Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли

Заявляемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации литий-ионных аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в контроле напряжения аккумуляторов, ограничении заряда по максимальной величине 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.

Недостатком известного способа заряда литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что проведение выравнивания аккумуляторов по емкости - процесс, связанный с достижением заранее установленной величины разбаланса по напряжению, усложняет эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи.

Наиболее близким техническим решением является «способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания (патент RU 2461101), 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, подключения к оставшимся аккумуляторам индивидуальных разрядных резисторов, с последующим отключением соответствующих резисторов при достижении напряжения на соответствующих аккумуляторах уровня напряжения первоначально выбранного аккумулятора, отличающийся тем, что по завершении балансировки или в процессе ее проведения дополнительно проводят упреждающую разбалансировку аккумуляторов по напряжению относительно напряжения первоначально выбранного аккумулятора.

Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.

Недостатком известного способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи является то, что процесс начала проведения балансировки аккумуляторов не определен во времени, что усложняет эксплуатацию литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ. При работе аккумуляторной батареи в составе ИСЗ не всегда есть возможность проведения профилактических работ с ней, необходимо выбирать приемлемый для этого промежуток времени.

Задачей заявляемого изобретения является упрощение способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ.

Поставленная задача решается тем, что при проведении зарядов, разрядов, периодической балансировке аккумуляторов по напряжению, проведении подзаряда и хранении в подзаряженном состоянии периодически рассчитывают скорость разбалансировки аккумуляторов с максимальным и минимальным текущими напряжениями и максимальное время до проведения очередной балансировки аккумуляторов по напряжению, а балансировку проводят не позднее рассчитанного времени. При этом скорость разбалансировки аккумуляторов с максимальным и минимальным текущими напряжениями рассчитывают по формуле:

где V - скорость разбалансировки аккумуляторов, В/час;

Umax - максимальное текущее напряжение на каком-либо аккумуляторе, В;

Umin - минимальное текущее напряжение на каком-либо аккумуляторе, В;

i - номер измерения;

τ - время между текущим и предшествующим измерением, а очередную балансировку аккумуляторов по напряжению проводят не позднее времени рассчитанного исходя из соотношения:

где Т - время до проведения очередной балансировки аккумуляторов по напряжению, час;

ΔUmax - максимально допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению, В.

Действительно, расчет текущей скорости разбалансировки аккумуляторов позволяет рассчитать с достаточно высокой точностью время до проведения очередной балансировки. Полученные данные позволят планировать проведение балансировки аккумуляторов в нужный период, не вводя ограничений на целевую работу ИСЗ.

На фиг. 1 приведена упрощенная функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, поясняющая работу по предлагаемому способу.

Автономная система электропитания 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 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 (бортовую ЭВМ), в которой реализуются следующие технологические операции:

1. Обрабатываются данные по текущему значению напряжения аккумуляторов 4-1, оценивается разница в текущих напряжениях аккумуляторов относительно аккумулятора, имеющего наименьшее напряжение;

2. Максимальная разница текущих напряжений аккумуляторов используется для расчета текущей скорости разбаланса. Для расчета используются также данные предшествующего измерения текущих напряжений аккумуляторов и время между проведенными измерениями;

3. Исходя из допустимого максимального уровня разбаланса аккумуляторов по напряжению и текущей скорости разбаланса, рассчитывается время (максимальное) до необходимости проведения очередной балансировки аккумуляторов по напряжению.

Это позволяет планировать проведение процесса балансировки аккумуляторов в графике эксплуатации ИСЗ, без ущерба для целевой работы ИСЗ, что упрощает процесс эксплуатации аккумуляторной батареи и ИСЗ в целом.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет упростить способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания ИСЗ.