Разработка литий-ионной аккумуляторной батареи космического назначения

Внедрение: 2014 г.

В нашем портолио уже рассматривался развёрнутый пример применения Установки измерительной LTR при испытаниях литий-ионных батарей космического назначения. Тот же коллектив авторов из ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», не остановившись на достигнутом, опубликовал подробные материалы [1] о разработке конструкции и проведении полного цикла наземных испытаний литий-ионной аккумуляторной батареи ЛИАБ-50 c подтверждением электрических характеристик во всех условиях эксплуатации. 

В состав литий-ионной аккумуляторной батареи ЛИАБ-50 входят:

• восемь последовательно электрически соединённых литий-ионных аккумуляторов (ICNP 30/133/190/HE), разработки ОАО «НИИЭИ»;
• блок электроники разработки ЗАО «ТЕХКОМ», предназначенный для поэлементного измерения напряжения, температуры и тока аккумуляторной батареи (АБ);
• анализа информации об измеренных параметрах АБ и её защиты от перезаряда, переразряда и перегрева путём формирования для блока управления системы электроснабжения космического аппарата предупреждающих и аварийных сигналов для изменения режимов работы АБ;
• защиты АБ от единичного отказа литий-ионного аккумулятора;
• формирования и передачи в бортовую электронную вычислительную машину массива телеметрической информации о состоянии АБ;
• элементы конструкции общей сборки батареи.

Литий-ионные аккумуляторы (ICNP 30/133/190/HE), разработанные и изготовленные ОАО «НИИЭИ», номинальной емкостью 50 А·ч, с натуральным сферолизованным графитом в качестве анодного материала и с литий-никель-кобальт оксидом в качестве катодного материала, имеют призматическую форму и предназначены для размещения в составе аккумуляторной батареи в негерметичном отсеке космического аппарата. Внешний вид аккумуляторной батареи приведен на рисунке 1.

Рисунок 1. Внешний вид аккумуляторной батареи ЛИАБ-50.
 
Аккумуляторы в батарее располагаются на охлаждаемом нижнем основании (днище) между двумя боковыми стенками, которые стянуты четырьмя силовыми шпильками, воспринимающими усилия от теплового расширения и изменения размеров аккумуляторов в процессе заряда и разряда. Между собой и от боковых стенок аккумуляторы отделяются электроизоляционными проставками. На одной боковой стенке с внешней стороны располагаются силовые клеммы аккумуляторной батареи. На другой боковой стенке с внешней стороны располагаются клеммы блока электроники. Блок электроники располагается наверху батареи, посредством винтового крепления к борнам аккумуляторов. В состав аккумуляторной батареи также входит устройство активного выравнивания напряжения аккумуляторов при заряде и разряде.

При проведении испытаний использовались: электронная нагрузка BK 8520 фирмы BK Precision; в качестве зарядного устройства использовался программируемый источник питания XLN-3640 той же фирмы. Испытания проводились как в вакууме, так и в нормальных климатических условиях. В процессе испытаний проводились измерения параметров (ток, напряжение, температура аккумуляторов) и сбор аналоговых данных контрольно-измерительной аппаратурой с последующей их записью в цифровом виде в памяти персонального компьютера.

К Установке измерительной LTR, укомплектованной модулем LTR27,  подключались терморезисторы T1 - T11, места расположения которых приведены на  рисунке 2.

Рисунок 2. Расположение внешних термодатчиков на АБ.

Для определения разрядной емкости и энергоемкости аккумуляторная батарея была предварительно разряжена при ступенчатом изменении тока 20 А, 10 А, 5 А до напряжения 2,8 В на каждом аккумуляторе на каждой из ступеней.
Заряд батареи осуществлялся ступенчатым током 20 А, 10 А, 5 А до напряжения на любом аккумуляторе 4,2 В на каждой из ступеней. После проведения режима заряда аккумуляторная батарея разряжалась.

На рисунке 3 приведен график изменения напряжения и тока на батарее при разряде ступенчатым током 20 А, 10 А, 5 А.

Рисунок 3. График изменения напряжения и тока на батарее при разряде: Uаб – напряжение аккумуляторной батареи; I – ток разряда; С – фактическая разрядная емкость.

Перед проведением циклических испытаний батарея была предварительно разряжена при ступенчатом изменении тока 20 А, 10 А, 5 А до напряжения 2,8 В на каждом аккумуляторе на каждой ступени и затем заряжена током 20 А до 30 А·ч. Испытания проводились в нормальных климатических условиях.

Для режима работы батареи на низкой околоземной орбите проводились циклические испытания в режиме заряд-разряд, ток заряда 20 А в течение 60 мин., ток разряда 30 А в течение 20 мин. и 60 А в течение 10 мин. (режим максимального тока), с глубиной разряда 40% от заявленной номинальной емкости.

Для режима работы батареи на геостационарной орбите глубина разряда была увеличена до 80% от заявленной номинальной емкости при токе заряда 20 А в течение 120 мин. и токе разряда 40 А в течение 60 мин.

При проведении циклических испытаний в вакууме наблюдается повышение температуры аккумуляторной батареи, которая к концу пятого цикла при токе разряда 40 А возрастает до 32-34°С и имеет тенденцию к незначительному дальнейшему росту при продолжении циклирования (рисунок 4).

Рисунок 4. График изменения тока и температуры в различных точках батареи при циклировании в вакууме (3·10^-6 мм рт. ст.) с охлаждением: Т1-Т11 – расположение термодатчиков в батарее в соответствии с рисунком 2.

В результате выполнения данной работы была разработана конструкция литий-ионной аккумуляторной батареи, имеющая следующие характеристики:

• номинальная емкость – 50 А·ч,
• напряжение – от 32,8 до 22,4 В,
• удельная энергия – более 120 Вт·ч/кг,
• масса батареи – 19,6 кг. 

Источник: 
Мансуров В.С., Московкин С.А., Ребров С.Г., Янчур С.В. Результаты разработки и наземной отработки литий-ионной аккумуляторной батареи космического назначения // Электронный журнал «Труды МАИ». – 2014. - Выпуск № 77.

Разработчик: Мансуров В.С., Московкин С.А., Ребров С.Г., Янчур С.В. (ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша»)