Аккумуляторная батарея космического аппарата

Аккумуляторная батарея космического аппарата

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей для автономных систем электроснабжения космических аппаратов (КА), в частности искусственных спутников земли (ИСЗ).

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, см. патент РФ № 2084055, H01M 10/44, согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных температуры и давления аккумуляторов, которые практически оказываются разными для разных аккумуляторов. К недостатку указанного способа следует отнести необходимость введения поэлементного контроля температуры и давления, а значит, и соответствующих датчиков с измерительно-преобразующим и исполнительным устройством, что приводит к дополнительной присоединенной массе и служебному энергопотреблению. Поскольку аккумуляторы батареи заряжаются и разряжаются одним током, а условия теплопередачи от отдельных аккумуляторов батареи различны, то это приводит к расхождению их по температуре и, как следствие, по текущей емкости ΔС из-за разных токов саморазряда. В результате временного накопления ΔС в последовательной цепи появляются как "слабые" (наиболее разряженные), так и "сильные" - наиболее заряженные аккумуляторы. Это вынуждает уменьшить глубину циклирования, что равнозначно снижению эффективно запасаемой в батарее емкости, так как в противном случае как "слабые", так и "сильные" аккумуляторы могут выйти из области допустимых параметров и дальнейшее их циклирование приведет к аварийной ситуации, что и обусловливает реальную емкость батареи на уровне 60-80% от номинальной - безопасную разрешенную глубину циклирования.

Известна аккумуляторная батарея аналогичного назначения и способ их эксплуатации, см. патент РФ № 2274930. К недостаткам указанного аналога следует отнести то, что она снабжена n гальванически развязанными выпрямителями (по числу аккумуляторов) выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору n байпасных элементов, при этом байпасные элементы выполнены в виде n гальванически развязанных выпрямителей, выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору аккумуляторной батареи соответственно, а входами - дополнительно введенному стабилизированному преобразователю постоянного напряжения в переменное. Введение указанных байпасных элементов позволяет увеличить безопасную разрешенную глубину циклирования, за счет чего уменьшается ресурсный спад емкости, но одновременно с этим возникает потребность в дополнительной служебной энергии, а масса батареи увеличивается за счет присоединенной массы введенных элементов. На практике это дает незначительный выигрыш в удельной энергии W_уд [Вт·ч/кг] по сравнению с батареей, не снабженной байпасными элементами.

Из известных устройств аналогичного назначения наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является аккумуляторная батарея 40НВ-70, которая состоит из двух блоков по 20 аккумуляторов, изготавливаемая ОАО «Сатурн» г.Краснодар, а конструкция описана в ЖЦПИ.563533.012-01, принятая за прототип. Каждый из блоков аккумуляторной батареи содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту с отверстиями по количеству аккумуляторов, расположенных методом "плотной упаковки", оси которых перпендикулярны поверхности плиты, на внутренней поверхности отверстий выполнена коническая резьба, в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов через слой теплопроводящего эластичного вещества, на котором аккумуляторы закреплены в стаканах так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков аккумуляторов расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий в плите, для чего толщина плиты принимается равной высоте электродных блоков, по периферии плиты выполнена огибающая ее неразветвляющаяся гидравлическая магистраль прямоугольного сечения для прокачки жидкого теплоносителя системы терморегулирования, параллельно каждому аккумулятору подключены разрядные байпасные диоды и силовые цепи короткозамыкателей одноразового действия, а нагревательные цепи короткозамыкателей одноразового действия выведены на соединители для внешнего управления.

К недостатку прототипа следует отнести обусловленную конструкцией тепловую схему, приводящую к расхождению по температуре центральных и периферийных аккумуляторов. Теплофизическая модель прототипа изображена на фиг.II приложения. Охлаждающая жидкость, протекая по неразветвляющейся гидравлической магистрали, расположенной по периферии АБ, нагревается. При этом ее температура от входа к выходу повышается на 4-6°С, соответственно будут отличаться и температуры аккумуляторов. У периферийных наименьшая температура будет у № 20 и наибольшая у № 7. Центральные аккумуляторы (№ 8-№ 13) будут иметь более высокую температуру по сравнению с соседними периферийными. Таким образом, аккумуляторы №№ 10, 11, имеющие наибольшую температуру и, соответственно, наибольший ток саморазряда, в процессе циклирования становятся «слабыми», и, как следствие, имеет место расхождение аккумуляторов в батарее по текущей емкости.

Задача, которая решается данным изобретением, - уменьшение расхождения отдельных аккумуляторов по емкости. За счет этого увеличивается разрешенная безопасная глубина циклирования, что равнозначно уменьшению ресурсного спада удельной энергии батареи W_уд [Вт·ч/кг].

Физическая осуществимость обосновывается такой тепловой схемой батареи, при которой перепад температур между корпусами отдельных аккумуляторов будет минимальным. Заявляемая батарея состоит из двух блоков, каждый из которых содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту с отверстиями по количеству аккумуляторов, расположенных методом "плотной упаковки", оси которых перпендикулярны поверхности плиты, на внутренней поверхности отверстий выполнена коническая резьба, в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов через слой теплопроводящего эластичного вещества, на котором аккумуляторы закреплены в стаканах так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков аккумуляторов расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий в плите, для чего толщина плиты принимается равной высоте электродных блоков, а гидравлическая магистраль выполнена разветвляющейся в виде каналов круглого поперечного сечения равноудаленных от осей симметрии центральных и периферийных аккумуляторов, а входы и выходы каналов в плите объединены соответственно общими входным и выходным коллекторами, проходные сечения которых в 1,5-2 раза больше суммарного сечения каналов в плите.

На фиг.1 изображена тепловая схема заявляемой аккумуляторной батареи, на фиг.2 - конструктивное исполнение аккумулятора, установленного в плите, на фиг.3 - поле температур аккумуляторной батареи, на фиг.4 - результаты моделирования.

Описываемая батарея (см. фиг.1) состоит из двух блоков, каждый из которых содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту 1 с отверстиями 2 по количеству аккумуляторов 3, расположенных методом "плотной упаковки", пространственно делящихся на центральные 4 и периферийные 5, оси которых перпендикулярны поверхности плиты 1, на внутренней поверхности отверстий 2 выполнена коническая резьба (см. фиг.2), в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы 6, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов 3 через слой теплопроводящего эластичного вещества 7, на котором аккумуляторы 3 закреплены в стаканах 6 так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков 8 аккумуляторов 3 расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий 2 в плите 1, для чего толщина H1 плиты 1 принимается равной высоте Н2 электродных блоков 8, а гидравлическая магистраль выполнена разветвляющейся в виде каналов 9 круглого поперечного сечения в плите 1, объединенных общими входным и выходным коллекторами, которые могут быть выполнены в различных конструктивных вариантах, поэтому на фиг.1, 2 условно не показаны, оси каналов 9 перпендикулярны поверхностям плиты 1 и равноудалены на расстояние г от осей симметрии центральных 4 и периферийных 5 аккумуляторов.

При работе батареи (см. фиг.3) аккумуляторы 3 выделяют тепло, съем которого осуществляется жидким теплоносителем системы терморегулирования, прокачиваемым по каналам 9 гидравлической магистрали. Равенство температур на входе каналов обеспечивается их параллельным соединением, а на выходе - равенством расходов, для чего гидравлическое сопротивление каналов должно быть больше гидравлического сопротивления входного и выходного коллекторов, что достигается выбором проходного сечения коллекторов, в 1,5-2 раза больше суммарного сечения каналов 9. При этом температуры аккумуляторов 3 будут одинаковы, и при циклировании одним током в каждом из аккумуляторов 3 будет иметь место одинаковое тепловыделение, и в них, соответственно, будут одинаковые и токи саморазряда. Равенство температур достигается за счет равенства тепловых сопротивлений между отдельными аккумуляторами 3 и заявляемой гидравлической магистралью. При этом температура жидкого теплоносителя в гидравлической магистрали на фиг.3 и в отверстиях плиты батареи-прототипа (см. фиг.II приложения) для снижения массы не соответствует шкале температур и выделена светлым для определения их местоположения. Следствием этого потери от саморазряда будут также одинаковы для всех аккумуляторов 3, а следовательно, они будут сходиться по емкости (см. фиг.4). Таким образом, заявляемая батарея представляет собой объект с положительным самовыравниванием.

По сравнению с аналогами и прототипом (см. фиг.I, II приложения) заявляемая батарея имеет то преимущество, что в ней исключается вредное влияние расхождения отдельных аккумуляторов по емкости и при этом одновременно исключается присоединенная масса и энергопотребление служебных устройств (поэлементная диагностика, байпасные ячейки, стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное), что обеспечивает максимум удельной энергии батареи W_уд[Вт·ч/кг] при ее минимальном ресурсном спаде.

Аккумуляторная батарея космического аппарата, состоящая из двух блоков, каждый из которых содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту с гидравлической магистралью и с отверстиями по количеству аккумуляторов, расположенных методом "плотной упаковки", оси которых перпендикулярны поверхности плиты, на внутренней поверхности отверстий выполнена коническая резьба, в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов через слой теплопроводящего эластичного вещества, на котором аккумуляторы закреплены в стаканах так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков аккумуляторов расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий в плите, для чего толщина плиты принимается равной высоте электродных блоков, отличающаяся тем, что гидравлическая магистраль выполнена разветвляющейся, в виде каналов круглого поперечного сечения в плите, равноудаленных от осей симметрии центральных и периферийных аккумуляторов, а входы и выходы каналов объединены соответственно общими входными и выходными коллекторами, сечения которых в 1,5-2 раза больше суммарного сечения каналов в плите.