способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи и аккумуляторная батарея для его реализации

Формула изобретения

1. Способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении ее зарядов, хранении в заряженном состоянии с периодическими подзарядами, проведении разрядов и термостатировании аккумуляторов посредством термоплаты, находящейся в тепловом сопряжении с цилиндрическими поверхностями аккумуляторов, отличающийся тем, что дополнительно термостатируют поверхности аккумуляторов, не находящиеся в тепловом сопряжении с термоплатой, для повышения их текущей температуры.

2. Аккумуляторная батарея для реализации способа по п.1, содержащая аккумуляторы, вмонтированные в термоплату через электронепроводящий герметик, отличающаяся тем, что на поверхность аккумуляторов вне зоны сопряжения с термоплатой нанесено термоизолирующее покрытие.

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 искусственных спутников Земли (ИСЗ).

Известны аккумуляторные батареи и способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей, описанные в технической литературе (см. Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. "Металл-водородные электрические системы". Л.: "Химия", Ленинградское отделение, 1989 [1]).

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (патент № 2084055, Н01М 10/44), согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают, исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов, который обеспечивает заряд аккумуляторной батареи до уровня (60-80)% номинальной емкости.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (авт. св. № 1746443, Н01М 10/44, 12/06), в котором управление заряд-разрядными циклами проводят по двухуставочному датчику давления с разницей уставок давления Р и температуре, а разряд оканчивают по минимальному напряжению, при достижении на разряде аккумуляторов минимального значения напряжения периодически повышают уставки датчика давления, причем нижнюю уставку повышают до уровня верхней, а верхнюю - на величину Р.

При практическом применении известных способов эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей были выявлены следующие особенности поведения аккумуляторов.

Так на одном из действующих геостационарных ИСЗ, в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, в отдельных аккумуляторах наблюдалось постепенное снижение давления водорода. Учитывая, что давление водорода пропорционально степени заряженности никель-водородного аккумулятора, констатируем, что в батарее возник постепенно нарастающий разбаланс аккумуляторов по емкости. Более тщательный анализ напряжения аккумуляторов показал, что имеется некоторое количество аккумуляторов, имеющих тенденцию к снижению емкости.

Появление в составе батареи ряда аккумуляторов с пониженной емкостью резко сокращает энергетические возможности и ресурс батареи и ИСЗ в целом.

Проведенные исследования показали, что причиной пониженного разрядного напряжения этих аккумуляторов явилось возникновение в них температурного градиента. В результате этого из электролита в центральной области активной массы «уходит» вода в более холодные граничные области и, как следствие, повышается внутреннее сопротивление аккумулятора с соответствующим понижением разрядного напряжения.

Такой же факт снижения энергетических характеристик отдельных аккумуляторов зафиксирован при эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе ИСЗ Intelsat V F-6 и экспериментально подтвержден в лаборатории COMSAT (см. Martin Earl and Todd Burke Comsat Labs., Andrew Dunnet, INTELSAT. Method for Rejuvenating Ni-H₂ Battery Cells. Eng. Conf. "Technol. Energy Effic. 21-st Century", San Diego, Calif., aug. 3-7, 1992: IECIC-92 Vol.1, 1992, p.127-132, [2]).

Движущей силой данного процесса является градиент температур: чем он выше, тем интенсивнее во времени происходит конденсация пара из электролита на более холодных областях аккумулятора.

Существует предельный градиент температур, ниже которого не происходит конденсация пара (при 15°С - примерно 7°С, а при 25°С - около 8°С).

Наиболее близким по технической сущности является способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе геостационарного искусственного спутника Земли (патент № 2305349), заключающийся в контроле установившегося тока саморазряда и степени заряженности аккумуляторной батареи по аналоговым датчикам давления, хранении в заряженном состоянии с проведением периодических дозарядов для компенсации саморазряда аккумуляторной батареи на солнечных орбитах, в проведении заряд-разрядных циклов на теневых орбитах и поддержании токов саморазряда в определенных диапазонах в зависимости от режима эксплуатации аккумуляторной батареи и температуры посадочного места. Этот способ принят за прототип.

Известный способ, базируясь на поддержании величины токов саморазряда аккумуляторов (которые находятся в прямой зависимости от степени заряженности и температуры аккумуляторов), позволяет косвенно ограничить нагрев последних и соответственно снизить вероятность появления критичного (выше предельного) градиента температур.

Однако в связи с тем, что в аккумуляторной батарее контролируются токи саморазряда только «управляющих» аккумуляторов и контроль их носит усредненный характер, не исключается возможность возникновения в отдельных аккумуляторах критичного температурного градиента, что снизит энергетические характеристики аккумуляторной батареи.

Известна никель-водородная аккумуляторная батарея (см. патент № 2133069, Н01М 2/10, Н01М 10/34): «Никель-водородная аккумуляторная батарея, состоящая из корпуса, в цилиндрических отверстиях которого размещены никель-водородные аккумуляторы, отличающаяся тем, что корпус батареи имеет в каждом из цилиндрических отверстий, в которых расположены никель-водородные аккумуляторы, кольцевую канавку, совмещенную с такой же канавкой в корпусе никель-водородного аккумулятора, где размещен гибкий шнур», принятая за прототип.

Недостатком известной аккумуляторной батареи является то, что в ее конструкции не учитывается неравномерность радиального тепловыделения по осевому сечению аккумуляторов и не принято конструктивных мер по выравниванию температуры в указанном сечении, что способствует объективному наличию нежелательного градиента температуры в аккумуляторах.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что дополнительно термостатируют поверхности аккумуляторов, не находящиеся в тепловом сопряжении с термоплатой для повышения их текущей температуры. При этом в аккумуляторной батарее для реализации способа на поверхность аккумуляторов вне зоны сопряжения с термоплатой нанесено термоизолирующее покрытие.

Суть предлагаемого способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены графики температуры аккумулятора в осевом направлении, а на фиг.2 - аккумуляторная батарея для реализации предлагаемого способа эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи.

Для расчета температуры аккумуляторов использовалась созданная на предприятии теплофизическая модель аккумуляторной батареи 20-НВ70, разработки ОАО «Сатурн», г.Краснодар, которая описывается системой дифференциальных уравнений и решается численным интегрированием с шагом расчета 0,05 секунды. Модель предусматривает задание внешних тепловых интерфейсов с другими частями ИСЗ в виде фиксированных данных, предназначенных для расчетного моделирования "горячего" и "холодного" случаев, а также представляет прогнозы температур в тех узлах, которые соответствуют местам установки телеметрических датчиков, так, чтобы все измеряемые при эксплуатации в полете температуры имели расчетные прогнозы.

При разработке модели конструкция блока АБ разбита на ряд элементарных расчетных слоев, находящихся между собой в тепловом взаимодействии.

Проведенное тестирование модели по результатам термобалансных испытаний и штатной эксплуатации аккумуляторной батареи подтвердили соответствие расчетных данных штатным измерениям с высокой степенью точности.

На фиг.1 представлены графики температуры аккумулятора в осевом направлении. При этом под графиком условно изображено сечение аккумулятора 3, где 4 - электродная масса аккумулятора, а 5 - свободная от электродной массы зона в аккумуляторе.

Действительно, температура аккумуляторов, фиг.1, в осевом направлении имеет максимальное значение в поперечном сечении, проходящем через центр электродной массы, и незначительно уменьшается к краям зоны сопряжения аккумуляторов с термоплатой (график 1), при этом максимальный градиент температуры в аккумуляторе приходится на свободную от электродной массы зону.

Этот факт позволяет выбрать способ демпфирования нежелательного, в плане возникновения осевого градиента температуры явления.

Заявляемое изобретение предлагает реализовать процесс демпфирования возникновения существенного температурного градиента в осевом направлении аккумуляторов путем дополнительного термостатирования поверхностей аккумуляторов не находящиеся в тепловом сопряжении с термоплатой. При этом в аккумуляторной батарее для реализации способа на поверхность аккумуляторов вне зоны сопряжения с термоплатой нанесено термоизолирующее покрытие.

Снижение коэффициента теплоотдачи по не сопрягающимся с термоплатой поверхностям аккумуляторов вне зоны сопряжения аккумуляторов с термоплатой позволяет реализовать алгоритм пассивного термостатирования.

Расчет температуры аккумулятора в осевом направлении проводился для двух случаев:

1. Аккумулятор без термоизолирующего покрытия не сопрягающихся с термоплатой поверхностей. На фиг.1 - график температуры аккумулятора в осевом направлении - 1;

2. Аккумулятор с термоизолирующим покрытием не сопрягающихся с термоплатой поверхностей. При этом было выбрано покрытие: эпоксидный клей ВК-9, толщина 2 мм (плотность 1100 кг/м³, теплоемкость 0,4806 кДж/кг·К, теплопроводность 0,226 Дж/м·К). На фиг.1 - график температуры аккумулятора в осевом направлении - 2.

Как видно из приведенных графиков, введение термоизолирующего покрытия позволило существенно нивелировать градиент температуры в осевом направлении аккумулятора.

На фиг.2 схематично изображена никель-водородная аккумуляторная батарея.

В отверстиях термоплаты 6 установлены последовательно соединенные между собой в электрическую цепь аккумуляторы 3 (аккумулятор 3а показан в разрезе по продольному сечению). Зазоры между термоплатой и аккумуляторами заполнены теплопроводящей (электронепроводящей) пастой-герметиком 7. На поверхность аккумуляторов вне зоны контакта с термоплатой наносят термоизолирующее покрытие 8 с толщиной, линейно увеличивающейся от зоны сопряжения аккумуляторов с термоплатой до вершин полусфер аккумуляторов.

На виде А в увеличенном масштабе показано покрытие 8 нижней части аккумулятора 3а (под термоплатой 6). Покрытие верхней части аккумулятора (над термоплатой 6) - аналогично.

Таким образом, предлагаемый способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи и аккумуляторная батарея позволяют снизить величину температурного градиента в осевом направлении аккумуляторов в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, что повышает надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи в составе автономной системы электропитания и ИСЗ.