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

Назначение

Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА), в составе которых используются аккумуляторные батареи.

Уровень техники

Современная космическая техника, среди прочих, ставит перед собой задачу по увеличению срока активного существования создаваемого КА.

К числу систем современных КА, по сути определяющих срок активного существования КА, относится в первую очередь система генерирования электроэнергии (СГЭ), у которой в качестве первичных источников энергии используются солнечные батареи (СБ), в которых солнечная энергия, преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями, и позволяет обеспечить питание всех устройств КА, а также заряд вторичных источников питания - накопителей электрической энергии в виде аккумуляторных батарей (АБ), являющихся одним из наиболее критичных звеньев у СГЭ.

В современных КА на сегодня наиболее перспективными являются литий-ионные АБ. Их описание, условия эксплуатации и сравнительные характеристики всесторонне представлены в диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук (Тарасов B.C. "Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата". Специальность 05.09.03. Электротехнические комплексы и системы. «Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2015 г.).

Для обеспечения длительного срока службы (ресурса) АБ очень важно проводить непрерывный мониторинг текущего технического состояния аккумуляторов АБ, своевременно проводить различные профилактические мероприятия для восстановления энергетических характеристик и обеспечивать комфортные температурные условия эксплуатации а также их оптимальные заряды, разряды и условия хранения,.

На КА негерметичного исполнения с радиационным охлаждением потенциально существует техническая возможность поддержания температуры АБ в более узком диапазоне, в отличие от КА с герметичным контейнером, в котором установлены АБ вместе с другой аппаратурой (преимущественно - радиоэлектронной) или КА, имеющий жидкостной контур охлаждения, который охватывает вместе с АБ другую аппаратуру. Предпосылкой этому служит то, что при таком построении КА термостатирование АБ может быть реализовано индивидуальным, независимым от другой аппаратуры КА.

Поддержание температуры АБ в узком диапазоне может быть обеспечено системой терморегулирования, например, в виде подробно описанного известного устройства управления нагревателями аппаратуры КА (см. патент, РФ, №2571728).

Аккумуляторные батареи в процессе длительной эксплуатации КА могут выйти из строя или существенно снизить свои характеристики, в том числе и ресурсные, из-за многократного глубокого переразряда, т.е. из-за снижении остаточной емкости аккумулятора (под остаточной емкостью АБ следует понимать значение количества электрической энергии, выраженное в ампер часах или Кулонах, которое АБ отдает при разряде до выбранного конечного напряжения в любом текущем его состоянии) ниже предельных значений, ухудшающих ресурсные характеристики аккумуляторов (см. патент, РФ, №2164881). Поэтому, при обеспечении максимальной отдачи количества электрической энергии АБ, для исключения глубокого переразряда отдельных аккумуляторов в АБ, важнейшим условием является выравнивания в АБ аккумуляторов по остаточной емкости.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является «Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения с радиационным охлаждением и космический аппарат для его реализации» (патент №2430860, от 10.10.2011 г.), взятое авторами за прототип.

В данном способе эффективность использования литий-ионных АБ и обеспечение ресурсных характеристик СГЭ и КА негерметичного исполнения в целом при его штатной работе осуществляется следующим образом.

Бортовое программное обеспечение дифференцирует во времени текущую температуру АБ и исходя из входных данных по режиму работы (заряд, разряд, хранение) величины токов заряда-разряда, степени заряженности и температуры и задает режим работы локальных нагревателей АБ через систему терморегулирования. В процессе заряда контролируется напряжение аккумуляторов в АБ и самой АБ. При достижении напряжения в каком-либо аккумуляторе величины максимального зарядного напряжения, зарядный преобразователь переключается в режим стабилизации напряжения на АБ в диапазоне от текущей величины до значения напряжения U_АБ:

где

U_{з акк макс} - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора;

n - число аккумуляторов в АБ;

ΔU_доп - допустимый разбаланс аккумуляторов в АБ по напряжению.

Если в процессе эксплуатации АБ разница в напряжениях аккумуляторов превысит допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению (ΔU_доп), контролируется отсутствие тока разряда и включается режим балансировки аккумуляторов по напряжению. В простейшем виде, это подключение ко всем аккумуляторам, кроме имеющего наименьшее напряжение, разрядных резисторов с последующим их последовательным отключением по мере достижения напряжения каждого аккумулятора текущей величины напряжения аккумулятора, не подвергающегося подразряду.

Недостатком прототипа является то, что данный способ наиболее приемлем для литий-ионных аккумуляторов у которых положительный электрод изготовлен из литированного оксида кобальта или подобных оксидных соединений, но не позволяет обеспечить достаточную точность выравнивания разбаланса аккумуляторов в АБ с катодом на базе литированного фосфата железа при использовании описанного режима балансировки аккумуляторов по напряжению, что приводит к неэффективному использованию остаточной емкости АБ и к снижению сроку службы АБ.

Это видно из графика на фиг. 1, на котором показана зависимость напряжения (U) от остаточной емкости (Q) при его разряде для ненагруженных литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного оксида кобальта или подобных оксидных соединений, и из графика на фиг. 2, на котором показана зависимость напряжения от остаточной емкости при его разряде для ненагруженных литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного фосфата железа (см. патент, РФ, №2533328).

На фиг. 1 и фиг. 2 представлено снятие остаточной емкости Q в % от полной емкости Q_max заряженного аккумулятора.

На фиг. 1 изменение остаточной емкости аккумулятора сопровождается заметным изменением напряжения на нем, а на фиг. 2 напряжение на аккумуляторе почти на всем протяжении изменения остаточной емкости является горизонтальной прямой и резкое изменение (снижение) напряжения наступает после снятия с аккумулятора около 90% емкости, или в области полного заряда аккумулятора (увеличение), в результате чего мониторинг степени разряженности аккумулятора по измерению напряжения на всем протяжении изменения остаточной емкости становится неточным.

Литий-ионные аккумуляторы с катодом на базе литированного фосфата железа хотя и имеют более низкие удельные энергетические параметры из-за несколько меньшего (3,2 В) номинального напряжения, в сравнении с литий-ионными аккумуляторами с оксидными катодами с номинальным напряжением (3,6 В), но обладают в 2-3 раза большим ресурсом работы и безопасны в эксплуатации (см. Вопросы электромеханики Т. 123. 2011, стр. 29-30).

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования и увеличение ресурса службы литий-ионных аккумуляторных батарей, в том числе с положительным катодом, выполненным на основе литированного фосфата железа.

Раскрытие изобретения

Способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения с радиационным охлаждением, снабженного солнечными батареями, заключается в контроле и поддержании температуры аккумуляторов аккумуляторной батареи в заданном диапазоне, в проведении зарядов, разрядов и хранении в заряженном состоянии аккумуляторной батареи. Заряд аккумуляторной батареи от солнечных батарей обеспечивают на освещенной орбите с контролем напряжений на аккумуляторах. Выравнивание по остаточной емкости аккумуляторов в аккумуляторной батарее осуществляют при заряде аккумуляторов и отсутствии тока разряда аккумуляторной батареи, используя при этом режим балансировки остаточной емкости аккумуляторов в батарее. В процессе заряда батареи постоянно контролируют напряжение (U) на каждом аккумуляторе и при достижении полного заряда (максимального значения остаточной емкости) хотя бы одного из аккумуляторов (фиксируют по резкому увеличению напряжения, см. фиг. 2), приостанавливают заряд аккумуляторов и осуществляют контрольные замеры остаточной емкости каждого аккумулятора, для чего через аккумуляторную батарею пропускают короткий импульсный ток и вычисляют по каждому аккумулятору в данной контрольной точке разность между постоянным напряжением и напряжением под импульсной нагрузкой на нем. Определяют разницу значений максимальной и минимальной остаточной емкости на аккумуляторах, которая является величиной разбаланса батареи, и если данная величина превышает заданное значение величины разбаланса, включают режим балансировки остаточной емкости путем принудительного разряда аккумуляторов с большей остаточной емкостью до минимального значения остаточной емкости на аккумуляторе, который не подлежит разряду. В простейшем виде, это подключают разрядные резисторы (R) ко всем аккумуляторам, кроме имеющего наименьшую остаточную емкость, и последовательно отключают по мере достижения текущего значения их остаточной емкости, соответствующей остаточной емкости аккумулятора, не подвергающегося подразряду, при этом контроль осуществляют, например, по времени (t) подключения разрядного резистора к контролируемому аккумулятору в зависимости от ΔQ, т.е. разницы значений остаточной емкости контролируемого аккумулятора и остаточной емкости минимально заряженного аккумулятора:

где U - величина практически одинаковая для всех аккумуляторов (см. фиг. 2).

После этого продолжают заряд батареи. Описанный процесс заряда, контроля и балансировки аккумуляторов повторяют до достижения номинального значения остаточной емкости в каждом аккумуляторе с учетом допустимого разбаланса.

Данный способ обеспечивает получение следующих технических преимуществ:

- повышается остаточная емкость АБ в виду малого разброса остаточной емкости аккумуляторов в АБ,

- уменьшается глубина разряда аккумуляторов при требуемой для питания остаточной емкости АБ;

- увеличивается ресурс работы аккумуляторов в АБ;

- повышается надежность работы аккумуляторов в АБ.

Предлагаемый способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения с радиационным охлаждением позволяет увеличить срок службы, улучшить эксплуатационные и энергетические характеристики литий-ионных аккумуляторных батарей, в том числе с положительным катодом, выполненным на основе литированного фосфата железа.

Графические иллюстрации

Фиг. 1 - График зависимости напряжения (U) от остаточной емкости Q (которая представлена в % от полной емкости Qmax заряженного аккумулятора) при разряде ненагруженных литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного оксида кобальта или подобных оксидных соединений.

Фиг. 2 - График зависимости напряжения (U) от остаточной емкости Q (которая представлена в % от полной емкости Qmax заряженного аккумулятора) при разряде ненагруженных литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного фосфата железа.

Фиг. 3 - Пример структурной схемы для реализации заявляемого способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения с радиационным охлаждением, содержащей следующие обозначенные позиции:

1 - СБ (солнечные батареи);

2 - литий-ионная аккумуляторная батарея;

3 - аккумуляторы;

4 - УБА (устройство балансировки аккумуляторов);

5 - СПН (стабилизированный преобразователь напряжения);

5-1 - ЗУ (зарядное устройство);

5-2 - РУ (разрядное устройство);

6 - нагреватели;

7 - термодатчики;

8 - СТР (система терморегулирования);

9 - БКУ с БВМ (бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной);

10 - УИН - управляемая импульсная нагрузка;

11 - ЭК (электронный ключ);

12 - нагрузка.

Фиг. 4 - График зависимости разности напряжений (ΔU) ненагруженного аккумулятора (U1) и амплитуды импульсного напряжения (U2) данного аккумулятора в контрольных точках под воздействием импульсного тока от остаточной емкости Q (которая представлена в % от полной емкости Qmax заряженного аккумулятора).

Пример исполнения

Солнечные батареи (СБ) 1 космического аппарата устанавливают на внешней стороне радиационной поверхности корпуса КА и оптимально ориентируют таким образом, что во время движения КА по орбите угол отклонения нормали к активной поверхности СБ 1 от линии направления на Солнце должен быть минимальным (см. В.Н. Васильев. Системы ориентации космических аппаратов, М., 2009, с. 273-275). Все остальные составляющие, обозначенные позициями на фиг. 3, устанавливают на внутренней стороне радиационной поверхности корпуса КА (внутри корпуса КА), используя различные активные и пассивные способы терморегулирования, причем для исключения взаимовлияния и поддержания нужного теплового режима данных составляющих используют многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию. Особенно это касается литий-ионных АБ, для которых требуется сравнительно узкий температурный диапазон в различных режимах эксплуатации (см. «Питание для холодного климата: морозостойкие литий-полимерные АКБ от ЕЕМВ». Новости электроники, №4, 2016 г.).

Для обеспечения данного узкого температурного диапазона в различных режимах эксплуатации используют систему терморегулирования (СТР) 8, термодатчики 7 и нагреватели 6 (см. патент, РФ, №2571728).

Литий-ионная АБ 2 с требуемым номинальным напряжением (например, для бортового питания КА - 28 В) выполняется в виде нескольких последовательно соединенных аккумуляторов, в виду того, что номинальное напряжение аккумулятора равно приблизительно 3,2 В (у которых положительный электрод изготовлен из литированного фосфата железа). Тогда, например, для получения стабилизированного питающего бортового напряжения КА - 28 В требуется оптимальное количество аккумуляторов АБ с учетом глубины разряда блока АБ не менее 10 штук. Величину глубины разряда аккумуляторов выбирают исходя недопущения глубокого разряда (см. Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. Москва, 2003 г., стр. 124-125), позволяющего сохранить рабочие характеристики АБ в течение как можно большего периода времени, т.е. увеличить срок его службы.

При прохождении КА освещенной орбиты питание всех устройств КА, а также заряд АБ 2 осуществляется за счет электрической энергии СБ 1. В начале прохождения КА освещенной орбиты аккумуляторы 3 АБ 2 разряжены, т.к. питание устройств КА на теневом участке осуществлялось за счет аккумуляторной энергии, поэтому их необходимо заряжать. Оптимальная величина тока заряда должна находиться в пределах от 0,1 до 0,3 номинальной емкости АБ 2. Малые зарядные токи (менее 0,1 номинальной емкости АБ) не позволяют проводить заряд с высоким коэффициентом полезного действия, а заряд током менее 0,03 номинальной емкости практически не приводит к повышению емкости АБ (см. патент, РФ, №. 2510105).

При этом, при заряде АБ 2 важнейшим условием является выравнивание аккумуляторов 3 в АБ 2 по остаточной емкости, в виду того, что вследствие переразряда отдельных аккумуляторов в АБ 2 из-за не выравненной их остаточной емкости приводит к снижению фактической энергоемкости аккумуляторной батареи и к снижению срока ее службы. Более того, при эксплуатации АБ нельзя допускать переполюсовку аккумуляторов, т.к. переполюсовавшиеся аккумуляторы выйдут из строя и восстановить их будет невозможно (см. патент, РФ, №2168828). Как видно из графика на фиг. 2, на котором показана зависимость напряжения от остаточной емкости при его разряде для ненагруженных литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного фосфата железа, напряжение на аккумуляторе почти на всем протяжении изменения остаточной емкости является горизонтальной прямой и резкое изменение (снижение) напряжения наступает после снятия с аккумулятора приблизительно 90% емкости, в результате чего мониторинг степени заряженности (разряженности) аккумулятора по измерению напряжения становится неточным. Однако литий-ионные аккумуляторы с катодом на базе литированного фосфата железа обладают большим ресурсом работы и безопасны в эксплуатации, что является особенно важным достоинством для использования их на КА.

Известно (см. патент, РФ, №2533328), что внутреннее сопротивление данного аккумулятора является гораздо более чувствительной величиной по отношению к остаточной емкости, чем напряжение разомкнутой цепи. Поэтому повышение точности и достоверности определения остаточной емкости аккумулятора в АБ 2 возможно по значениям разности (ΔU) напряжений ненагруженного аккумулятора (U1) и амплитуды импульсного напряжения (U2) данного аккумулятора под воздействием импульсного тока, т.е.

На фиг. 4 показана ярко выраженная зависимость ΔU от остаточной емкости Q, которая представлена в % от полной емкости Qmax заряженного аккумулятора. При этом параметры импульсного тока могут быть следующими:

- длительность импульса тока 0,01-0,1 секунд;

- амплитуда не менее чем в 5 раз превышает максимально допустимый ток непрерывного разряда для данного типоразмера аккумулятора, но меньше, чем допустимый для данного аккумулятора импульсный ток нагрузки.

Импульсный ток для аккумуляторов 3 формирует УИН 10 путем подключения нагрузки 12 через управляемый электронный ключ ЭК 11 по сигналу БКУ с БВМ.

Рассмотрим процесс заряда аккумуляторов 3 в АБ 2 и их выравнивания. Зарядное устройство (ЗУ) 5-1 стабилизированного преобразователя напряжения (СПН) 5 обеспечивает требуемый для данного типоразмера аккумуляторов 3 зарядный ток (БКУ с БВМ 9 контролирует и обеспечивает отсутствие разрядного тока аккумуляторов 3 через РУ 5-2), при этом БКУ с БВМ 9 постоянно контролирует напряжение U1 на клеммах каждого аккумулятора. При достижении полного заряда (максимального значения остаточной емкости) хотя бы одного из аккумуляторов 3 (фиксируют по резкому увеличению напряжения, см. фиг. 2), приостанавливают заряд аккумуляторов и осуществляют контрольные замеры остаточной емкости каждого аккумулятора 3 (при этом БКУ с БВМ 9 контролирует отсутствие разряда аккумуляторов 3 через РУ 5-2), для чего через данные последовательно включенные аккумуляторы 3 пропускают короткий импульсный ток, формируемым УИН 10 (ЭК 11 открывается и импульсный ток, определяемый нагрузкой 12 протекает по цепи: СБ 1 - ЭК 11 - нагрузка 12 - аккумуляторы 3 - СБ 1), и вычисляют по каждому аккумулятору 3 в данной контрольной точке разность ΔU между постоянным напряжением и напряжением под импульсной нагрузкой на нем в соответствии с выражением (3). Определяют разницу значений максимальной и минимальной остаточной емкости на аккумуляторах 3, которая является величиной разбаланса батареи, и если данная величина превышает заданное значение величины разбаланса, записанного в БКУ с БВМ 9, то сигналом с БКУ с БВМ 9, поступающему на УБА 4, включают режим балансировки остаточной емкости путем принудительного разряда аккумуляторов 3 с большей остаточной емкостью до минимального значения остаточной емкости на аккумуляторе 3, который не подлежит разряду. В простейшем виде, это подключают разрядные резисторы (R) УБА 4 ко всем аккумуляторам 3, кроме имеющего наименьшую остаточную емкость, и последовательно отключают по мере достижения текущего значения их остаточной емкости, соответствующей остаточной емкости аккумулятора 3, не подвергающегося подразряду, при этом данный контроль осуществляют в БКУ с БВМ 9, например, по времени подключения разрядного резистора к контролируемому аккумулятору 3 в зависимости от разницы значений остаточной емкости контролируемого аккумулятора 3 и остаточной емкости минимально заряженного аккумулятора 3 в соответствии с выражением (2).

После этого продолжают заряд аккумуляторов 3 в аккумуляторной батарее 2. Описанный процесс заряда, контроля и балансировки аккумуляторов 3 повторяют до достижения номинального значения остаточной емкости в каждом аккумуляторе 3 с учетом допустимого разбаланса, записанного в БКУ с БВМ 9.

При хранении заряженной АБ 2 в составе КА аккумуляторы 3 подвергаются саморазряду. При этом существующий технологический разброс в их токах саморазряда приводит к разбалансу аккумуляторов 3 по остаточной емкости, что требует периодического проведения балансировки аккумуляторов 3.

Известно, что оптимальным условием хранения для АБ является заряженность до 40% номинальной емкости (см. Фрэн Хоффард, "Правильная эксплуатация может продлить жизнь литий-ионного аккумулятора", www.powerelectronics.com), поэтому при эксплуатации АБ 2, имеющего режим длительного хранения, заряд АБ 2 по остаточной емкости следует осуществлять в два этапа:

- 1-й - в начале прохождения КА освещенной орбиты приблизительно до 40% номинальной емкости (режим хранения АБ);

- 2-й - в конце прохождения КА освещенной орбиты до требуемой номинальной емкости.

Таким образом, использование предлагаемого способа эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения с радиационным охлаждением позволяет повысить эффективность использования аккумуляторной батареи и ресурс ее службы, что в целом улучшает характеристики системы генерирования электроэнергии космического аппарата и увеличивает срок его активного существования.