Литий-ионные аккумуляторные батареи

С 2005 года в ПАО «Сатурн» ведутся работы по созданию параметрического ряда литий-ионных аккумуляторов емкостью от 10 до 120 А·ч призматической формы и батарей на их основе. Первая ЛИАБ, созданная в ПАО «Сатурн», прошла летные испытания (летная квалификация) в составе СЭП космического аппарата (далее – КА) «Глонасс-М» в 2008–2011 годах¹. С 2013 года в составе низкоорбитального КА проходит летные испытания литий-ионная аккумуляторная батарея 4ЛИ-20, в состав которой входит выравнивающее устройство. Несколько типов литий-ионных аккумуляторных батарей прошли полную наземную экспериментальную отработку и отгружены заказчикам для проведения летных испытаний.

«В 2013 году начата эксплуатация в составе низкоорбитальных космических аппаратов литий-ионных аккумуляторных батарей 4ЛИ-20, содержащих конструктивно интегрированное выравнивающее устройство. В 2014 году начата эксплуатация КА на геостационарной орбите с литий-ионными аккумуляторными батареями 23ЛИ-50 производства ПАО «Сатурн».

Механический интерфейс

Во всех разработках корпус конструктивно выполнен в виде моноблока с плотно упакованными литий-ионными герметичными призматическими (далее – ЛИГП) аккумуляторами. Моноблок представляет собой контейнер из Mg-Al сплава, основанием которого служит нижняя плита. Корпуса аккумуляторов электрически развязаны друг от друга и от внутренних поверхностей контейнера и соединены в параллельно-последовательную цепь. Это обеспечивает высокую прочность моноблока и позволяет крепить батарею в нескольких точках по периметру, а при необходимости (при многорядной компоновке) и за среднюю часть нижней плиты. Нижняя плита оснащена пленочными электрообогревателями. Моноблочная конструкция может быть использована в качестве силового элемента конструкции КА.

Тепловой интерфейс

Теплосъем осуществляется с днища ЛИГП через теплопроводящую прокладку или нижнюю плиту.

Батареи

Аккумуляторная батарея 23ЛИ-65

Номинальное напряжение, В		83
Энергоемкость, Вт·ч		5500
Удельная энергия	Вт·ч/кг	118
	Вт·ч/литр <	129,4
Масса не более, кг		46,8

Блок батареи 22x2ЛИ-85 для геостационарного космического аппарата

Номинальное напряжение, В		80
Энергоемкость, Вт·ч		16 200
Удельная энергия	Вт·ч/кг	138
	Вт·ч/литр <	165
Масса не более, кг		2x58,7

Батарея 12ЛИ-48 (с МКУ) для Китайской Народной Республики

Номинальное напряжение, В		44
Энергоемкость, Вт·ч		2370
Удельная энергия	Вт·ч/кг	103
	Вт·ч/литр <	109
Масса не более, кг		23

Блок батареи 22x2ЛИ-85 для геостационарного космического аппарата

Номинальное напряжение, В		83
Энергоемкость, Вт·ч		5200
Удельная энергия	Вт·ч/кг	114
	Вт·ч/литр <	146
Масса не более, кг		45,5

Менеджмент ЛИАБ

Основная функция алгоритма управления ЛИАБ – обеспечение максимальной степени заряженности перед началом разряда в тени при минимальном перезаряде, в частности при условии соблюдения заданного суточного теплового баланса. Для обеспечения оптимального управления используются показания:

поэлементного напряжения аккумуляторов;
датчиков температуры.

Для уменьшения кабельной сети космического аппарата некоторые ЛИАБ могут иметь встроенные модули контроля и управления (далее – МКУ). Функции, которые выполняет МКУ:

передача информации о состоянии ЛИАБ (напряжение и температура батареи, напряжение каждого аккумулятора) и токов заряда и разряда в бортовой компьютер;
выравнивание состояния заряженности литий-ионных аккумуляторов;
контроль ЛИАБ по перезаряду и переразряду с выдачей сигналов в бортовой компьютер;
приведение в действие байпасного переключателя по команде.

МКУ для АБ 12ЛИ-48

Выравнивающее устройство АБ 4ЛИ-20, интегрированное в АБ

Обеспечение надежности и безопасности ЛИАБ

Защита от перезаряда и переразряда внешне обеспечивается электронным устройством, абсолютно надежным в управлении.

Внутреннее КЗ предотвращается конструктивно: обертыванием (пакетированием) электродов сепараторами и тем, что при этом между электродами находится трехслойный сепаратор, который при достижении критической температуры теряет пористость (заплавляется) и останавливает электрохимический процесс.

Исключение из цепи отказавших или аномально деградировавших аккумуляторов выполняется применением байпасных переключателей.

Основные требования, которые предъявляются к байпасному переключателю для литий-ионной аккумуляторной батареи для космического аппарата, это надежность, минимальные энергетические потери, минимальная масса, сохранение неразрывности цепи ЛИАБ при переключении и механическая и радиационная стойкость.

Схема подключения байпасного переключателя и временная диаграмма работы переключателя обеспечивает сохранение неразрывности при переключении цепи соединения аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Таким образом, отказ любого элемента не приводит к отказу ЛИАБ. Надежность ЛИАБ обеспечивается также всеобъемлющей квалификацией (в том числе ресурсными испытаниями) и тщательным контролем при изготовлении.

Байпасные элементы БЭ-50 — БЭ-200

	БЭ-50	БЭ-100	БЭ-200
Номинальный коммутируемый ток, А	50	100	200
Управляющие питание	27 В / 1,5 А	27 В / 1,5 А	27 В / 1,5 А
Переходное сопротивление, мкОм	<250	<130	<100
Габаритные размеры, мм	572228,2	572237,2	654329
Масса, кг	0,055	0,068	0,1

Патенты: № 2415489; ПМ127252; ПМ108881.

Основные технические характеристики литий-ионных аккумуляторов (ЛИГП)

Тип ЛИГП	Номинальная емкость, А·ч	Удельная энергия, Вт·ч/кг	Использование в АБ	Использование в КА
ЛИГП-10	11	110	–	–
ЛИГП-25	34	144	6ЛИ-25	Глонасс-М
ЛИГП-48	55	154	12ЛИ-48	ДЗЗ
ЛИГП-50	65	156	23ЛИ-50	Для геостационарного КА
ЛИГП-65	70	160	23ЛИ-65	Глонасс
ЛИГП-120	128	162	23ЛИ-120	Экспресс-4000
ЛИГП-120	128	162	2*6ЛИ-120	Перспективное пилотируемое транспортное средство (ППТС)
ЛИГП-20	22	137	4ЛИ-20	ДЗЗ
ЛИГП-30	34	142	23ЛИ-30	Перелетная орбита Земля – Луна
ЛИГП-40	50	154	8ЛИ-40	Перелетная орбита Земля – Луна
ЛИГП-40А	47	147	8*2ЛИ-40А	Использование в КА ДЗЗ
ЛИГП-70	87	162	8ЛИ-70	Межпланетный КА
ЛИГП-85	104	162	22*2ЛИ-85	ГСО
ЛИГП-85Р	98	154	22*2ЛИ-85	НОО, ВЭО