Статья опубликована в рамках: XC Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» (Россия, г. Новосибирск, 08 июня 2020 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Космос, Авиация
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
ВЫБОР АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВЕ ПРЕДПОЧТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГРУППЫ ЭКСПЕРТОВ
Данная учебно-исследовательская работа направлена на выявление наиболее перспективного варианта выбора аккумуляторной батареи (АкБ) для создаваемых космических аппаратов.
В связи с большим разнообразием аккумуляторных батарей по емкости, был произведен сравнительный анализ АкБ с емкостью 100 А×ч. В качестве исследуемых образцов были выбраны: 5КМ-100, НВ-100, НМГ-100, СЦС-100, ЛИА-100. Данные аккумуляторные батареи представлены на рисунке 1.
Группами экспертов проводилась оценка на основании шести наиболее важных критериев: срок службы, саморазряд, номинальное напряжение, удельная энергия по объему, масса, среднее значение рабочих температур.
Никель-кадмиевая аккумуляторная батарея 5КМ-100. Данный тип аккумуляторов при заряде, разряде и хранении не выделяют газ и электролит, работоспособны в любом положении в пространстве, взрывобезопасны. Аккумуляторы эксплуатируются в режиме циклирования и в режиме постоянного подзаряда. Работоспособны при и после воздействия механических нагрузок: вибрационных и ударных. [1, 3]
Никель-водородная аккумуляторная батарея НВ-100 представляет собой герметичный щелочной аккумулятор, сочетающий в себе традиционный оксидно-никелевый электрод и газовый водородный электрод. Обладает следующими преимуществами: герметичность, работоспособность в любом положении, автоконтроль степени заряженности, устойчивость к механическим нагрузкам. [1, 4]
Никель-металлгидридная аккумуляторная батарея НМГ-100 в качестве катода выступает оксид никеля, а в качестве электролита гидроксид калия. Достоинства: герметичность, работоспособность в любом положении, устойчивость к механическим нагрузкам. [2, 5]
Серебряно-цинковая аккумуляторная батарея СЦС-100. Батареи на основе оксидов серебра и цинка имеют незначительное электрическое сопротивление, что позволяет получать большую удельную энергоемкость. Во время заряда АкБ происходит образование оксидов серебра. Процесс заряда или разряда протекает плавно без каких-либо резких изменений. В качестве преимуществ можно выделить следующие особенности: прочность к механическим повреждениям, возможность поддержания высоких токов разряда, небольшие потери емкости при простое, экологическое производство батарей. Имеются также и недостатки: внушительная стоимость; непродолжительный срок службы, по сравнению с другими батареями. [6]
Литий-ионная аккумуляторная батарея ЛИА-100 и батареи на их основе представляют собой широкий класс аккумуляторов с различными эксплуатационными характеристиками. Химические батареи на основе литиевых аккумуляторов считаются очень перспективными для использования в составе энергоустановок космических аппаратов. Однако их развитие все еще находится на стадиях исследований. Достоинства: высокое напряжение, большая удельная емкость, высокая плотность энергии. относительно небольшой саморазряд, низкая стоимость обслуживания, отсутствие «эффекта памяти». Недостатки: более высокая первоначальная стоимость, малая тепловая стабильность, необходимость применения встроенной схемы защиты, подверженность старению; затруднено быстрое тестирование. [7]
Характеристики рассматриваемых аккумуляторных батарей представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Характеристики аккумуляторных батарей [8]
АкБ |
Срок службы, разряд-заряд |
Саморазряд, % |
Номинальное напряжение, В |
Удельная энергия по объему, [Вт×ч/] |
Масса, кг |
Среднее значение рабочих температур, °С |
НКА |
750 |
20 |
3,00 |
70 |
30,0 |
15 |
НВА |
3000 |
30 |
1,25 |
110 |
13,2 |
15 |
НМГА |
2000 |
20 |
1,25 |
200 |
22,1 |
11 |
СЦА |
500 |
20 |
1,86 |
250 |
21,6 |
22 |
ЛИА |
500 |
20 |
3,60 |
260 |
26,9 |
12 |
В таблице 2 указаны весовые коэффициенты принятых характеристик, вычисленные с помощью методов предпочтений.
Таблица 2.
Сводная таблица весовых коэффициентов характеристик
АкБ |
Срок службы, разряд-заряд |
Саморазряд, % |
Номинальное напряжение, В |
Удельная энергия по объему, [Вт×ч/] |
Масса, кг |
Среднее знач. рабочих температур, °С |
Метод ранжирования |
0,207 |
0,114 |
0,121 |
0,114 |
0,157 |
0,200 |
Метод балльных оценок |
0,201 |
0,119 |
0,119 |
0,119 |
0,157 |
0,194 |
Метод относит. отклонений |
0,162 |
0,132 |
0,141 |
0,124 |
0,150 |
0,151 |
Метод попарных приоритетов |
0,175 |
0,142 |
0,137 |
0,134 |
0,146 |
0,165 |
Сумма |
0,745 |
0,507 |
0,518 |
0,491 |
0,610 |
0,710 |
Для решения поставленной задачи необходимо определить максимум каждого локального критерия:
При этом максимизируются первый, третий, четвертый, шестой критерии (срок службы, номинальное напряжение, удельная энергия по объему, среднее значение рабочих температур), а второй и пятый критерий (саморазряд, масса) минимизируются. В соответствии с принципом максимальной эффективности нормализованные критерии определяются по следующим формулам: для максимизации , для минимизации .
Полученные результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Нормализованные критерии
АкБ |
Срок службы, разряд-заряд |
Саморазряд, % |
Номинальное напряжение, В |
Удельная энергия по объему, [Вт×ч/] |
Масса, кг |
Среднее значение рабочих температур, °С |
НКА |
0,250 |
0,333 |
0,833 |
0,269 |
0 |
0,682 |
НВА |
1 |
0 |
0,347 |
0,423 |
0,560 |
0,682 |
НМГА |
0,667 |
0,333 |
0,347 |
0,769 |
0,263 |
0,500 |
СЦА |
0,167 |
0,333 |
0,517 |
0,962 |
0,267 |
1 |
ЛИА |
0,167 |
0,333 |
1 |
1 |
0,600 |
0,546 |
Далее были определены обобщенные функции цели по каждому рассматриваемому СПД по формуле:
F1 = 0,352; F2 = 0,490; F3 = 0,435; F4 = 0,478; F5 = 0,515.
Исходя из полученных данных анализа, можно сделать вывод, что наиболее эффективным выбором аккумуляторной батареи является литий-ионная АкБ (обобщенная функция цели F5 = 0,515). Технические характеристики ЛИА представлены в таблице 4.
Таблица 4.
Технические характеристики ЛИА
АкБ |
Срок службы, разряд-заряд |
Саморазряд, % |
Номинальное напряжение, В |
Удельная энергия по объему, [Вт×ч/] |
Масса, кг |
Среднее значение рабочих температур, °С |
ЛИА |
500 |
20 |
3,6 |
260 |
26,9 |
15 |
Данный тип аккумуляторных батарей обладает наибольшим совокупным показателем рассматриваемых характеристик по сравнению с другими АкБ. Использование литий-ионных АкБ в космических проектах приведет к резкому уменьшению веса и объема систем энергопитания, улучшению надежности и более низкой стоимости КА.
Полученный результат зависит от характеристик, выставленных в приоритет, а также от оценки группы экспертов. В данной работе приоритетными характеристиками являются: срок службы, масса, удельная энергия по объему. В случае выбора иных приоритетных параметров или смены группы экспертов результат может измениться, следовательно, окончательное решение остается за ответственным лицом, принимающим решение.
Список литературы:
- Багоцкий В. С. Химические источники тока: учебное пособие/ В.С. Багоцкий, А.М. Скундин. - М: Издательство Энергоиздат, 1981.- 360 с.
- Хрусталев Д.А. Аккумуляторы: учебное пособие / Д.А.Хрусталев. - М: Изумруд, 2003.- 159 с.: ил.
- URL: http://niai.ru/node/43
- URL: http://niai.ru/node/41
- URL: https://www.belstu.by/Portals/0/userfiles/70/LR6.pdf
- URL: https://optochip.org/series/card/152894
- URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293740/4293740984.pdf
- Коровин Н.В. Химические источники тока: справочник/ Под ред. Н.В. Коровина, А.М. Скундина. - М: Издательство МЭИ, 2003.- 740 с.: ил.
дипломов
Оставить комментарий