Аккумуляторные батареи особенности эксплуатации

Для обеспечения длительной работы АБ с поддержанием высоких удельных характеристик необходимо обеспечивать определенные условия работы:

- обеспечение защиты аккумуляторов от перезаряда;

- обеспечение защиты аккумуляторов от переполюсовок;

- обеспечение оптимального температурного режима работы.

 

Защита от перезаряда

Наиболее эффективным критерием оценки степени заряженности аккумулятора является давление в его герметичном корпусе. Повышение давления в Ni-Cd аккумуляторе на заряде свидетельствует о начале выделения кислорода, т.е. о начале перезаряда, а в Ni-H аккумуляторе достижение предельного давления водорода также сигнализирует и необходимости прекратить заряд.

Защита по давлению позволяет обеспечить максимальную зарядную емкость, однако, для обеспечения большого количества циклов и ресурса работы по времени желательно заряд ограничивать, не допуская выделения кислорода в NI-Cd аккумуляторе. Кроме этого, данный способ контроля заряда не подходит для Li-Ion аккумуляторов. В этом случае используют другие параметры: напряжение, счетчики зарядной емкости или двухуставочные датчики давления (в Ni-H аккумуляторах).

Значительный перезаряд аккумуляторов вызывает их разогрев, поэтому в автоматику защиты батарей от перезаряда целесообразно также включать температуру корпусов аккумуляторов.

 

Защита от переразряда

Учитывая, что переполюсовка отрицательно сказывается на характеристиках аккумулятора, необходимо обеспечить защиту батарей от переполюсовок в режиме разряда. В простейшем случае ее обеспечивают отключением нагрузки от батареи при достижении на разряде определенного минимально допустимого напряжения (датчики минимального напряжения - ДМН). Однако, такой метод не обеспечивает гарантированной защиты, так как при разряде до общего напряжения отдельные аккумуляторы могут разрядиться до 0 В, в то время как напряжение на батарее за счет остальных элементов поддерживается на уровне, выше срабатывания защиты. Несколько большую надежность обеспечивают групповые ДМН, устанавливаемые не на всей батарее, а на группах по несколько аккумуляторов. Однако, наибольшая надежность обеспечивается при индивидуальном контроле напряжения каждого аккумулятора.

 

Температурный режим

Максимальные емкостные характеристики аккумуляторов обеспечиваются при температуре 15-20 °С, максимальный ресурс – при 5-15 °С. Батарея в процессе работы, особенно при интенсивных разрядах, нагревается, поэтому необходимо обеспечивать теплосъем. С этой целью предъявляется ряд требований как по месту установки батарей на КА, так и по обеспечению теплосъема (продувкой газа-теплоносителя, теплоизлучением на холодные поверхности и т.п.) В зависимости от условий охлаждения на борту КА выполняется и конструкция батареи.

 

Режимы эксплуатации АБ

Режимы эксплуатации АБ можно разбить по времени на:

- хранение;

- приведение в действие и рабочий заряд;

- непосредственная работа на борту.

Хранение батарей производится в разряженном состоянии. В одних случаях разряд производят до минимального конечного напряжения на батарее, в других производят поэлементный разряд до 0 В или даже хранят в закороченном состоянии клемм каждого аккумулятора. В процессе хранения производят регламентные проверки, которые заключаются во внешнем осмотре, замере сопротивления изоляции, а иногда в проверке емкостных характеристик.

Приведение батарей в действие включает в себя сообщение нескольких (двух или трех) зарядно-разрядных циклов и заканчивается контрольным разрядом – если оно проводится на этапе регламентных работ или рабочим зарядом – на этапе подготовки к непосредственному использованию.

Штатная работа – это использование батареи по своему прямому назначению. Спектр режимов широк: непрерывное циклирование; заряд – хранение в заряженном состоянии – разряд на нагрузку; постоянный подзаряд, затем циклирование; циклирование, хранение в разряженном состоянии, заряд, затем опять циклирование и т.п. Конкретные режимы штатной работы зависят от назначения КА.

 

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

ТЭ рассматриваются в двух аспектах применения:

1. В качестве основного источника энергии (режим, аналогичный режиму ГЭ).

2. В качестве аккумулятора электроэнергии – регенеративные ТЭ.

Как источник энергии ТЭ не имеет конкурентов по удельно-весовым характеристикам при длительности работы от нескольких часов до нескольких суток

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

Водородные топливные элементы и воздушно-алюминиевые электрохимические генераторы осуществляют превращение химической энергии топлива (водорода или алюминия) в электричество, минуя малоэффективные, идущие с большими потерями, процессы горения. Это электрохимическое устройство в результате высокоэффективного «холодного» горения топлива непосредственно вырабатывает электроэнергию.

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водороддиссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода) образуют устройство для хранения энергии. Общий КПД такой установки (преобразование электрической энергии в водород и обратно в электрическую энергию) 30-40 %.

 

МАХОВИКИ

Маховик (маховое колесо) — массивное вращающееся колесо, использующееся в качестве накопителя (инерционный аккумулятор) кинетической энергии.

Использование маховика в качестве аккумулятора энергии ограничивается тем, что при превышении допустимой окружной скорости происходит разрыв маховика приводящий к большим разрушениям. Это вынуждает создавать маховики с очень большим запасом прочности, что приводит к снижению их эффективности.

Следствием этого является малая (по сравнению с другими видами аккумуляторов) удельная энергоёмкость.

 

Супермаховик — один из типов маховика, предназначенный для накопления механической энергии. В отличие от обычных маховиков способен сохранять больше кинетической энергии, благодаря конструктивным особенностям.

За счёт конструктивных особенностей способен хранить до 500 Вт·ч (1,8 МДж) на килограмм веса. В частности, в 1964 году советский инженер Н. В. Гулиа заявил авторские права на одну из конструкций, которой и дал название «супермаховик».

Современный супермаховик представляет собой барабан, изготовленный из композитных материалов, например, намотанный из тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов. За счёт этого обеспечивается высокая прочность на разрыв и безопасность эксплуатации. При физическом разрушении супермаховик не разлетается на крупные части, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части тормозят барабан и предотвращают дальнейшее разрушение. Для уменьшения потерь на трение супермаховик помещается в вакуумированный кожух. Зачастую используется магнитный подвес.

Законченный вид супермаховик принимает тогда, когда он способен запасать и отдавать энергию. Для этого создаётся мотор-генератор, где статором является барабан, а ротором — ось, вокруг которой он вращается. Таким образом, при подключении в сеть он будет запасать энергию, а при подключении нагрузки — отдавать. КПД этого преобразования достигает 98 %.

Супермаховик сочетает в себе долговечность и умеренную цену, безопасен при разрушении. Как уже было сказано, его КПД очень велик. Недостатком супермаховиков является гироскопический эффект, обусловленный большим моментом импульса вращающегося маховика, и препятствующий изменению направления оси вращения маховика. Для исключения этого нежелательного эффекта при применении маховиков в качестве накопителей энергии на транспортных средствах можно применить подвеску маховика в кардановом подвесе, но это существенно усложняет конструкцию.