×
19.04.2019
219.017.2b8d

Результат интеллектуальной деятельности: Способ заряда комплекта из "n" литий-ионных аккумуляторных батарей в составе геостационарного искусственного спутника Земли

Вид РИД

Изобретение

№ охранного документа
0002684905
Дата охранного документа
16.04.2019
Аннотация: Использование: в области электротехники. Технический результат – обеспечение восстановления полной энергоемкости аккумуляторных батарей (АБ), что приведет к повышению живучести искусственного спутника Земли (ИСЗ), а также обеспечит преемственность зарядных устройств, что позволит снизить его конечную стоимость и сроки его изготовления. Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею, подключенную к нагрузке через сериесный преобразователь, «n» - аккумуляторных батарей с устройствами контроля, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи к нагрузке. Каждый преобразователь содержит схему управления, выполненную в виде широтно-импульсного модулятора. Заряд АБ осуществляется ступенчатым током заряда. При этом после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда, после того как зарядное напряжение аккумулятора достигнет своего предельного разрешенного значения, ток заряда снижается и снова подзаряжает батарею до предельного уровня, только уже меньшим током, причем снижение тока заряда и подзаряда до предельного уровня проводят несколько раз до установления минимальной величины зарядного тока включительно. 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 и 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 Е. Ресурсные испытания).

Недостатком такого метода является то, что заряд батареи осуществляется постоянным током, при этом известно, что реальная аккумуляторная батарея имеет внутренний импеданс, и очевидно, что чем выше ток заряда, тем больше будет падение напряжения на внутреннее сопротивление аккумулятора, следовательно, на большую энергоемкость мы не дозарядим батарею. Очевидно, при применении в промышленных и бытовых условиях это незначительная потеря энергоемкости не критична ввиду возможности подключить источник питания. Однако при возникновении нештатной ситуации на ИСЗ, такой, как например, потеря ориентации на Солнце, отсутствие энергоемкости может привести к потери космического аппарата.

Наиболее близким по технической сущности является заряд батареи максимальным током до достижения емкости 70% с последующем дозарядом ее падающим током (см. Д.А. Хрусталев, Аккумуляторы, М., Изумруд, 2003 г., глава 4.6). Недостатком данного способа является отсутствие преемственности зарядного устройства ИСЗ различной мощности, так как максимальный ток заряда напрямую зависит от энергоемкости АБ. Что в конечном итоге приводит к увеличению стоимости зарядного устройства, из-за необходимости проведения новой разработки в случае применения АБ с энергоемкостью отличной от примененных ранее.

Задачей заявляемого изобретения является применение такого способа заряда, который позволит восстановить полную энергоемкость, что в конечном итоге приведет к повышению живучести ИСЗ, а так же обеспечит преемственность зарядных устройств, что позволит снизить его конечную стоимость и сроки его изготовления.

Поставленная задача решается тем, что заряд аккумуляторной батареи проводят ступенчатым током заряда, при этом после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда, после того, как зарядное напряжение аккумулятора достигнет своего предельного разрешенного значения, ток заряда снижается и снова подзаряжает батарею до предельного уровня, только уже меньшим током, причем снижение тока заряда и подзаряда до предельного уровня проводят несколько раз до установления минимальной величины зарядного тока включительно.

Действительно использование данного метода обладает преимуществами метода заряда подающим током, с помощью которого можно максимально зарядить аккумуляторную батарею. При этом спроектированное и разработанное зарядное устройство с множеством ступеней заряда обладает универсальностью. Такое зарядное устройство возможно использовать на аккумуляторных батареях разной емкости, которые имеют отличные токи заряда.

Известно, что литий-ионные аккумуляторные батареи могут безопасно работать только при нормальном напряжении заряда. Если оно будет выше нормального, батарея может работать нестабильно и выйти из строя. Это происходит потому, что при превышении значения напряжения заряда 4,3 В/элемент начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде происходит активное выделение кислорода, и температура батареи при этом растет. Поэтому суть метода заключается в следующем: после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда рассчитанный по известной формуле Iзар=С/10, после того, как зарядное напряжение аккумулятора достигнет величины 4,3 В/элемент, происходит снижение тока заряда условно в два раза, т.е. ток заряда становиться равным С/20. При этом очевидно, что при снижение тока заряда в два раза, так же в два раза снижается и падение напряжение на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Тем самым общее напряжение аккумулятора, так же снижается и установиться ниже предельного напряжения 4,3 В. Это позволяет снова подзарядить батарею до уровня 4,3 В, только теперь уже меньшим током. Таким образом, последовательно ступенчато снижая ток заряда, осуществляется восстановление предельной энергоемкости аккумуляторной батареи. При этом зарядное устройство, построенное на ступенчатом типе можно применять на батареях различной энергоемкости, тем самым обеспечивается его универсальность. Действительно, зарядное устройство, которое имеет ступени заряда, может применяться на батареях различной энергоемкости.

Так для примера имеем зарядное устройство с 9 ступенями. Ток заряда первой ступени 20 А, и далее он снижается в два раза на каждой ступени, тогда зарядное устройство будет иметь следующие ступени 20/10/5/2,5/1,25/0,63/0,31/0,15/0,08. Очевидно, что используя способ заряда, описанный выше, возможно осуществить заряд аккумуляторной батареи с различной энергоемкостью. Так, например заряд аккумуляторной батареи с меньшей энергоемкостью можно осуществлять не с первой ступени, а с третьей или четвертой.

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

Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через сериесный преобразователь напряжения 3 и аккумуляторную батарею 4, подключенные через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 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 аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторной батареи 7, связанные входом с аккумуляторной батареи 4 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2.

В силовой цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи 4 установлен измерительный шунт 8.

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 транзисторного ключа 16, связанного с аккумуляторной батарей 4 и нагрузкой 2.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

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 С2.

Схемы управления: 10 (12 разрядного зарядного преобразователя 5) и 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 измерительным шунтом 8 в силовых цепях аккумуляторной батареи 4 и с напряжением солнечной батареи 1.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. При этом заряд осуществляется ступенчатым током. Снижение уставки (величины) тока происходит после достижения напряжения аккумулятора предельного допустимого значения. И так происходит до полного заряда. Это обеспечивается запиранием транзисторного ключа 16, путем подачи управляющих команд с нагрузки 2. Такой режим работы позволяет содержать энергоемкость аккумуляторной батареи 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 аккумуляторной батареи 4 оптимальными режимами.

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

При прохождении теневых участков орбиты или при нарушении ориентации, нагрузка 2 питается от аккумуляторной батарей 4 через разрядный преобразователь 6.

Устройство контроля 7 контролирует напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторной батареи 4 и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2.

Далее бортовая ЭВМ в составе нагрузки 2 реализует алгоритм управления зарядом аккумуляторной батареи 4. По результатам анализа телеметрической информации алгоритм в процессе эксплуатации ИСЗ может меняться через командно-измерительную радиолинию ИСЗ.

Таким образом, заряд аккумуляторной батареи ступенчатым током заряда, решает проблему более эффективного восстановление энергоемкости аккумуляторной батареи не нарушая требований по ее руководству эксплуатации. Данный метод заряда, повышает живучесть системы электропитания и ИСЗ в целом. Кроме того дынный метод позволяет создать универсальное зарядное устройство, которое может применяться на ИСЗ различной мощности, тем самым экономя время изготовления, так как нет необходимости производить разработку и полный цикл наземных испытаний нового зарядного устройства, что соответственно снижает ее конечную стоимость.

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 напряжения любого аккумулятора каждой аккумуляторной батареи заданного значения, отличающийся тем, что заряд аккумуляторной батареи проводят ступенчатым током заряда, при этом после разряда аккумуляторной батареи, на первом этапе заряд осуществляется предельным током заряда, после того как зарядное напряжение аккумулятора достигнет своего предельного разрешенного значения, ток заряда снижается и снова подзаряжает батарею до предельного уровня, только уже меньшим током, причем снижение тока заряда и подзаряда до предельного уровня проводят несколько раз до установления минимальной величины зарядного тока включительно.
Способ заряда комплекта из
Способ заряда комплекта из
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 51-60 из 193.
10.06.2016
№216.015.48ff

Такелажно-швартовочный узел

Изобретение относится к сборно-разборным устройствам, предназначенным для проведения операций по закреплению на транспортных средствах с обеспечением требуемого угла наклона растяжек и (или) по переносу объектов различного назначения (транспортных контейнеров, ящиков и других изделий)....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002586470
Дата охранного документа: 10.06.2016
10.06.2016
№216.015.49f5

Способ выведения космического аппарата на геостационарную орбиту с использованием двигателей малой тяги

Изобретение относится к межорбитальному маневрированию космического аппарата (КА). Способ включает выведение КА на переходную орбиту с нулевым наклонением двигателями большой тяги. Перигей этой орбиты лежит ниже геостационарной орбиты (ГСО), а апогей - выше ГСО. Довыведение КА на ГСО...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002586945
Дата охранного документа: 10.06.2016
12.01.2017
№217.015.5c78

Бак высокого давления

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к баку высокого давления для хранения рабочих тел, предназначенному для использования на космическом аппарате. Бак содержит металлический лейнер, имеющий верхнее и нижнее днища овальной формы, выполненные в виде полусфер, герметично...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002589956
Дата охранного документа: 10.07.2016
13.01.2017
№217.015.7719

Способ организации помехоустойчивой связи

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для создания помехоустойчивых систем связи. Техническим результатом изобретения является снижение порога устойчивой работы широкополосной системы связи на 3…6 дБ за счет расширения полосы формируемого сигнала. Способ организации...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002599578
Дата охранного документа: 10.10.2016
13.01.2017
№217.015.8a7b

Способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности системы электроснабжения. Согласно способу управления автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, стабилизатор напряжения, включенный...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604206
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8aaf

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности. Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли (ИСЗ) заключается в проведении зарядов, хранении в заряженном состоянии подзарядов, при необходимости, разрядов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604207
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.8ac9

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли

Использование: в области электротехники в системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат - повышение удельных энергетических характеристик и качества выходного напряжения автономной системы электропитания ИСЗ. Способ заключается в том, что в автономной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002604096
Дата охранного документа: 10.12.2016
13.01.2017
№217.015.9212

Регулировочно-соединительное устройство

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано как устройство закрепления оборудования к конструкции корпуса космического аппарата. Регулировочно-соединительное устройство содержит комплект крепежных элементов для шарнирного соединения, шпангоут, на посадочные...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002605666
Дата охранного документа: 27.12.2016
25.08.2017
№217.015.b74a

Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из "n" последовательно соединенных аккумуляторов

Изобретение относится к электротехнической промышленности. Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из «n» последовательно соединенных аккумуляторов заключается в контроле напряжения аккумуляторов, отключении заряда по достижении напряжения любого из аккумуляторов заданного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002614514
Дата охранного документа: 28.03.2017
25.08.2017
№217.015.c791

Двухступенчатый электронасосный агрегат

Изобретение относится к машиностроительной гидравлике и может быть использовано как электронасосный агрегат (ЭНА) в составе систем терморегулирования самолетов и космических аппаратов. Двуступенчатый ЭНА содержит входной и выходной патрубки и два ЭНА. Каждый ЭНА содержит электродвигатель с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002618777
Дата охранного документа: 11.05.2017
Показаны записи 1-9 из 9.
27.07.2013
№216.012.5b10

Способ электропитания космического аппарата

Заявляемое изобретение относится к области космической энергетики, конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Техническим результатом является повышение удельных энергетических характеристик системы электропитания КА. Предлагается способ электропитания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002488933
Дата охранного документа: 27.07.2013
20.03.2014
№216.012.ad71

Способ электропитания космического аппарата

Заявляемое изобретение относится к области космической энергетики, конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Технический результат заключается в повышении эффективности использования солнечной батареи и надежности системы электропитания КА, позволяющий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510116
Дата охранного документа: 20.03.2014
20.04.2015
№216.013.430e

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания (СЭП) искусственных спутников Земли (ИСЗ). Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение функциональной надежности автономной системы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002548664
Дата охранного документа: 20.04.2015
10.03.2016
№216.014.bfd2

Способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения космических аппаратов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей. Технический результат - повышение надежности эксплуатации...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002576795
Дата охранного документа: 10.03.2016
10.02.2016
№216.014.c249

Способ электропитания космического аппарата

Изобретение относится к области космической энергетики, конкретнее к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА). Технический результат - увеличение надежности. Система содержит солнечную батарею, подключенную своими плюсовой и минусовой шинами к стабилизатору напряжения,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002574912
Дата охранного документа: 10.02.2016
26.08.2017
№217.015.e001

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения

Изобретение относится к энергообеспечению космических аппаратов, преимущественно геостационарных спутников с трехосной ориентацией. Способ включает зарядку-разрядку и хранение аккумуляторов в заряженном состоянии. На аккумуляторах установлены аналоговые датчики температуры в количестве не менее...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002625173
Дата охранного документа: 12.07.2017
29.12.2017
№217.015.f3ba

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения

Изобретения относятся к энергообеспечению космических аппаратов (КА), преимущественно геостационарных спутников с трехосной ориентацией. Способ включает зарядку-разрядку и хранение аккумуляторов в заряженном состоянии. На аккумуляторах установлены аналоговые датчики и локальные нагреватели. В...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002637585
Дата охранного документа: 05.12.2017
10.05.2018
№218.016.39de

Способ заряда литий-ионной аккумуляторной батареи

Использование: в области электротехники. Техническим результатом является повышение эффективности использования литий-ионной аккумуляторной батареи при длительной ее эксплуатации. Согласно способу при проведении заряда литий-ионной аккумуляторной батареи из n последовательно соединенных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002647128
Дата охранного документа: 14.03.2018
24.01.2019
№219.016.b351

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата и космический аппарат для его реализации

Группа изобретений относится к системе электропитания космического аппарата (КА). В способе питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания КА от первичного источника, например солнечной батареи (СБ), и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002677963
Дата охранного документа: 22.01.2019
+ добавить свой РИД