Результат интеллектуальной деятельности: Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ).

В процессе эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи происходит разбаланс ее аккумуляторов по емкости. Это может быть следствием неравнозначных условий охлаждения отдельных аккумуляторов в батарее, отличия в токах саморазряда или наличия в отдельных аккумуляторах внутренних микрошунтов. Поэтому появление в процессе разряда аккумуляторной батареи полностью разряженного аккумулятора, когда батарея в целом имеет достаточную емкость, естественно и постоянно подтверждается на практике.

При дальнейшем разряде аккумуляторной батареи этот аккумулятор подвергается переполюсовке, что приводит к выделению в нем кислорода. Для исключения выделения кислорода мощность водородного электрода предусматривают выше мощности положительного электрода, либо в аккумулятор вводят избыточный (балластный) водород (см. главу XI, Б.И. Центер, Н.Ю. Лызлов "Металл-водородные электрические системы", Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение, 1989 [1]).

Химические реакции на положительном и отрицательном электродах, на примере никель-водородного аккумулятора, при его переразряде имеют следующий вид.

На положительном электроде: 2NiOOH+2H₂O+2e→2Ni(OH)₂+2OH^-.

На отрицательном электроде:

- при наличии балластного водорода 1/2H₂+OH^-→Н₂О+е;

- при отсутствии водорода в аккумуляторе 2(ОН)^-→2е+1/2O₂+Н₂O.

Однако в современных аккумуляторных батареях существующее требование по повышению их удельных энергетических характеристик вынуждает разработчиков аккумуляторных батарей (полностью или частично) пренебрегать известными приемами.

Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, предусматривающие ограничение разряда по минимальному напряжению любого из аккумуляторов (см. главу X1.1.3. [1]), что не позволяет использовать полностью энергетические возможности аккумуляторной батареи, другими словами, снижает эффективность использования аккумуляторной батареи в целом.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания (патент РФ №2289179, Н01M 10/44, H01M 10/34). Согласно изобретению способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания заключается в проведении зарядно-разрядных циклов, "обходе" аккумуляторов, имеющих меньшую емкость, разрядными байпасными диодами, контроле напряжения каждого аккумулятора и проведении подзаряда малыми токами, исключающими образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси. Данный способ выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения.

Недостатками данного изобретения является необходимость контроля величины емкости переполюсовки аккумулятора, который первым достигнет минимального значения напряжения, от момента достижения этого напряжения до конца разряда, а также невозможность применения данного изобретения в автономной системе электропитания, в которой отсутствует возможность подзаряда аккумуляторной батареи малыми токами.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение технологии эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, в которой отдельные аккумуляторы в процессе эксплуатации периодически подвергаются переполюсовке, и в системе электропитания отсутствует возможность подзаряда аккумуляторной батареи малыми токами.

Поставленная задача решается тем, что заряд никель-водородной аккумуляторной батареи проводят после нахождения аккумуляторной батареи в режиме хранения в течение 3 часов от окончания разряда, далее производится импульсный заряд со скважностью 0,1 в течение 6 часов с последующим зарядом постоянным током до уставки отключения заряда и до начала следующего разряда проводится заряд импульсным током со скважностью 0,1.

Действительно, при появлении в аккумуляторе кислорода (при полном отсутствии водорода) происходит его накапливание, и в случае последующего активного заряда аккумуляторной батареи и интенсивного выделения водорода в аккумуляторе образуются локальные зоны со взрывоопасной смесью. Образование таких зон приводит к микровзрывам в аккумуляторе, а микровзрывы - к деформации элементов электрохимической группы и, как следствие, к появлению внутренних шунтов в аккумуляторе. В результате данный аккумулятор приобретает повышенный саморазряд и в процессе разряда аккумуляторной батареи вновь переполюсовывается. С каждым разом процесс все более усугубляется. Исключить внутренние микровзрывы можно выдержав паузу после разряда, обеспечивающую стационарную рекомбинацию кислорода на водородном электроде и исключающей появление локальных зон со взрывоопасной смесью.

При эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (особенно на геостационарных ИСЗ, где промежуток времени между разрядами ("тенями") составляет примерно 23 часа и практически нет ограничения по времени проведения заряда) изложенная особенность позволяет существенно упростить технологию эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, в которой отдельные аккумуляторы периодически подвергаются переполюсовке как в аппаратном, так и программном плане.

Гарантированная рекомбинация выделившегося при переразряде кислорода обеспечивается паузой после разряда аккумуляторной батареи и последующим импульсным зарядом.

На Фиг. 1 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, устройство телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на схеме не показаны).

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля напряжения аккумуляторов 7, связанное входом с аккумуляторами аккумуляторной батареи 4, а выходом с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи 4 установлен измерительный шунт 8, связанный с нагрузкой 2.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 11, транзисторах 12 и 13, выпрямителя на диодах 14 и 15.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 16, управляемого схемой управления 17.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 18, управляемого схемой управления 19, входного фильтра 20 и выходного фильтра на диоде 21, дросселе 22 и конденсаторе 23.

Схемы управления преобразователями 10, 17, 16 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с нагрузкой 2 (бортовой ЭВМ).

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном (98% ресурса) 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) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.

При этом 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 напряжения аккумуляторов 7 контролирует минимальное значение напряжения аккумуляторов аккумуляторной батареи 4 и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2 (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ "закладывается" программа по следующему алгоритму:

1. Контролируется момент прекращения разряда аккумуляторной батареи, после чего на период режима хранения 3 часа запускается таймер, в течение работы которого заряд не включается.

2. После окончания работы таймера включается заряд аккумуляторной батареи с заданной скважностью 0,1 контролируемый таймером с длительностью срабатывания 6 часов.

3. После окончания заряда с заданной скважностью 0,1 включается заряд постоянным током до уставки прекращения заряда.

4. После достижения уставки прекращения заряда включается заряд аккумуляторной батареи с заданной скважностью 0,1 для компенсации саморазряда.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить технологию (путем сокращения количества необходимых технологических операций) эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, в которой отдельные аккумуляторы в процессе эксплуатации подвергаются переполюсовке.