CC BY
41УДК 681.5
ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УРОВНЯ ЗАРЯЖЕННОСТИ НИКЕЛЬ-ВОДОРОДНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД ЕЕ РЕШЕНИЯ
В. Лефтер, К. Тельгарин, М. Анаров, А. Халимов, В. Савостин, Д. Казбеков
АО «Республиканский центр космической связи» Республика Казахстан, 010000, г. Астана, ул. Джангильдина, 34. E-mail: [email protected]
Рассмотрены особенности применения никель-водородных аккумуляторов на современных космических аппаратах, основные проблемы, возникающие при их эксплуатации, и пути их решения.
Ключевые слова: космический аппарат, система электропитания, аккумуляторная батарея (АБ), никель-водородный аккумулятор, датчик давления, измерение давления.
THE PROBLEM OF DETERMINING THE LEVEL OF CHARGING OF NICKEL-HYDROGEN ACCUMULATORS OF SATELLITE AND THE ALTERNATIVE METHOD FOR ITS SOLUTION
V. Lefter, K. Telgarin, M. Anarov, A. Khalimov, V. Savostin, D. Kazbekov
JSC "Republican Center of Space Communication" 34, Dzhangildin Str., Astana, 010000, Republic of Kazakhstan E-mail: [email protected]
This article discusses the features of the applying of nickel-hydrogen batteries on modern space vehicles, the main problems occurring in their exploitation and the ways to solve them..
Keywords: satellite, power supply system, accumulator battery, nickel-hydrogen battery, pressure sensor, pressure measurement.
В настоящее время на многих космических аппаратах широко используются никель-водородные аккумуляторы (НВА). Химические процессы, протекающие в НВА, не позволяют точно определять уровень заряженности по прямым показаниям напряжения на АБ. При заряде в полости аккумуляторов растет давление, позволяющее определить уровень заря-женности [1].
Особенности эксплуатации НВА. На теневых участках (ТУ) орбиты АБ разряжается. Заряд АБ происходит при наличии тока от солнечных батарей. Для определения условий конца или начала заряда необходимо измерить давление в Ак. Внутрь Ак впаиваются датчики давления. При заряде АБ по достижении давления в Ак верхнего порогового уровня батарея переводится в режим подзаряда малым током -для компенсации саморазряда. Величина верхнего порогового давления (ДВ) определяется уставками давления, реализованными в блоке управления [2]. Уставки можно изменять, добиваясь необходимого уровня заряженности в конце заряда.
В ходе эксплуатации некоторых космических аппаратов было выявлено, что в контрольных Ак, по состоянию которых принимается суждение о заря-женности всей АБ, со временем ухудшаются характеристики. В процессе изучения данной проблемы было определено, что это связанно с внедрением в контрольные Ак датчиков давления. Неполное соблюдение технологических норм при монтаже датчиков
давления внутри Ак может приводить к определенным последствиям:
- изменение химического состава электролита;
- последующая разгерметизация Ак из-за наличия паяных швов;
- уменьшения полезного объёма в полости Ак (в сравнении с неконтрольными Ак).
Эти факторы ведут к возникновению отрицательных последствий, а именно:
- при разряде АБ на теневом участке низкий уровень заряженности (давления) в Ак, где установлены датчики давления, может быть причиной снижения напряжения на Ак и соответственно на АБ в целом;
- вследствие разгерметизации контрольных Ак давление в них ниже, чем в остальных аккумуляторах батареи. Это приводит к ошибочному определению момента конца заряда большим током. В этом случае окончание заряда произойдет позже, чем это необходимо. Это приводит к перезаряженности остальных неконтрольных Ак и всей АБ в целом;
- как правило, в конце разряда в плохо заряженных контрольных Ак снижение напряжения происходит скачкообразно, в заранее непредсказуемый момент времени.
При увеличении температуры выше заданного диапазона увеличивается скорость саморазряда, тем самым снижается уровень заряженности АБ (рис. 1). Поэтому возникает необходимость проведения заряда АБ большим током. По достижении давления в кон-
Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление
трольных Ак уставки ДВ батарея возвращается в режим подзаряда. Возникает циклический процесс перехода АБ из режима подзаряда в режим заряда и обратно. Каждый цикл заряда сопровождается повышением температуры. Это увеличивает скорость саморазряда. В результате циклы начинают повторяться чаще, а разогрев АБ происходит с нарастающей скоростью (происходит «тепловой разгон» АБ). Все это приводит к ухудшению характеристик АБ. Поэтому возникает потребность предотвращения этого процесса.
Данное явление действительно происходит на некоторых современных КА. Одним из ярких примеров этого является геостационарный КА, запущенный на орбиту в 2011 году.
Приведенные графики отражают состояние данного КА. На рис. 1 температура изображена синей линией внизу графика. Видно, что по мере нарастания температуры заряженность в Ак снижается. На рис. 2 можно отметить уменьшение давления в контрольных Ак из года в год. Сверху вниз изображены графики давления за 2013, 2014, 2015 и 2016 годы соответственно. В 2016 году получены относительно хорошие характеристики за счет применения новой методики эксплуатации. Очевидно, что происходящие процессы требуют проведения тестирования АБ, чтобы уменьшить «разбаланс давлений» между контрольными и остальными Ак с целью недопущения переполюсовки Ак. Поэтому на рис. 2 можно отметить моменты падения давления в Ак в 2015 и в 2016 гг., так как АБ разряжалась в режиме тестирования.
Рис. 1. Зависимость заряженности Ак от температуры
-
1"
: -
{
■ и . № . Ч
1
\
" ■------ 1
; я \ 1
1 1
1 } 4 1 * Т I 1 И II Ц и Ц 1! М 1Т н и » в и —Н» —ЛМ —ПИ —»» у и у г» 1т а я м и
Рис. 2. Изменение уровня давления в контрольных Ак в период максимальных температур
Исходя из вышеописанного была разработана методика для минимизации последствий, связанных с влиянием ранее указанных факторов.
Содержание методики. Примерно за 10 дней до окончания ТУ на орбите возникает повышение температур АБ. Поэтому после сокращения длительности ТУ до 50 минут в целях снижения температуры АБ необходимо уменьшить границы диапазона терморегулирования АБ.
иды.*______-_____—__
Ш
'як
— ; ш
Рис. 3. Разрядное напряжение на АБ после проведения методики в 2016 г
1Ш.В- %
(к ¡-'а. - . *
Л
\
\
1
Рис. 4. Улучшение разрядных характеристик на АБ после проведения методики в 2016 г.
Для обеспечения повышенного уровня заряженно-сти проблемных Ак необходимо повысить уставку ДВ. Смена уставки должна производиться в ТУ последующего после суток, на которых длительность заряда после окончания ТУ составит менее 55 минут. Это позволит производить заряд АБ на тех ТУ, на которых он уже не ожидается.
По завершении ТУ проведение тестирования АБ: глубокий разряд, далее выдерживание разряженной АБ в состоянии разомкнутой цепи в течение 5 суток, после чего производится заряд. Выдерживание в разомкнутой цепи необходимо для успокоения всех физико-химических процессов в Ак и выравнивания характеристик всех Ак.
Если все вышеназванные этапы не приведут к желаемому результату, будет выполнено отключение заряда. При этом режим подзаряда малым током сохранится, но при уменьшении давления в контрольных Ак до уровня уставки ДВ заряда не произойдет. При сравнении рис. 3 и 4 видно, как улучшилась разрядная характеристика. На контрольных Ак конечное значение напряжения увеличилось, а напряжение на других Ак выровнялось, тем самым доказывая эффективность применяемой методики.
Ранее говорилось, что эта ситуация возникла из-за внедрения в Ак датчиков давления. Необходимо рассмотреть альтернативные методы определения уровня заряженности Ак.
Альтернативные методы. Измерение давления -процедура неизбежная при определении заряженности НВА. Поэтому единственно возможные пути исключения проблемы - это измерение давления без механического вмешательства в Ак. В результате исследования принципов измерения физических величин предлагаются следующие способы измерения давления.
Применение гальванической развязки для датчиков давления (мембранных или тензорезисторов). Данный метод позволит избежать впаивания дополнительных измерительных цепей в Ак.
Емкостный метод измерения давления. Возможно изменить конструкцию Ак таким образом, чтобы полость, в которой необходимо измерить давление, располагалась между обкладками конденсатора [3].
Резонансный метод. В полости измерения давления поместить колебательный элемент из магнито-проводящего материала. Снаружи Ак будут располагаться возбуждающая и измерительная системы [3-4].
Развитие перспективных датчиков на основе ультразвуковых волн. Направленный ультразвук, проходя через полость с электролитом, акустическое сопротивление которого изменяется с изменением плотности, будет претерпевать некоторые изменения [5-6].
Вывод. Проведенный анализ показывает, что НВА требуют определенных условий эксплуатации. Наличие саморазряда требует постоянного подзаряда АБ. Поддержание эффективности работы АБ возможно только при соблюдении температурного режима, что требует внедрения дополнительной системы, поддерживающей температуру в заданном диапазоне.
В процессе эксплуатации НВА на некоторых существующих КА возникает проблема, связанная с частичной разгерметизацией НВА. Данное явление возникает из-за постороннего вмешательства в Ак при установке датчиков давления, необходимых в контуре управления зарядом-разрядом. Эта проблема может приводить к нежелательным последствиям, вплоть до прекращения выполнения КА своей целевой функции.
Для смягчения негативных последствий была разработана методика эксплуатации НВА, которая позволяет поддерживать уровень заряженности и температуру АБ в заданных пределах.
Существует необходимость рассмотрения альтернативных способов определения уровня заряженности Ак. Это позволит отказаться от механического вме-
шательства в Ак при установке датчиков давления и исключит появление данной ситуации.
Библиографические ссылки
1. Ратушняк А. И., Стеганов Г. Б. Расчет и проектирование бортовых СЭС и их основных подсистем. СПб. : ВКА им. А. Ф. Можайского, 2004. 108 с.
2. Никель-водородная аккумуляторная батарея с общим газовым коллектором / М. Д. Баженов и др. // Известия РАН. Энергетика. 2003. № 5. С. 21-37.
3. Тимониу Р. М., Храмов А. С. Емкостные датчики давления. Пенза : Пензенский государственный университет.
4. Датчики : справ. пособие / под общ. ред. В. М. Шарапова, Е. С. Полищука. М. : Техносфера, 2012. 624 с.
5. Слюсар В. И. Ультразвуковая техника на пороге третьего тысячелетия // Электроника: наука, технология, бизнес. 1999. № 5. С. 50-53.
6. Зарембо Л. К., Красильников В. А. Введение в нелинейную акустику // Звуковые и ультразвуковые волны большой интенсивности. 1966. 519 с.
References
1. Ratushnjak A. I., Steganov G. B. Raschet i proektirovanie bortovyh SJeS i ih osnovnyh podsistem [Calculation and design of onboard power systems and their main subsystems]. SPb. : VKA im. A. F. Mozhajskogo, 2004. 108 p.
2. Nikel '-vodorodnaja akkumuljatornaja batareja s obshhim gazovym kollektorom [Nickel-hydrogen battery with a common gas manifold] / M. D. Bazhenov et al. // Izvestija RAN. Jenergetika. 2003. № 5. P. 21-37.
3. Timoniy R. M., Hramov A. S. Emkostnye datchiki davlenija [Capacitive pressure sensors]. Penza: Penzenskij Gosudarstvennyj universitet.
4. Datchiki: Spravochnoe posobie [Sensors: Reference book] / Pod obshh. red. V. M. Sharapova, E. S. Polishhuka. Moskva : Tehnosfera, 2012. 624 s.
5. Sljusar V. I. Ul'trazvukovaja tehnika na poroge tret'ego tysjacheletija [Ultrasound technology on the eve of the third millennium]. Jelektronika: nauka, tehnologija, biznes. 1999. № 5. P. 50-53.
6. Zarembo L. K., Krasil'nikov V. A. Vvedenie v nelinejnuju akustiku. Zvukovye i ul 'trazvukovye volny bol 'shoj intensivnosti [Introduction to nonlinear acoustics. Sound and ultrasonic waves of high intensity]. 1966. 519 p.
© Лефтер В., Тельгарин К., Анаров М., Халимов А., Савостин В., Казбеков Д., 2017
