УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ РАБОТЫ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ С БОЛЬШИМ КОЛИЧЕСТВОМ АККУМУЛЯТОРОВ В СОСТАВЕ ГЕОСТАЦИОНАРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Аннотация

Рассмотрены особенности эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей на геостационар- ной орбите, а также результаты эмпирического поиска алгоритмов управления НВАБ. Приведены результа- ты исследования достаточного количества управляющих аккумуляторов и описаны разработанные процедуры управления НВАБ с большим количеством аккумуляторов.

Полный текст

Стремительное развитие телекоммуникаций требу- ет передачи все больших объемов информации на большие расстояния. Это в свою очередь требует соз- дания более мощных спутников связи с длительным сроком службы. Одним из элементов системы питания, опреде- ляющих срок службы и мощность спутника является аккумуляторная батарея. В настоящее время никель- водородные аккумуляторные батареи (НВАБ), благо- даря высокой удельной энергии, практически неогра- ниченному сроку эксплуатации и высокой эксплуата- ционной надежности прочно завоевали место химиче- ских источников тока для космических программ раз- работки ОАО «ИСС». Эксплуатационная надежность НВАБ обеспечивается за счет простоты и устойчиво- сти алгоритмов управления зарядом, а также за счет конструкции НВ-аккумулятора (НВА) разработки ОАО «Сатурн», который, имея замкнутые кислород- но-водородные циклы, практически безопасен при перезаряде и переразряде при гарантированном отводе тепла. Так, серия КА с мощностью СЭП 4200 Вт и на- пряжением на шине питания 40 В была создана с ис- пользованием НВАБ типа 40НВ-70 (40 аккумуляторов номинальной емкостью 70 А·ч). Однако, применение шины питания с напряжением 40 В является неэффек- тивным с точки зрения массы и КПД СЭП в случаях создания спутников: 1) с мощностью СЭП 5 кВт и более; 2) с небольшой массой. В таких случаях рациональнее использовать шину питания с более высоким напряжением, для чего не- обходимы аккумуляторные батареи с большим коли- чеством аккумуляторов. Поэтому, для создания спут- ников связи с мощностью СЭП 2,5 кВт и массой до 1 000 кг применена шина питания с напряжением 100 В и НВАБ типа 60НВ-40 (60 аккумуляторов но- минальной емкостью 40 А·ч). Опыт эксплуатации никель-водородных аккумуля- торных батарей с 40 аккумуляторами с применением сигнальных датчиков давления показал, что из-за не- соответствия температурного режима функциониро- вания батареи в составе КА температурному режиму, при котором происходит настройка сигнальных дат- чиков, могут иметь место такие негативные явления, как температурный градиент и разбаланс аккумулято- ров по емкости, которые существенно ограничивают энергетические возможности и срок службы НВАБ. В результате снижается эксплуатационная надежность обеспечения работы модуля полезной нагрузки на теневых участках орбиты. С увеличением количества аккумуляторов в бата- рее также увеличивается вероятность возникновения вышеуказанных аномалий. Поэтому встал вопрос о применимости имеющихся процедур управления к НВАБ с количеством аккумуляторов до 60 штук и вы- бор достаточного количества управляющих аккумуля- торов для поддержания энерго-емкостных характери- стик АБ в течение срока эксплуатации. Основные аномалии, возникающие в никель- водородной аккумуляторной батарее. Герметичный никель-водородный аккумулятор работает следующим образом: при заряде на водородном электроде (ВЭ) выделяется водород, при этом давление водорода в аккумуляторе пропорционально степени заряженно- сти; при разряде на водородном электроде ионизиру- ется водород, поступающий из газовой фазы. Стабильность (неразрушаемость при перезаряде- переразряде) НВА обеспечивается замкнутыми кисло- родным и водородным циклами, что является особен- ностью электрохимической системы. Благодаря этой особенности давление внутри аккумулятора стабили- зируется и возможность разрушения исключается. Замкнутый кислородный цикл осуществляется следующим образом. При перезаряде на окисно- никелевом электроде (ОНЭ) выделяется кислород и накапливается в газовом пространстве аккумулятора. В момент, когда парциальное давление кислорода обеспечит скорость его ионизации на ВЭ, рост давле- ния в аккумуляторе прекращается. Система приходит в стационарное состояние, при котором устанавлива- ется стационарная теплопередача. Замкнутый водородный цикл при переразряде осуществляется при наличии остаточного давления водорода следующим образом: выделяющийся на ОНЭ водород поглощается на ВЭ. При ограниченном теплоотводе при перезаряде возможно возникновение «теплового разгона». Тепло- выделение повышается после заряда выше 80 % но- минальной емкости (Сном) и особенно - при темпера- туре более 25 °С. Это обусловлено выделением кисло- рода из ОНЭ и его дальнейшей реакцией с водородом (экзотермическая реакция). Чем выше температура и степень заряженности АБ, тем выше тепловыделение и тем выше скорость реакции кислорода с водородом, то есть процесс идет с положительной обратной свя- зью, и батарея начинает работать в неблагоприятных температурных условиях. Также, при эксплуатации НВАБ возможно возник- новение температурного градиента, который пред- ставляет собой радиальную или осевую разницу тем- ператур внутри аккумулятора. Причиной возникнове- ния температурного градиента является переход на управление зарядом от аккумуляторов с существенно более высоким током саморазряда. В результате ряд аккумуляторов НВАБ, имеющих меньший ток само- разряда по сравнению с управляющими аккумулято- рами1, попадают в режим перезаряда. При этом на- блюдается повышение тепловыделения аккумулято- ров при хранении в заряженном состоянии на солнеч- ном участке орбиты. Как правило, у аккумуляторов, в которых зафикси- рован радиальный температурный градиент, часть корпуса находится в тесном контакте с конструкцией системы охлаждения, что в сочетании с повышенным тепловыделением в процессе хранения на солнечных участках орбиты, приводит к его возникновению. Время появления градиента составляет ~4,5 месяца. Температурный градиент выражается понижением разрядного напряжения аккумуляторов. Объясняется это тем, что из электролита в центральной области активной массы, испаряется вода (в более холодные граничные области), повышается концентрация элек- тролита и, как следствие, внутреннее сопротивление аккумулятора. Важнейшей характеристикой никель-водородного аккумулятора является ток саморазряда. Ток самораз- ряда НВ-аккумулятора - это функция степени заря- женности и температуры (в упрощенном варианте). Кривые тока саморазряда при различных температу- рах приведены на рис. 1: чем выше температура акку- мулятора, тем больше ток саморазряда. Аккумуляторы в АБ имеют значительный разброс по токам саморазряда, который обусловлен разницей в активной массе электродов и температурой отдельных аккумуляторов. Это дополнительный существенный фактор разбаланса аккумуляторов по емкости. Проведем эмпирический поиск алгоритмов управ- ления режимами АБ. С вышеуказанными аномалиями НВАБ мы столкнулись при штатной эксплуатации батарей 40НВ-70 на геостационарной орбите. Схематичное поведение давления в 4-х никель- водородных аккумуляторах как в процессе хранения в заряженном состоянии, так и в процессе заряд- разрядных циклов на теневых орбитах представлено на рис. 2. Управление происходило по сигнальным датчикам давления. Как видно из приведенного графика, уровень дав- ления в управляющих аккумуляторах постоянный, что свидетельствует об их стабильном состоянии. Однако на одном из двух других аккумуляторов наблюдается постепенное снижение давления водорода. Учитывая, что давление водорода пропорционально степени за- ряженности аккумулятора, был сделан вывод, что в батарее возник постепенно нарастающий разбаланс аккумуляторов. После перехода на управление заря- дом от аккумуляторов с повышенными (резервными) уставками окончания заряда на солнечных участках орбиты снижение емкости прекратилось при сохране- нии величины разбаланса. Тем не менее, при прохож- дении теневых участков орбиты в процессе заряд- разрядных циклов процесс нарастания разбаланса во- зобновился, а с окончанием теневых участков величи- на разбаланса стабилизировалась, но уже на новом уровне. Поскольку возможности аппаратного управления зарядом в части дальнейшего повышения уровня уста- вок были исчерпаны, было принято решение о пере- ходе на управление зарядом от программного обеспе- чения по показаниям аналоговых датчиков давления. При этом управляющими стали аккумуляторы, в кото- рых было зафиксировано наибольшее отклонение по емкости от средней по АБ. После этого процесс разба- лансирования аккумуляторов остановился. image Рис. 1. Зависимость тока саморазряда от степени заряженности и температуры image 1 Управляющими называются аккумуляторы, на которых установлены сигнальные или аналоговые датчики давления. image Рис. 2. Поведение давление 4-х управляющих аккумуляторов НВАБ 40НВ-70 Комплект НВ АБ 40НВ-70 успешно прошел весен- ний сезон теневых участков орбиты, однако на оче- редных осенних теневых участках были зафиксирова- ны 5 аккумуляторов, разрядное напряжение которых составило около 1...1,05 В, в то время как остальные имели напряжение около 1,25 В. Как указано в [1], причиной пониженного разрядного напряжения этих аккумуляторов явилось возникновение температурно- го радиального градиента. Была разработана програм- ма устранения последствий температурного градиен- та. Суть программы заключалась в глубоком доразря- де НВАБ до напряжения, при котором давление водо- рода внутри аккумуляторов было близко к нулю. Хра- нение НВ АБ в этом состоянии способствовало воз- вращению воды в электродный блок, что привело к восстановлению разрядного напряжения аккумулято- ров. Таким образом, опыт эксплуатации НВ АБ с сиг- нальными датчиками давления на геостационарной орбите показал, что могут иметь место такие негатив- ные явления, как температурный градиент и разбаланс аккумуляторов по емкости, которые существенно ог- раничивают энергетические возможности и срок экс- плуатации НВ АБ. Очевидно, что увеличение количества аккумулято- ров в АБ повышает вероятность возникновения разба- ланса по емкости. Поэтому, для батарей с большим количеством аккумуляторов появилась необходимость оценить достаточность количества управляющих ак- кумуляторов для обеспечения энерго-емкостных ха- рактеристик НВАБ с учетом теплового режима работы батареи. Исследование достаточного количества управ- ляющих аккумуляторов потребовало моделирования режимов хранения и разряда НВАБ 60НВ-40 с исполь- зованием адаптированной математической модели НВАБ, приведенной в [2]. Так как НВАБ 60НВ-40 состоит из двух равнозначных блоков, состоящих из 30 аккумуляторов, то моделирование проводилось для отдельного блока 30НВ-40. При управлении зарядом по показаниям УКЗА с помощью бортового программного обеспечения сиг- нал на отключение или включение формируется путем сравнения среднеарифметического значения показа- ний УКЗА с заложенными программными уставками верхнего и нижнего давления (емкости). При дости- жении аккумулятором емкости равной или больше уровня верхней уставки заряд прекращается. Заряд начинается при снижении емкости до уровня нижней уставки. Фактически такой способ формирования управ- ляющих воздействий поддерживает заряженность только управляющих аккумуляторов в блоке. Заря- женность остальных аккумуляторов, из-за разницы в токах саморазряда, обусловленных технологическим разбросом параметров электродного блока, разницы в исходных емкостях отдельных аккумуляторов при комплектации НВАБ и различных тепловых условий, может существенно отличаться от заряженности управляющих аккумуляторов. Разница исходных емкостей аккумуляторов может достигать 6 %. В качестве емкостного критерия ис- пользуется коэффициент корреляции между усред- ненной емкостью по показаниям УКЗА и средней ем- костью всей батареи. Чем меньше отличие указанного коэффициента от единицы, тем точнее среднее ариф- метическое показаний УКЗА описывает среднюю ем- кость батареи. Исследование проводилось путем моделирования параметров батареи в режиме хранения в заряженном состоянии в течение трех суток с последующим раз- рядом током 30 А в течение 70 мин. Вариациям под- вергались разброс исходных емкостей аккумуляторов и количество управляющих аккумуляторов. Были проведены расчеты с вариантами исходных данных, пред- ставленных в таблице. Остальные параметры модели соответствовали следующим значениям: начальная емкость аккумуляторов - 30 А·ч; уставки по емкости ДН/ДВ - 28/32 А·ч, разница между управляющими и остальными аккумуляторами в батарее составляла 3 °С, кроме варианта 8, в кото- ром эта разница отсутствует. Варианты исходных данных Вариант расчета Разброс по емко- сти, % Соотношение управляющих аккумуляторов к общему коли- честву Полученный коэффициент корреляции 1 6 0,03...0,1 0,998 014 2 12 0,03...0,1 0,998 110 3 6 0,1...0,17 0,998 911 4 12 0,1...0,17 0,999 051 5 6 0,17...0,25 0,998 907 6 12 0,17...0,25 0,999 020 7 0 0,1...0,17 0,997 904 8 6 0,1...0,17 0,998 879 Проведенные расчеты показывают, что при 6 % разбросе емкостей аккумуляторов и использовании соотношения управляющих аккумуляторов в диапазо- не 0,1..0,17, вместо 0,03...0,1, коэффициент корреля- ции на 0,000 897 выше. Следовательно, точность опи- сания средней емкости батареи тоже выше. Но в то же время, при увеличении количества управляющих ак- кумуляторов в два раза, коэффициент корреляции уменьшается на 0,000 004, что свидетельствует о не- эффективности увеличения аккумуляторов с УКЗА. То же наблюдается и при 12 % разбросе емкостей ак- кумуляторов. Результат расчета по варианту 7 говорит о том, что при отсутствии разброса емкостей, но при наличии разницы температур управляющих и остальных акку- муляторов в батарее, среднее арифметическое показа- ний УКЗА будет недостаточно адекватно описывать заряженность батареи. Расчет по варианту 8 показывает, что при равных температурах управляющих и остальных аккумулято- ров в батарее соответствие средней емкости батареи среднеарифметическому значению показаний УКЗА близко использованию в два раза большего количест- ва управляющих аккумуляторов. Варианты 7 и 8 в совокупности показывают, что обеспечение одинаковых тепловых условий для всех аккумуляторов в батарее является одним из факторов устранения разбаланса по емкости. Рассмотрим процедуры управления НВАБ с боль- шим количеством аккумуляторов. Опыт создания по- летного комплекса процедур для НВ АБ 40НВ-70 тре- бовал теоретического истолкования, объясняющего внутренние причины аномального поведения аккуму- ляторов, приводящего к разбалансу аккумуляторов по емкости. Знание этих процессов позволило бы создать новые способы заряда НВ АБ с большим числом ак- кумуляторов, исключающие появление негативных явлений и повысить надежность эксплуатации. Экспериментально установлено, что оптималь- ное количество аккумуляторов с аналоговыми дат- чиками давления удовлетворяет соотношению: M/N = 0,07 … 0,14, где M - количество аккумуляторов с УКЗА; N - количество аккумуляторов в НВ АБ. С точки зрения длительного хранения в заряжен- ном состоянии необходимо обеспечивать минималь- ное тепловыделение аккумуляторов, что исключает возможность возникновения температурного градиен- та. Этому условию удовлетворяет эксплуатация акку- муляторов на пологой ветви графика тока саморазря- да. При этом рабочая емкость батареи может быть меньше требуемой для прохождения теневого участка Земли максимальной длительности. При переходе к заряд-разрядным циклам на тене- вых участках орбиты для повышения рабочей емко- сти, достаточной для прохождения теневых участков Земли, среднеарифметические значения уставок под- нимают до уровня, соответствующего эксплуатации аккумуляторов на вертикальном участке графика за- висимости тока саморазряда от степени заряженности. Отличительным признаком такого управления яв- ляется то, что закон управления зарядом носит не дис- кретный, а непрерывный (аналоговый) характер, что позволяет учитывать любые нюансы поведения акку- муляторов, что невозможно при дискретном характере изменения уставок. При этом, несмотря на более вы- сокое тепловыделение, риск теплового разгона и воз- никновения температурного градиента исключаются за счет того, что значения верхних уставок не превы- шают (60...80) % Сном, а сам заряд-разрядный цикл никель-водородных батарей есть чередование экзо- термических реакций с выделением тепла на разряде и эндотермических - с поглощением тепла в первой фазе заряда. Таким образом, в режиме заряд- разрядных циклов обеспечиваются условия для более высокого заряда без возникновения температурного градиента. На данное техническое решение оформле- на заявка на изобретение № 2005122357 [3]. Для решения проблемы повышенного тепловыде- ления при достижении 80 % степени заряженности предложено производить заряд НВАБ в два этапа. На первом этапе проводят заряд постоянным током на величину (0,6...0,8)Сном до начала интенсивного теп- ловыделения, а на втором этапе проводят дозаряд НВ АБ импульсным током, причем длительность за- рядного импульса и длительность последующей паузы выбирают из условия обеспечения среднего зарядного тока по величине больше тока саморазряда аккумуля- торов. В процессе эксплуатации НВАБ 40НВ-70 была проанализирована эффективность усовершенст- вованного способа дозаряда НВ АБ импульсным током в реальных условиях, в частности температура НВ АБ. В результате анализа выявлено, что он не учитывает температурные условия эксплуатации НВ АБ. В связи с этим, способ заряда с импульсным дозарядом был модернизирован с учетом температуры посадочного места АБ. На данное техническое решение подана заявка на изобретение № 2005132149 [4]. Особый интерес вызывает организация доразряда батареи, которая первоначально ограничивалась на- пряжением 0,5 В на любом аккумуляторе, что не по- зволяло устранить разбаланс аккумуляторов. В процессе разряда НВ АБ при появлении в акку- муляторе кислорода (при полном отсутствии водоро- да) происходит его накапливание и в случае после- дующего активного заряда аккумуляторной батареи и интенсивного выделения водорода в аккумуляторе могут образоваться локальные зоны с взрывоопасной смесью. Образование таких зон приводит к микро- взрывам, а микровзрывы - к внутренним шунтам в аккумуляторе. Поэтому величину переполюсовки ак- кумулятора, а, следовательно, величину накопленного кислорода, необходимо ограничить. После специальных экспериментальных исследо- ваний доразряд НВ АБ стали ограничивать величиной напряжения и величиной разрядной емкости, полу- ченной после достижения любым из аккумуляторов напряжения менее нуля, при которых аккумуляторы гарантированно не попадает в ситуацию, приводящую к микровзрывам. Таким образом, основным назначе- нием доразряда по минимальному напряжению акку- муляторов является полное выравнивание по емкости и улучшением структуры активной массы аккумуля- торов. По данному техническому решению оформлена заявка на изобретение № 2005106016 [5]. В итоге, разработанные алгоритмы управления для НВ АБ с большим числом аккумуляторов, включают в себя: режим хранения НВ АБ в заряженном состоянии на солнечных орбитах с функционированием по про- граммными уставками давления; подготовку (профилактику) НВ АБ к прохожде- нию теневых орбит, которая проводится непосредст- венно перед сезоном теневых орбит и состоит: из суточного импульсного заряда НВ АБ; глубокого доразряда НВ АБ; заряда до верхней программной уставки давле- ния; прохождение теневых орбит, осуществляемое при управлении зарядом батарей по программным уставкам давления с обеспечением максимальной степени заряженности НВ АБ на период максимальных длительностей теней при максимальной нагрузке с помощью импульсного заряда НВ АБ; В результате исследований сделаны следующие выводы: Для контроля степени заряженности батареи типа 60НВ-40 достаточно выбрать количество управляющих аккумуляторов из диапазона соотношения 0,07...0,14. Дальнейшее увеличение количества УКЗА не ведет к существенному росту соответствия их показаний средней емкости батареи. На основе комплекса процедур управления НВАБ 40НВ-70 разработаны алгоритмы управления батареями с большим количеством аккумуляторов, которые обеспечивает поддержание энерго-емкостных характеристик НВАБ в течение САС не менее 15 лет.