Диссертация (Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата), страница 5

Время готовностиисточника в диапазоне температур от -50 до +60 °С не превышает 10 мин послеподачи входного напряжения.На КА «Кондор-Э» (производства АО «ВПК «НПО машиностроения»)снижение массы и объема теплоотводов в составе СГЭ достигается26охлаждением компонентов с помощью тепловой трубы испарительноконденсационного типа. Термическое сопротивление разработанной плоскойтепловой трубы при передаваемой мощности от 30 до 200 Вт составляет 0,2 0.5 к/Вт. Благодаря тепловой трубе обеспечивается равномерная тепловаянагрузка радиатора, что существенно снижает его термическое сопротивление.1.4 Основные типы электрохимических аккумулирующих систем длякосмических аппаратов1.4.1 Общие сведенияВкосмическойотраслиширокоеприменениеполучилиникель-кадмиевые (НК АБ), никель-водородные (НВ АБ), никель-металлогидридные(НМГ АБ) аккумуляторные батареи. В последние годы разработчики проявляютособый интерес к электрохимическим системам на основе литиевого электрода.Особенности технических характеристик как тех, так и других типоваккумуляторов, приводят к тому, что для каждой системы оказываетсяпредпочтительнойсвояобластьприменения,зависящаяотусловийэксплуатации аккумуляторов на орбите.

Ниже рассматриваются свойства иособенности эксплуатации вышеперечисленных источников энергии. Вопросы,связанные с химическими источниками тока, рассматриваются в [25-40].1.4.2 Никель-кадмиевая электрохимическая системаНикель-кадмиевые аккумуляторы выпускаются уже более пятидесяти лет,поэтому их структура и свойства наиболее полно изучены.

Структура НКпризматического аккумулятора представлена на рис.1.2.271 – корпус2 – крышка3- отрицательный борн4- положительный борн5- отрицательный электрод6- положительный электрод7- сепаратор8-изоляционная прокладка9- сильфонный датчик давленияРис. 1.2. Структура НК АБ в призматическом исполненииНоминальноенапряжениегерметичныхаккумуляторовданнойэлектрохимической системы составляет порядка 1,2 В. Зарядная криваяаккумулятора данного типа, выпускаемого французской фирмой SAFT, приразличных температурах и токе заряда 0,1 С (С-емкость аккумулятора)представлена на рис.

1.3.Рис. 1.3. Зарядные характеристики НК АБ фирмы SAFT при токезаряда 0,1 С.Как видно из рисунка 1.3, разность напряжений при полном заряде междукривыми температур 0 °С и +50 °С для АБ составляет ~0,2 В. После окончаниязаряда потенциал поверхности заряженного электрода постепенно снижается, т.е. возникает процесс саморазряда.

Уровни заряженности поверхностных и28глубинных слоев электрода выравниваются, в результате чего уменьшаетсяскорость саморазряда.Тепловыделение в герметичном НК АБ зависит от степени егозаряженности. При сообщении ему ~ 70 % емкости начинается выделениекислорода и разогрев АБ. К концу заряда в стандартном режиме,(током 0,1 С), температура АБ может увеличится на 10-15 °С. При ускоренномзаряде АБ (током 0,3 С, рис.

1.4) температура может подняться на 40-45 °С.Рис. 1.4. Ускоренный заряд током 0,3 С НК АБ фирмы SAFTРазрядные характеристики НК АБ существенно зависят от плотности токаи температуры, при которой происходит его разряд. Влияние режима разрядаАБ на величину разрядной емкости показано на рис. 1.5-1.6.Рис. 1.5. Разрядная ёмкость НК АБ при различных режимах и условияхразряда.29Рис.1.6. Разрядная ёмкость НК АБ при различных режимах разряда.Из рис. 1.5-1.6. видно, что для НК АБ температура окружающей средысильно влияет на разрядные характеристики АБ. Так максимальная ёмкость наАБ зафиксирована при +20 °С.

При низких температурах наблюдается резкоеснижение разрядной ёмкости аккумулятора; при температуре -20 °С и токеразряда 1 С, АБ отдаёт не более 60 % своей ёмкости. При низких температурахНК АБ уменьшает ёмкость, это связано со снижением разрядного напряженияАБ из-за значительного роста его внутреннего сопротивления, обусловленноеобразованием твердой фазы в электролите: льда, солей и др. При замерзанииэлектролита, заряд на АБ полностью исключён.

Поэтому нижняя границаработоспособности НК АБ редко находится ниже -20 °С, но при коррекциисостава и концентрации электролита в некоторых типах АБ, удается снятьболее 0,5 С при токе разряда 0,2 С и ~ 0,2 емкости при токе разряда 1 С.На разрядные характеристики АБ так же существенно влияет величинатока разряда. На рис. 1.7, показаны зависимости напряжений НК АБ фирмыSAFT от тока разряда при температуре +20 °С, являющиеся, судя по графикамна рис. 1.5-1.6.

самым благоприятным условием разряда НК АБ.30Рис. 1.7. Разрядные характеристики НК АБ фирмы SAFTКак видно из графиков, с увеличением нагрузки, емкость, которую можноснять с АБ до конечного разрядного напряжения снижается. Так, приразрядных токах 0,1-0,2 С обеспечивают не менее 100 % разрядной емкости. Сувеличением величины нагрузки, разрядная емкость АБ снижается.Заряд герметичного НК АБ связан с рядом трудностей. Существеннымявляется ограничение его перезаряда, так как в процессе заряда повышаетсявнутреннее давление аккумулятора, вызванное процессом выделения кислородас оксидно-никелевого электрода. К концу заряда коэффициент использованиятока заметно падает.

На рис. 1.8 показана зависимость разрядной емкости НКАБ от емкости, сообщенной ему при заряде различными токами и температуре+20 °С.Из кривых видно, что для такой АБ, эффективность заряда в диапазонетоков 0,1-1 С практически не меняется. При заряде малыми токамиаккумулятор не восполняет своей емкости, даже при сообщении ему 200 %номинальной емкости. НК АБ заряжают при температуре от 0 до +40 °С, нонаибольшая эффективность заряда достигается при температуре от +10 до +30°С. При низкой температуре поглощение кислорода на отрицательномэлектроде замедляется и при перезаряде быстрое увеличение давленияприводит к открытию аварийного клапана.31Рис.

1.8. Эффективность заряда при различной скорости зарядаВ случае заряда при высокой температуре снижается потенциал, прикотором на положительном электроде начинает выделяться кислород, чтоприводит к раннему началу процесса нарастания давления, АБ не добираетразрядную емкость. При одной и той же температуре, увеличение зарядноготока приводит к увеличению скорости выделения кислорода, при этом скоростьего поглощения отрицательным кадмиевым электродом практически неизменяется, что так же вызывает повышение давления и срабатываниеаварийного клапана. При систематическом перезаряде в никель-кадмиевой АБвозникают реакции, приводящие к снижению разрядного напряжения иразрядной емкости.При эксплуатации НК АБ возникает очень нежелательное явлениеназванное «эффектом памяти».

При циклировании АБ на небольшую глубину(до 30 %) на разрядной кривой появляется вторая площадка напряжения, болеенизкого по отношению к номинальному рис. 1.9.При продолжении длительного циклирования на небольшую глубинуплощадкауменьшенногонапряженияувеличивалась.Темнеменее,уменьшение разрядного напряжения АБ не является необратимым процессом.32Рис. 1.9.

Влияние «эффекта памяти» на разрядную характеристикуНК АБ. 1 – начальная характеристика, 2 – после циклирования на небольшойглубине.ВосстановлениехарактеристикАБвозможнонескольких циклов разряда до напряжения 1В.послепроведенияНа рис. 1.10 показаноизменение наработки АБ в зависимости от глубины разряда.Рис. 1.10. Наработка НК АБ в зависимости от глубины разрядаС увеличением глубины разряда, его ресурс снижается, но с другойстороны, при циклировании на небольшую глубину (до 30 %) возникает«эффект памяти», для предотвращения которого требуется дополнительноеобслуживание.

Таким образом, возникает сложная задача обеспечениянаибольшей отдачи разрядной емкости АБ при сохранении требуемого33условиями эксплуатации его ресурса и возможности самообслуживанияэлектрохимической системы.Использованиеникель-кадмиевыхгерметичныхАБпроисходитвосновном в составе СГЭ низкоорбитальных КА (ERS-1, SPOT-3, EUREСA,Наука, Алмаз-Т, и др.), характеризующихся коротким режимом заряда ибольшимколичествомзарядно-разрядныхциклов.РесурсНКАБ,разработанных по программе CNES-ESA "ELAN", достигает более 24000циклов в режиме "заряд-разряд", т. е.

не менее 4 лет эксплуатации в условияхнизких околоземных орбит.1.4.3 Никель-водородная электрохимическая системаНикель-водородные аккумуляторные батареи впервые были созданы вСоветском Союзе около 50 лет назад. Они разрабатывались первоначально какальтернативные НК АБ, но с более высокими удельными энергетическимихарактеристиками.Рабочее напряжение НВ АБ – 1,25 В. Удельная энергия составляет 50-60Втч/кг, на 30-40 % больше, чем у НК АБ.Существенными его недостатками являются высокий саморазряд (до 30% за 24 ч и до 50 % за 72 ч) и сильное тепловыделение (до 20-30 % от полезноймощности).

Структура НВ АБ представлена на рис. 1.11.ТакжеНВисточникитокамогутсобиратьсяизотдельныхаккумуляторов, в котором электродные блоки электролитически изолированыдруг от друга, но имеют общее газовое пространство (батареи с общим газовымколлектором).Чаще всего используются спаренные электроды с сеткой между ними,через которую обеспечивается подвод водорода в зону реакции. Прииспользовании таких электродов давление в аккумуляторе в цикле зарядаразряда меняется от 100-300 кПа до 5-6 МПа.Используются также и гидрофильные водородные электроды на основеспеченных никелевых матриц, на которые наносится платина (разработка34ВНИАИ). Предельное давление в данном случае может составлять 9-11 МПа [3,35].Высокое давление, при котором работает данный источник тока, требуетиспользованиепрочногометаллическогокорпуса(коэффициентзапасапрочности достигает 2,5-3) и высокого качества герметизации выводов.Рис.1.11. Структура НВ АБ: 1-герметичный корпус, 2-крышка, 3токовыводы, 4-блок электродов, 5-электрохимические группы, 6-газовыйсепаратор, 7-устройство контроля заряженности аккумулятора.Батареи работают при постоянном контроле напряжения в отдельныхаккумуляторах и в их группах для того, чтобы не допускать снижениянапряжения аккумулятора ниже 0,8 В.