СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ


RU (11) 2254644 (13) C2

(51) 7 H01M10/44, H01M12/08 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003112577/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.04.28 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.04.28 
(43) Дата публикации заявки: 2004.11.20 
(45) Опубликовано: 2005.06.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1576946 A1, 07.07.1990. JP 10-064604 А, 06.03.1998. US 6465988 В2, 15.10.2002. US 5629601 А, 13.05.1997. 
(72) Автор(ы): Коротких В.В. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" (RU) 
Адрес для переписки: 662972, ЗАТО Железногорск, Красноярский край, г. Железногорск, ул. Ленина, 52, Р.П. Туркеничу 

(54) СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛ-ВОДОРОДНОЙ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации металл-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания. Техническим результатом изобретения является повышение ресурсных характеристик и надежности эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи. Согласно изобретению способ эксплуатации аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания заключается в проведении заряд-разрядных циклов, «обходе» аккумуляторов, имеющих меньшую емкость разрядными байпасными диодами и контроле напряжения каждого аккумулятора. Заряд аккумуляторной батареи начинают с контроля напряжения разомкнутой цепи каждого аккумулятора и при наличии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины их электрохимической пары штатный заряд аккумуляторной батареи проводят после предварительного подзаряда малым током, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, далее повторно контролируют напряжение разомкнутой цепи аккумуляторов и при отсутствии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины электрохимической пары включают штатный заряд, в противном случае подзаряд повторяют. Кроме того, повторное измерение напряжения разомкнутой цепи аккумуляторов проводят через 15-20 минут после окончания подзаряда аккумуляторной батареи малым током. 1 з.п. ф-лы, 1 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации металл-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания ИСЗ.

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи происходит разбаланс аккумуляторов по емкости. Это может быть следствием разных условий охлаждения отдельных аккумуляторов в батарее или наличия в отдельных аккумуляторах внутренних микрошунтов. Поэтому появление в процессе разряда аккумуляторной батареи полностью разряженного аккумулятора, когда батарея в целом имеет достаточную емкость, вполне реально и неоднократно подтверждалось на практике. 

При дальнейшем разряде аккумуляторной батареи этот аккумулятор подвергается переполюсовке, что может привести 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 г., [1]).

Химические реакции на положительном и отрицательном электродах, на примере никель-водородного аккумулятора, при его переразряде имеют следующий вид.

На положительном электроде: 2NiOOH+2H2O+2e2Ni(OH) 2+2OH-.

На отрицательном электроде: 

- при наличии балластного водорода 1/2Н2+ОН -Н 2О+е;

- при отсутствии водорода в аккумуляторе 2(OH)-2е+1/2O 2+Н2O.

Однако в современных аккумуляторных батареях существующее требование по повышению их удельных энергетических характеристик вынуждает разработчиков аккумуляторных батарей (полностью или частично) пренебрегать известными приемами.

В настоящее время на практике в большинстве случаев разряд батареи прекращают по минимальному напряжению аккумуляторов, что снижает эффективность использования аккумуляторной батареи в целом.

Известен способ эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи путем проведения зарядно-разрядных циклов и шунтирования неисправного аккумулятора, отличающийся тем, что величину сопротивления шунтирующей аккумулятор цепи выбирают из условия

R<0,3I,

где I - максимальная величина тока через аккумулятор (см. авторское свидетельство N1396881, Н 01 М 10/44).

Известен также способ эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи, усовершенствующий способ по авторскому свидетельству N1396881, по которому контролируют наличие емкости в аккумуляторной батарее и минимальное напряжение аккумуляторов, а шунтирование соответствующего аккумулятора проводят при наличии емкости в батарее по минимальному напряжению этого аккумулятора (авторское свидетельство №1795848, Н 01 М 10/44).

Недостатком этих способов является определенное усложнение конструкции аккумуляторной батареи и автономной системы электропитания в целом, что не всегда целесообразно. Кроме того, снижение текущей емкости аккумулятора не свидетельствует однозначно о необратимом его отказе. Такой аккумулятор вполне может быть восстановлен полностью или частично специальными профилактическими циклами.

Наиболее близким техническим решением является способ эксплуатации аккумуляторной батареи, предусматривающий "обход" отказавшего в процессе эксплуатации аккумулятора посредством диодных /байпасных/ цепей /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/, который выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является то, что в процессе разряда аккумуляторной батареи и полном разряде какого-либо аккумулятора наличие падения напряжения на диодах /0,4-0,6/В приложенного к отказавшему аккумулятору в обратной полярности способствует протеканию в последнем электрохимических реакций, связанных с выделением кислорода, что может привести к его окончательному отказу (см. главу XI, [1]).

Тем не менее, наличие диодов ограничивает степень переполюсовки аккумулятора. 

Целью предлагаемого изобретения является повышение ресурсных характеристик и надежности эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что заряд аккумуляторной батареи начинают с контроля напряжения разомкнутой цепи каждого аккумулятора и при наличии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины их электрохимической пары заряд аккумуляторной батареи проводят после предварительного подзаряда малым током, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси в данной конструкции аккумулятора аккумуляторной батареи, до устранения выделившегося при переполюсовке кислорода, далее повторно контролируют напряжение разомкнутой цепи (в дальнейшем НРЦ) аккумуляторов и при отсутствии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины электрохимической пары включают штатный режим заряда, в противном случае подзаряд повторяют.

Кроме того, повторное измерение напряжения разомкнутой цепи аккумуляторов проводят через 15-20 минут после окончания подзаряда аккумуляторной батареи малым током

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 внутренним шунтам 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), исключающим появление локальных зон со взрывоопасной смесью.

Величина восстановительного тока подзаряда зависит от конкретной конструкции аккумулятора и должна быть определена на этапе разработки аккумуляторной батареи.

В процессе заряда переполюсованного аккумулятора наличие кислорода в аккумуляторе препятствует восстановлению напряжения разомкнутой цепи аккумулятора до стандартного значения данной электрохимической пары.

Поэтому за порог, гарантирующий отсутствие кислорода в аккумуляторе, предлагается принять НРЦ не менее стандартного значения.

В качестве примера, стандартное значение НРЦ для никель-водородного аккумулятора составляет 1,267 В (см. [1], Таблица 1.1).

Следует отметить, что процесс взаимодействия кислорода с выделившимся водородом может происходить относительно длительно, однако времени 15-20 минут вполне достаточно для завершения процесса в полном объеме.

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 ко 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.

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 (командно-измерительной радиолинией).

Устройство работает следующим образом.

В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 5 работает в основном (98% ресурса) в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный стабилизированный 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 напряжение аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).

В бортовую ЭВМ «прошивается» программа по следующему алгоритму. 

1. Если в процессе разряда аккумуляторной батареи зафиксировано снижение напряжения какого-либо аккумулятора ниже минимального уровня, по команде бортовой ЭВМ блокируется включение зарядного преобразователя.

2. После появления избыточного тока солнечной батареи (выход ИСЗ из теневого участка орбиты) контролируется НРЦ каждого аккумулятора и при напряжении на каком-либо аккумуляторе менее стандартной величины электрохимической пары для данного типа аккумуляторов зарядный преобразователь по команде с бортовой ЭВМ включается на заряд аккумуляторной батареи малым током до достижения напряжения на всех аккумуляторах величины выше стандартной величины электрохимической пары для данного типа аккумуляторов аккумуляторной батареи, иначе по команде с бортовой ЭВМ включается штатный режим заряда.

3. После достижения напряжения на всех аккумуляторах величины выше стандартной величины электрохимической пары для данного типа аккумуляторов аккумуляторной батареи по команде с бортовой ЭВМ заряд отключается, контролируется величина НРЦ каждого аккумулятора (сразу либо по истечении 15-20 минут). 

4. При напряжении на каком-либо аккумуляторе не менее стандартной величины электрохимической пары для данного типа аккумуляторов зарядный преобразователь по команде с бортовой ЭВМ включается в штатный режим заряда, иначе повторяется работа по п.3.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет исключить появление локальных зон со взрывоопасной смесью, а следовательно, исключить внутренние микровзрывы в аккумуляторе, что повышает ресурсные характеристики и надежность эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи, а следовательно, повышает надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Способ эксплуатации металл-водородной аккумуляторной батареи в автономной системе электропитания, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, «обходе» аккумуляторов, имеющих меньшую емкость, разрядными байпасными диодами и контроле напряжения каждого аккумулятора, отличающийся тем, что заряд аккумуляторной батареи начинают с контроля напряжения разомкнутой цепи каждого аккумулятора и при наличии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины их электрохимической пары штатный заряд аккумуляторной батареи проводят после предварительного подзаряда малым током, исключающим образование взрывоопасной концентрации кислород-водородной смеси, до достижения напряжением на всех аккумуляторах величины выше стандартной величины их электрохимической пары, далее повторно контролируют напряжение разомкнутой цепи аккумуляторов и при отсутствии аккумуляторов с напряжением менее стандартной величины их электрохимической пары включают штатный заряд, в противном случае подзаряд повторяют.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что повторное измерение напряжения разомкнутой цепи аккумуляторов проводят через 15-20 мин после окончания подзаряда аккумуляторной батареи малым током.