способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания

Формула изобретения

Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания, заключающийся в проведении заряд-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, отличающийся тем, что дополнительно контролируют величину емкости переполюсовки интегрированием разрядного тока во времени аккумулятора, который первым достиг минимального значения напряжения, от момента достижения этого напряжения до конца разряда, причем емкость переполюсовки рассчитывают без учета токов через разрядные байпасные диоды, а штатный режим заряда аккумуляторной батареи начинают после предварительного подзаряда малым током с сообщением емкости не менее полученной величины емкости переполюсовки.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания геостационарных 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: 2NiООН+2Н₂O+2е 2Ni(ОН)₂+2OН^-.

На отрицательном электроде:

- при наличии балластного водорода 1/2Н ₂+ОН^- 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 путем проведения зарядно-разрядных циклов, предусматривающий "обход" полностью разряженного аккумулятора диодными (байпасными) цепями (см. W.I.Billerbeck, W.E.Baker "The desing of reliable power systems for communi ca-tions satelite", Comsat Laboratories Clarksbufg, AIAA/NASA Spacesyst. Technol. Conf. 14/8, 5-7 june, 1984).

Недостатком известного способа является то, что в процессе разряда аккумуляторной батареи при полном разряде какого-либо аккумулятора и дальнейшем продолжении разряда этот аккумулятор переполюсовывается (меняется его полярность). Наличие падения напряжения на байпасных диодах величиной (0,4-0,6) В, приложенного к этому аккумулятору в обратной полярности, способствует протеканию в нем электрохимических реакций, связанных с выделением кислорода, что может привести к отрицательным последствиям для аккумулятора (см. главу X1, [1]). Степень переполюсовки аккумулятора, в худшем случае, определяется величиной емкости, прошедшей через аккумулятор, который достиг минимального значения напряжения, от момента достижения этого напряжения до конца разряда без учета токов через разрядные байпасные диоды, так как при переразряде аккумуляторов ток через разрядные байпасные диоды длительное время не протекает.

Известен способ эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания путем проведения зарядно-разрядных циклов, предусматривающий контроль напряжения разомкнутой цепи каждого аккумулятора и предварительный подзаряд малым током до восстановления напряжения разомкнутой цепи всех аккумуляторов до величины не менее величины напряжения их электрохимической пары (см. заявку №2003112577/09 (013260) от 28.04.2003 г., Решение о выдаче патента от 28.10.2004 г.), который выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является его определенная сложность, как в плане аппаратного исполнения (необходимость контроля величины напряжения разомкнутой цепи каждого аккумулятора, а не их пороговых значений, что значительно проще), так и программного исполнения (варьирование количеством подзарядных циклов в зависимости от результатов измерения напряжения разомкнутой цепи аккумуляторов).

Целью предлагаемого изобретения является упрощение технологии эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, в которой отдельные аккумуляторы в процессе эксплуатации периодически подвергаются переполюсовке.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно контролируют величину емкости переполюсовки аккумулятора, который первым достиг минимального значения напряжения, от момента достижения этого напряжения до конца разряда, причем емкость переполюсовки рассчитывают без учета токов через рарядные байпасные диоды, а заряд аккумуляторной батареи начинают после предварительного подзаряда малым током с сообщением емкости не менее полученной величины емкости переполюсовки.

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 дозированной подачей зарядного тока (дозированным выделением водорода в аккумуляторе), обеспечивающей стационарную рекомбинацию кислорода на водородном электроде и исключающей появление локальных зон со взрывоопасной смесью.

Экспериментально установлено, что для восстановления напряжения разомкнутой цепи (НРЦ) никель-водородного аккумулятора до величины его электрохимической пары (стандартное значение НРЦ для никель-водородного аккумулятора составляет 1,267 В (см. [1], Таблица 1.1), гарантирующее отсутствие в аккумуляторе кислорода) достаточно сообщить ему зарядную емкость не менее величины емкости переполюсовки.

Так, при проведении эксперимента, в котором аккумуляторы НВ70 подверглись переполюсовке на 5 А·ч, восстановление НРЦ до величины 1,267 В произошло после сообщения им емкости от 1,3 А·ч до 4,0 А·ч. Различие в величине необходимой сообщенной емкости до полного восстановления НРЦ объясняется работой, в той или иной мере, замкнутого кислородо-водородного цикла в процессе переполюсовки аккумуляторов.

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 простым предварительным подзарядом аккумуляторной батареи малым током на величину емкости предшествующей переполюсовки.

На чертеже 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.

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 установлен измерительный шунт 8, связанный с нагрузкой 2.

Зарядный преобразователь состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2, выпрямителя на диодах D1 и D2.

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 С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 14 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 (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.

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 напряжения аккумуляторов 7 контролирует минимальное значение напряжения аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ "закладывается" программа по следующему алгоритму:

1. Если в процессе разряда аккумуляторной батареи зафиксировано снижение напряжения какого-либо аккумулятора ниже минимального уровня, по команде бортовой ЭВМ зарядный преобразователь переключается в режим подзаряда малым током. Одновременно начинается отсчет емкости переполюсовки (Сп) до окончания разряда (интегрирование разрядного тока во времени) аккумуляторной батареи.

2. После появления избыточного тока солнечной батареи (выход ИСЗ из теневого участка орбиты) зарядный преобразователь автоматически включается на заряд аккумуляторной батареи малым током до сообщения батарее емкости не менее Сп.

3. После сообщения батарее емкости Сп зарядный преобразователь по команде с бортовой ЭВМ включается в штатный режим заряда.

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.