитания космических аппаратов (КА). Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА. Поставленная задача решается тем, что предлагается способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата заключающийся в проведении ее зарядов, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании цилиндрических поверхностей аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся с ними в тепловом сопряжении, термостатировании поверхностей аккумуляторов, не находящиеся в тепловом сопряжении с термоплатой, для повышения их текущей температуры и автономная система электропитания космического аппарата для реализации способа, содержащая солнечную батарею, подключенную к нагрузке через преобразователь напряжения, аккумуляторные батареи, зарядные и разрядные преобразователи, устройства контроля аккумуляторных батарей и нагрузку. полусфер аккумуляторов электронагревателями исходя из их текущих зарядных и разрядных напряжений, при этом термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой проводят для аккумуляторов имеющих повышенное зарядное напряжение или пониженное разрядное напряжение, а в автономную систему электропитания космического аппарата дополнительно введен стабилизатор тока, входом подключенный к входным или выходным шинам автономной системы электропитания, а выходом - к электронагревателям, соединенным в последовательную цепь, причем каждый электронагреватель в исходном состоянии шунтируют управляемыми коммутаторами, связанными с устройствами контроля аккумуляторных батарей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей и автономных систем электропитания космических аппаратов (КА).

Известны аккумуляторные батареи и способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, описанные в технической литературе (см. Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов "Металл-водородные электрические системы", -Л.: "Химия," Ленинградское отделение, 1989 г., [1]).

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (авт.св. №1746443, H01M 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.

При практическом применении известных способов эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей были выявлены следующие особенности поведения аккумуляторов.

Так на одном из действующих геостационарных КА, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, в отдельных аккумуляторах наблюдалось постепенное снижение давления водорода. Учитывая, что давление водорода пропорционально степени заряженности никель-водородного аккумулятора, констатируем, что в батарее возник постепенно нарастающий разбаланс аккумуляторов по емкости. Более тщательный анализ напряжения аккумуляторов показал, что имеется некоторое количество аккумуляторов, имеющих тенденцию к снижению емкости.

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

Проведенные исследования показали, что причиной пониженного разрядного напряжения этих аккумуляторов явилось возникновение в них температурного градиента. В результате этого из электролита, в центральной области активной массы, «уходит» вода в более холодные граничные области и, как следствие, повышается внутреннее сопротивление аккумулятора с соответствующим понижением разрядного напряжения.

Такой же эффект снижения энергетических характеристик отдельных аккумуляторов зафиксирован при эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА Intelsat V F-6 и экспериментально подтвержден в лаборатории COMSAT (см. Martin Earl and Todd Burke Comsat Labs., Andrew Dunnet, INTELSAT. Method for Rejuvenating Ni-H₂ Battery Cells. Eng. Conf. "Technol. Energy Effic. 21-st Century", San Diego, Calif., aug. 3-7, 1992: IECIC-92 Vo1.1, 1992, p.127-132 [2]).

Движущей силой данного процесса является градиент температур: чем он выше, тем интенсивнее во времени происходит конденсация пара из электролита на более холодных областях аккумулятора.

Существует предельный градиент температур, ниже которого не происходит конденсация пара (при 15°C - примерно 7°C, а при 25°C - около 8°C).

Наиболее близким по технической сущности является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (патент RU №2366041), заключающийся в проведении ее зарядов, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся в тепловом сопряжении с цилиндрическими поверхностями аккумуляторов, согласно которому дополнительно термостатируют поверхности аккумуляторов, не находящиеся в тепловом сопряжении с термоплатой, для повышения их текущей температуры. Этот способ принят за прототип.

Известный способ позволяет пассивными средствами снизить вероятность появления критичного (выше предельного) градиента температур, что повышает надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.

Однако эффективность известного способа распространяется на малые мощности циклирования аккумуляторных батарей. При разряде аккумуляторной батареи большими токами (более 0,5 номинальной емкости) и на глубину до 0,8 номинальной емкости и более вероятность появления критичного (выше предельного) градиента температур сохраняется, что снижает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Известна автономная система электропитания космического аппарата, описанная в материалах патента №2334337, RU, принятая за прототип. Известная автономная система электропитания КА содержит солнечную батарею, подключенную к нагрузке через преобразователь напряжения, аккумуляторные батареи, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи - к входу выходного фильтра преобразователя напряжения. При этом нагрузка в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию. Параллельно аккумуляторным батареям подключены устройства контроля аккумуляторных батарей, связанные входом с аккумуляторными батареями для контроля напряжения, давления и температуры аккумуляторов, а выходом - с нагрузкой.

Недостатком известной автономной системы электропитания является то, что она не решает задач, связанных с устранением эффекта перераспределения воды в аккумуляторах аккумуляторных батарей, что снижает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе КА.

Поставленная цель достигается тем, что при проведении зарядов аккумуляторной батареи, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании цилиндрических поверхностей аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся с ними в тепловом сопряжении, термостатировании поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, для повышения их текущей температуры контролируют текущее напряжение аккумуляторов, а термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, проводят путем выборочного принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями исходя из их текущих зарядных и разрядных напряжений, при этом термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, проводят для аккумуляторов, имеющих повышенное зарядное напряжение или пониженное разрядное напряжение, а в автономную систему электропитания космического аппарата, содержащую солнечную батарею, подключенную к нагрузке через преобразователь напряжения, первичный источник электроэнергии, аккумуляторные батареи, зарядные и разрядные преобразователи, устройства контроля аккумуляторных батарей и нагрузку, дополнительно введен стабилизатор тока, входом подключенный к входным или выходным шинам автономной системы электропитания, а выходом - к электронагревателям, соединенным в последовательную цепь, причем каждый электронагреватель в исходном состоянии шунтируют управляемыми коммутаторами, связанными с устройствами контроля аккумуляторных батарей.

Действительно, активный теплосъем с никель-водородной аккумуляторной батареи осуществляется посредством термоплаты, находящейся в тепловом сопряжении с цилиндрическими (наиболее теплонапряженными) поверхностями аккумуляторов. Пассивное термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой (для повышения их текущей температуры), применяемое в прототипе, малоэффективно и не способно к какому-либо регулированию в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи. Применение же принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями позволяет гибко регулировать степень нагрева практически в любой конкретной ситуации и своевременно парировать последствия от нежелательного градиента температур в осевом сечении аккумуляторов (повышение внутреннего сопротивления аккумулятора).

Суть предлагаемого способа поясняется чертежом, где приведена функциональная схема автономной системы электропитания КА (с одной аккумуляторной батареей) для реализации заявляемого способа.

Автономная система электропитания КА 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. Аккумуляторная батарея 4 содержит в своем составе последовательно соединенные аккумуляторы 4-1, последовательно соединенные электронагреватели 4-2, каждый из которых зашунтирован управляемым коммутатором 4-3.

Нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (не показано).

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторных батарей 7, связанное с аккумуляторной батареей 4 (для контроля напряжения и температуры аккумуляторов 4-1) и с нагрузкой 2.

Дополнительно в автономную систему электропитания введен стабилизатор тока 22, входом по питанию подключенный к выходным шинам автономной системы электропитания, а по управлению - к нагрузке 2, выходом же - к электронагревателям 4-2, соединенным в последовательную цепь, причем каждый электронагреватель в исходном состоянии зашунтирован управляемыми коммутаторами 4-3, связанными с устройством контроля аккумуляторной батареи 7.

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

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 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 и температуру аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции.

В бортовой ЭВМ обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов 4-1 при включении заряда и разряда аккумуляторной батареи 4. При этом оценивается факт повышения внутреннего сопротивления каких-либо аккумуляторов по их напряжению при включении заряда либо разряда. Далее на нагревателях этих аккумуляторов отключают шунтирование управляемыми коммутаторами. Включают стабилизатор тока 22. В процессе дальнейшей работы контролируют восстановление внутреннего сопротивления упомянутых аккумуляторов до нормального значения, о чем судят также по их напряжению при включении заряда либо разряда. По мере восстановления аккумуляторов соответствующие нагреватели вновь шунтируют, а по завершения процесса - стабилизатор тока 22 выключают.

По результатам анализа телеметрических данных, при необходимости, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию алгоритмы управления электронагревателями могут корректироваться.

Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания КА и автономная система электропитания для его реализации позволяют снизить величину температурного градиента в осевом направлении аккумуляторов в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, что повышает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания КА.

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата, заключающийся в проведении ее зарядов, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании цилиндрических поверхностей аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся с ними в тепловом сопряжении, термостатировании поверхностей аккумуляторов, не находящиеся в тепловом сопряжении с термоплатой, для повышения их текущей температуры, отличающийся тем, что контролируют текущее напряжение аккумуляторов, а термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, проводят путем выборочного принудительного нагрева вершин полусфер аккумуляторов электронагревателями исходя из их текущих зарядных и разрядных напряжений.

2. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания космического аппарата по п.1, отличающийся тем, что термостатирование поверхностей аккумуляторов, не находящихся в тепловом сопряжении с термоплатой, проводят для аккумуляторов, имеющих повышенное зарядное напряжение или пониженное разрядное напряжение.

3. Автономная система электропитания космического аппарата для реализации способа по п.1, содержащая солнечную батарею, подключенную к нагрузке через преобразователь напряжения, аккумуляторные батареи, зарядные и разрядные преобразователи, устройства контроля аккумуляторных батарей и нагрузку, отличающаяся тем, что дополнительно введен стабилизатор тока, входом подключенный к входным или выходным шинам автономной системы электропитания, а выходом - к электронагревателям, соединенным в последовательную цепь, причем каждый электронагреватель в исходном состоянии шунтируют управляемыми коммутаторами, связанными с устройствами контроля аккумуляторных батарей.