621.316.721
Doi: 10.31772/2712-8970-2022-23-1-93-104
Автоматизированный стенд для электрических испытаний и диагностики ресурсных характеристик литий-ионных аккумуляторов
Копылов Е. А., Лобанов Д. К., Мизрах Е. А.
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева;
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Литий-ионные аккумуляторные батареи (ЛИАБ) широко применяют в качестве накопителей электроэнергии в системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА).
В статье рассмотрен автоматизированный стенд СИА 12/24 для проведения электрических испытаний и диагностики ресурсных характеристик литий-ионных аккумуляторов (ЛИА), на основе которых разрабатываются и изготавливаются ЛИАБ СЭП КА. Ресурсные испытания ЛИА являются наиболее трудоемкими и длительными, их проводят в наземных условиях в течение нескольких месяцев при многократном циклическом воспроизведении режимов заряд/разряд и температур аккумулятора до достижения условий завершения испытаний при периодическом контроле, измерении и регистрации параметров ЛИА. Применение автоматизированного стенда, позволяющего проводить ресурсные испытания ЛИА на основе методики динамического стрессового тестирования (ДСТ), позволяет сократить сроки ресурсных испытаний ЛИА и тем самым существенно ускорить проектирование и отработку ЛИАБ и СЭП КА. Приведены структура, описание составных частей и технические характеристики стенда СИА 12/24, позволяющего проводить электрические испытания одновременно двенадцати ЛИА. Рассмотрены принцип действия и технические характеристики оригинального зарядно-разрядного устройства с нагрузочным преобразователем (ЗРУ-НП), составляющего основу стенда. Предложенные оригинальные топологии ЗРУ-НП и нагрузочного преобразователя (НП) с двухступенчатым преобразованием мощности и стабилизацией входного напряжения мостового трансформаторного преобразователя (МТП) позволяют автоматизировать процесс электрических испытаний литий-ионных аккумуляторов путем автоматического воспроизведения функционально необходимых режимов испытаний и обеспечить энергосбережение в режимах заряда – разряда аккумуляторов.
Для ЗРУ-НП с двухступенчатым преобразованием мощности показано, что применение стаби-лизации входного напряжения МТП позволяет придать НП следующие положительные свойства:
– расширение диапазонов регулирования атрибутов ЛИА: тока, напряжения, мощности;
– слабую зависимость статической погрешности стабилизации атрибутов ЛИА и показателей качества переходных процессов от типа нагрузки НП.
Ключевые слова: стенд, литий-ионный аккумулятор, испытания, ресурсные характеристики, зарядно-разрядное устройство, нагрузочный преобразователь.
1.
Груздев
А. И. Концептуальные подходы к разработке аккумуляторных батарей с повышенной
удельной энергоемкостью для авиационно-космических применений // Вопросы электромеханики.
Тр. ВНИИЭМ. 2015. Т. 147. С. 38–43.
2.
Progress of ongoing NASA Lithium-Ion
cell Verification testing for aerospace applications /
B. I. VcKissock et al. // NASA/TM-2008-215154. 2008.
3.
Pearson C., Thwaite C., Russel N.
Small Cell Lithium-Ion Batteries: The Responsive Solution for Space Energy
Storage // Paper AIAA RS3-2005-5003 presented at the 3rd Responsive Space
Conference. Los Angeles,
CA, USA, 2005. C.
25–28.
4.
Borthomieu Y., Broussely M., Planchat
J. P. VES140 S Li-Ion Cell GEO Life Test Results // SAFT, SIXTH EUROPEAN SPACE
POWER CONFERENCE (ESPC). Porto,
Portugal, 6–10 May 2002.
5.
Результаты
анализа деградации электродов ЛИА при проведении ресурсных испытаний. / В. А.
Попов, В. П. Кулыга, С. Д. Лихоносов, Д. Н. Махоткин // Фундаментальные проблемы
преобразования энергии в литиевых электрохимических системах»: материалы XXII
Междунар. конф. / под ред. В. В. Галкина
; Кубанский гос. ун-т. Краснодар, 2012. С. 26–27.
6.
ГОСТ
Р МЭК 61427-1-2014 Аккумуляторы и
аккумуляторные батареи для возобновляемых источников энергии. Общие требования
и методы испытаний. Ч. 1. Применение в автономных фотоэлектрических системах.
М. : Стандартинформ, 2014. 13 с.
7.
ГОСТ
Р МЭК 61960-2007 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной и
другие не кислотные аккумуляторы. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи литиевые
для портативного применения. М. : Стандартинформ, 2007. 9 с.
8.
ГОСТ
Р МЭК 62660-1-2014 Аккумуляторы литий-ионные для электрических дорожных
транспортных средств. Ч. 1. Определение рабочих характеристик. М. :
Стандартинформ,
2015. 29 с.
9.
Патент
RU 2390477 C1, МПК H01M 10/42 (2006.01), B64G 1/42(2006.01) Способ проведения
ресурсных испытаний аккумуляторов космического назначения и устройство для его
реализации / Почебут Д. В., Коротких В. В., Кудряшов В. С., Нестеришин М. В.,
Шанаврин В. С. № 2009108898/11 ; заявл. 10.03.09 ; опубл. 27.05.10 ; Бюл. № 15.
10.
Life cycles test on a lithium battery
system [Электронный ресурс] / F.
Vellucci, V. Sglavo, Yuang Pede E. Pasca et al. // IECON 2014 – 40th Annual
Conference of the IEEE Industrial Electronics Society). 2014. С. 3129–3134.
11. Автоматизированное рабочее место
отработки и испытаний энергопреобразующей аппаратуры системы электропитания
космического аппарата / О. В. Бубнов, Ю. А. Кремзуков,
В. А. Пчельников и др. // Доклады ТУСУРа. 2017. Т.20, № 3. С. 35–39.
12. Унифицированная станция для заряда и
тестирования литий-ионных аккумуляторных систем космического и наземного применения.
/ Г. В. Носкин, А. С. Зернов, В. Н. Мишин и др. // Изв. Росс. Акад. наук.
Энергетика. 2012. № 2. С. 120–125.
13. Патент на полезную модель № 123530
Российская Федерация, МПК G01N27/416. Устройство для испытания аккумуляторного
элемента: № 2012127508; заявл. 02.07.12: опубл.. 27.12.12 / Мизрах Е. А,
Копылов Е. А., Нестеришин М. В., Козлов Р. В, Лобанов Д. К. ; заявитель СибГУ им. М. Ф. Решетнева. 4 с.
14.
Патент
на полезную модель № 153595 Российская Федерация, МПК Н02М 3/335, Н02М 3/337,
Н02М 3/28, Н02М 3/24. Преобразователь напряжения: № 2014147920 ; заявл.
27.11.14 ; опубл. 30.06.15 / Мизрах Е. А., Лобанов Д. К., Федченко А. С.,
Копылов Е. А. ; заявитель
СибГУ им. М. Ф. Решетнева. 4 с.
15.
Study of a lithium-ion battery
charge-discharge test unit characteristics / A. S. Fedchenko,
E. A. Kopylov, D. K. Lobanov, E. A. Mizrah // IOP Conf. Series: Materials Science and
Engineering. 2016. No. 122. P. 012015. Doi: 10.1088 /1757- 899X/122/ 1/012015.
16. On
the Static Accuracy of Charge-Discharge Units Intended for Electrical Tests of
High Capacity Li-ion Batteries / E. A. Mizrah, D. K. Lobanov, E. A. Kopylov et
al. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, International
Siberian Conference Reshetnev Readings-2016. 2016. Doi: 10/1088/1757-899X/255/1/012016.