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

Библиографическое описание:

Гавриленко В.А. ВЫБОР АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВЕ ПРЕДПОЧТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГРУППЫ ЭКСПЕРТОВ // Научное сообщество студентов XXI столетия. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ: сб. ст. по мат. XC междунар. студ. науч.-практ. конф. № 6(89). URL: https://sibac.info/archive/technic/6(89).pdf (дата обращения: 18.04.2024)

Проголосовать за статью

Конференция завершена

Эта статья набрала 13 голосов

Дипломы участников

У данной статьи нет
дипломов

ВЫБОР АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ НА ОСНОВЕ ПРЕДПОЧТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГРУППЫ ЭКСПЕРТОВ

Гавриленко Владислав Александрович

студент 5 курса, кафедра КиИЛА, филиал «Восход» Московского авиационного института,

РФ, г. Байконур

Шестопалова Ольга Львовна

научный руководитель,

канд. техн. наук, доцент филиала «Восход» Московского авиационного института,

РФ, г. Байконур

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.