JP2000040531A - 電池の動作寿命の延ばされた宇宙船の給電方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は宇宙船で使用される電源電池の動作
寿命を長くすることのできる給電方法を提供することを
目的とする。 【解決手段】 第１および第２の電池を含む２以上の独
立して制御可能な電気蓄積電池を使用し、第１の期間
中、第１の電池および第２の電池の両者を両電池が活性
化状態で動作し(54)、第２の期間中、第１の電池を活性
化状態で動作し(56)、この期間中第２の電池は非活性化
状態にされ、第３の期間中、第１の電池および第２の電
池の両者を両電池が活性化状態で動作し(58)、第４の期
間中、第２の電池を活性化状態で動作し、この期間中第
１の電池は非活性化状態にされる(60)ことを特徴とす
る。電池は、約５〜１５℃の高温範囲で活性化され、約
−３０〜−１０℃の低温範囲で非活性化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に宇宙船の給
電用電力システムに関し、とくに動作寿命を延ばされた
宇宙船電池によって宇宙船に給電する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】静止通信衛星のような宇宙船は、地球の
表面上の地点間において信号を中継する増幅器およびそ
の他の電子装置のためにかなり大量の電力を必要とす
る。電力は、通常衛星の外部に取付けられ、太陽に向け
られた太陽電池によって生成される。太陽電池は、太陽
光線がこの太陽電池上に入射したときにのみ電力を生成
し、衛星が地球の陰に入ったときには電力を生成しな
い。

【０００３】衛星の通信中継能力は、衛星が地球の陰に
入った場合でもその機能を継続しなければならない。宇
宙船には電池が搭載されており、この電池は、宇宙船が
太陽光線の範囲内に入っているときに太陽電池によって
発生された過剰の電力を受信および蓄積し、また、宇宙
船が地球の陰に入ったときにその電力を電力消費素子に
供給する。したがって、電池は、衛星が太陽光線の日向
と陰とを通過する期間中に充電／放電サイクルを行って
いる。この電池はまた、ステーションキーピングエンジ
ンの動作のための付加的な電力およびその他の場合のバ
ックアップ電力を供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通信衛星は、約１５年
以上の予想期間にわたって静止軌道に配置される。それ
らの修理は容易ではないので、電池を含む宇宙船システ
ムは、このように長い期間にわたって修理せずに動作で
きる信頼性の高いものでなければならない。機能的な設
計の冗長性は、これらの目的の達成に役に立つが、電池
を含む宇宙船システムは、少なくとも１５年以上の予想
された動作寿命を有していることが非常に望ましい。

【０００５】現在の軌道通信衛星上で使用されている宇
宙船電池は、確固たる信頼性記録を有している。しかし
ながら、電池の相対的な重量を減少させ、もっと高い通
信中継能力を提供するために、最新技術を取り入れて改
良された電池を使用し、電池の単位重量当たりもっと高
いエネルギ蓄積能力を得ることに強い関心が払われてい
る。これらの改良された電池は、それらが新しい技術で
あると言う理由から既存電池の確立された信頼性記録を
持たない。したがって、このような改良された電池が宇
宙船システムにおいて大きい潜在的な利点を提供して
も、それらを使用することが躊躇される。

【０００６】電池が宇宙船適用において使用されるよう
に、長期間にわたる動作寿命を実現するための電池利用
方法が必要とされている。本発明はこの必要性を満足
し、さらに関連した利点を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電池寿命を延
ばす宇宙船の給電方法を提供する。この技術は、電池寿
命における安全性の限界の余裕(margine) を提供し、あ
るいはその他の場合に長期間の用途に適さない電池の利
用を可能にする種々の異なった方法で使用されてもよ
い。本発明の方法は、電池の構成または動作を何等変更
する必要がなく、その代わりに、それらの有効期間を延
長するようにそれらの動作を管理する。

【０００８】本発明によると、宇宙船の給電方法は、宇
宙船の電力消費素子に接続されて動作する、第１の電池
および第２の電池を含む２以上の独立的に制御可能な電
気蓄積電池を有する宇宙船において行なわれる。各電池
は制御して活性化および非活性化することが可能であ
る。宇宙船電力システムのデューティサイクルは、第１
の期間中に第１の電池および第２の電池の両方を両電池
が活性状態で動作し、その後、第１の電池は、第２の期
間中活性化された状態で動作され、この第２の期間中第
２の電池は非活性化状態にされる。第３の期間中、第１
の電池および第２の電池の両者が共に活性化された状態
で動作される。その後、第２の電池は、第４の期間中活
性化された状態で動作され、この第４の期間中第１の電
池は非活性化状態にされる。

【０００９】好ましい実施形態において、電池はリチウ
ムイオン電池であり、それらを放電し、電池の電気化学
プロセスがほとんど不活性になる温度に冷却することに
よって非活性化されることができる。この状態で、電池
およびその内部素子は期間中ずっと腐食または他のメカ
ニズムによって実質的に劣化しない。リチウムイオン電
池は、その能力が再度必要とされたときに、この非活性
化状態から再度活性化されることができる。したがっ
て、電池は実効的に、それが時間に関して不変のままで
ある休眠状態にされ、その後動作されるように再起動(w
aken) されることができる。

【００１０】この本発明の特徴によると、宇宙船の給電
方法は、電力消費素子を有する宇宙船を設け、宇宙船の
電力消費素子に接続されて動作する第１および第２の電
池を含む２以上の独立して制御可能な電気蓄積電池を宇
宙船中に設けるステップを含んでいる。各電池は高温範
囲において活性化されて動作可能であり、低温範囲にお
いて不活性化されて動作できなくなる。電力は、高温範
囲において第１の時間期間中第１の電池および第２の電
池の両者を動作することによって供給される。その後、
第１の電池は第２の期間中に高温範囲で動作され、この
第２の期間中、第２の電池は低温範囲にされ、動作しな
い。第３の期間中、第１の電池および第２の電池の両者
が共に高温範囲で動作される。その後、第２の電池は、
第４の期間中に高温範囲で動作され、この第４の期間
中、第１の電池は低温範囲にされて動作しない。

【００１１】本発明は、静止軌道上に位置する衛星に対
する電力蓄積要求の年間の変化、ならびにいくつかの最
新型電池の活性化および非活性化可能な性質の認識に基
づいている。電力蓄積要求の年間の変化は、衛星が太陽
光線の日向および陰に位置する相対的な時間量が年間を
通じて変動するために生じる。技術的に“至(solstice)
の期間”と呼ぶ１年の大部分について、衛星は、一定し
て直接的な太陽光照射領域内に入っており、したがって
バックアップおよびいくつかのエンジンステーションキ
ーピング動作のために電池電力に比較的少し依存する。
しかしながら、技術的に“食(eclipse) の期間”と呼ぶ
３月２１日の春分点および９月２１日の秋分点を中心と
する２つの約１．５か月の各期間については、衛星は、
各２４時間の期間の一部分を暗黒の中で過ごし、したが
って電池の電力に大きく依存している。これによって、
電池システムの利用できる蓄積容量(capacity)は至の期
間中減少してもよいが、食の期間中は拡大されなければ
ならない。したがって、１２か月からなる１年は、１．
５か月の食の第１の期間、４．５か月の至の第２の期
間、１．５か月の食の第３の期間、および４．５か月の
至の第４の期間として見ることができる。このサイクル
は、次の１２か月の期間も繰り返す。第１および第３の
期間中に要求される総電池容量は多く、第２および第４
の期間中に要求される総電池容量は少ない。電池の寿命
は、第２および第４の期間中に電池の活動を停止させる
ことによって延ばされる。

【００１２】本発明によれば、電池システムは、多数の
独立して制御可能な電池を具備している。多数の電池の
全容量（冗長性およびその他の動作上考慮すべき事項を
可能にする）が、第１の食の期間中に蓄積容量を提供す
るために使用される。衛星が各至の期間に入ると、リチ
ウム電池の場合は、放電し、冷却することによって電池
の１以のものが休眠状態に不活性化される。この不活性
状態において、電池の電気化学蓄積能力は動作できず、
電池の素子(elements)の通常の劣化プロセスが一時中止
した状態である。不活性化された電池は、衛星が次の食
の期間を開始するとき、それを充電し、その動作温度範
囲にそれを暖めることによって再度活性化される。衛星
が次の至の期間に入ると、前とは異なった電池または電
池セットが不活性状態にされる。種々の電池のあいだで
１年ベースで不活性期間を循環させることによって、各
電池の実効動作寿命が伸びる。これは、以前には、不活
性期間中は停止される通常の劣化メカニズムのために故
障になると考えられていた。１５年の全電池システムサ
ービスを達成するのに、２電池システムにおいて各電池
に要求される動作寿命は９．４年に過ぎない。このさら
に短い動作寿命は、最新型の電気化学蓄積技術を取り入
れた電池についてさらに容易に実現される。

【００１３】本発明の別の特徴において、動作状態のと
き、各電池は各充電／放電サイクル中にその最大能力を
下まわる程度に充電および放電されて、その寿命を延長
してもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の原理を例示してい
る好ましい実施形態のさらに詳細な説明および添付図面
を参照することによって、本発明のその他の特徴および
利点が明らかになるであろう。しかしながら、本発明の
技術的範囲は、この好ましい実施形態に制限されるもの
ではない。図１は、地球の赤道の上方の静止軌道に乗っ
ている衛星20である宇宙船を示す。衛星は、地球を中心
とする軌道上を２４時間で移動し（地球上の選択された
位置の上方でステーションキーピングしながら）、また
地球は、太陽を中心とする軌道を１２か月で移動する。
２つの１．５か月の食(elipse)の期間中、衛星は比較的
高い電気エネルギ蓄積容量を必要とする。２つの食の期
間と交互に存在する２つの４．５か月の至(solstice)の
期間中、衛星が必要とする電気エネルギ蓄積容量は比較
的低い。

【００１５】図２は、衛星給電用の電力システムを一般
的な形態で示す。電力消費素子22によって電力が要求さ
れる。電力は太陽電池24によって生成され、電力システ
ムバス25に供給される。太陽電池24によって生成された
電力のいくらかが電力消費素子22において直ぐに利用さ
れ、太陽電池24によって生成された電力のいくらかが電
池システム26に蓄積される。後に、衛星が地球の陰に入
ったために、太陽電池24が電力を生成しないとき、電池
システム26に蓄積された電力が電力消費素子22に供給さ
れる。電力の分配は、電力システム制御装置28によって
制御される。

【００１６】電池システム26は、少なくとも２個の独立
的に制御可能な電池30を含み、ここではそれらを第１の
電池30a および第２の電池30b として示す。電池30a,30
b の一方の電池30が図３にさらに詳細に示されている。
電池30は、活性化状態と不活性化状態との間の変換が制
御可能に行なわれる任意の利用可能なタイプでよいが、
リチウムイオン電池であることが好ましい。リチウムイ
オン電池は、技術的に知られており、たとえば米国特許
第 4,507,371号明細書には、それらの構成が記載されて
いる。電池は充電／放電サイクルで動作される。

【００１７】リチウムイオン電池の場合、電池は、約５
℃から約１５℃までの温度のような高い温度範囲にそれ
を加熱することによって制御可能に活性化される。リチ
ウムイオン電池は、それを放電させて、約−３０℃から
約−１０℃までの温度のような低温範囲にそれを冷却す
ることによって制御可能に非活性化される。

【００１８】“非活性化”とは、電池が電力を供給また
は蓄積しないだけでなく、その電気化学反応および機能
もまた実質的に一時中止されていることを意味する。電
池が電気化学的に機能し、これによって活性化されたと
き、自然劣化メカニズムが時間と共に発生し、そのため
にある期間の後に電池の故障が発生する。電池が電気化
学的に機能せず、非活性化されている場合、これらの劣
化メカニズムは進行せず、自然劣化メカニズムは動作で
きない。リチウムイオン電池の場合、電池の温度および
充電を制御することによって活性化状態と非活性化状態
との間の変換が行なわれる。別の例において、電池の電
解質を除去して電池を非活性化し、その後電池中に電解
質を供給して電池を活性化することによって、変換を制
御することができる。非活性化状態から活性化状態に変
換される電池の一例は、よく知られている自動車の鉛蓄
電池であり、それは、水が供給されないときに非活性化
され、その後水を加えて電解質を形成することにより活
性化される。電解質の移動は、ポンプが必要であり、そ
の実行が面倒であるため、好ましい方法ではない。リチ
ウムイオン電池の場合のような加熱および冷却ならびに
充電制御を使用した活性化および非活性化が好ましい。

【００１９】好ましいリチウムイオン電池30は、システ
ム電力制御装置28によって制御されるスイッチ36を通し
て電源34によって制御可能に給電されるヒータ32を備え
ている。電池30は、システム電力制御装置28によって制
御されるスイッチ40を通して放電負荷38を通って制御可
能に放電されてもよい。電池30を制御可能に活性化する
ために、ヒータ32は、スイッチ40を開いた状態でスイッ
チ36を閉じて、高温範囲に電池30を加熱することによっ
て動作される。その後、電池30は、太陽電池24によって
供給された電力をシステム電力制御装置28によって充電
される。その後、電池30は、通常の充電および放電サイ
クルで反復される。通常の充電および放電サイクル中
は、電気化学反応によって内部で生じた熱のためにヒー
タ32による加熱を中止することができる。

【００２０】電池30を制御可能に非活性化するために、
スイッチ36が開かれ、加熱を中止し、これによって電池
が低温範囲に冷却することが可能になる。電池の冷却シ
ステムに応じて、電池の温度を低温範囲内に維持するた
めに、ヒータ32が周期的にオンにされてもよい。たとえ
ば、電池30が宇宙空間環境への露出によって冷却された
場合、この冷却は強過ぎて、電池を周期的に加熱して低
温範囲を維持しなければ、電池の温度が過度に低くな
る。非活性化の準備の際に電池30を放電するために、ス
イッチ40は閉じられ、残っている蓄積されたエネルギを
放電負荷38を横切って放電する。電池30は、それが非活
性化されたときに、スイッチ42を開くことによって、電
力バスから遮断される。

【００２１】その後、電池30は、上述のようにスイッチ
40を開き、かつスイッチ36を閉じて、電池30を再び高温
範囲に加熱することによって制御可能に再度活性化され
ることができる。電池30が再び活性化されると、スイッ
チ42は閉じられて、電力バス25と再び接続される。活性
化使用／非活性化サイクルは、非常に多数のサイクルに
わたって反復できる。

【００２２】図４は、本発明の好ましい実施方法を示
す。静止軌道上の通信衛星20のような宇宙船が設けられ
（50）、宇宙船は上述の電池システム26を備えている
（52）。衛星は、両方の電池30a および30b が活性化さ
れ、動作している（54）状態で第１の（食の）期間中給
電される。第１の期間は、約１．５か月の長さである。
第１の期間が終わると、第２の電池30b が非活性化さ
れ、その後、衛星は活性化されている第１の電池30a だ
けで給電されている（56）状態で第２の（至の）期間中
給電される。第２の期間は、約４．５か月の長さであ
る。第２の期間が終わると、第２の電池30b は再度活性
化され、衛星は両方の電池30a および30b が活性化さ
れ、給電している（58）状態で第３の（食の）期間中給
電される。第３の期間は、約１．５か月の長さである。
第３の期間が終わると、第１の電池30a は非活性化さ
れ、その後、衛星は第２の電池30b だけが活性化され、
動作している（60）状態で第４の（至の）期間中給電さ
れる。第４の期間は、約４．５か月の長さである。この
サイクルは、次の１２か月に対しても反復される。

【００２３】第１、第２、第３および第４の期間の長さ
を合計すると１２か月になるが、各電池はそのうちの
７．５か月しか動作しない。電池が非活性化されている
残りの４．５か月のあいだ、実質的に化学的に劣化しな
いので、事実上その有効寿命が延長される。換言する
と、１５年の動作寿命を有する衛星については、各電池
が動作するのは約９．４年間だけである。

【００２４】電池の寿命は、各充電／放電サイクルにお
ける最大充電能力に関する充電度、および最大放電能力
に関する放電度によってある程度決定される。本発明で
は、充電度および放電度は、電力消費素子22の電力要求
に応答して部分的な充電／放電サイクルに制限され、そ
れによって電池の寿命を延ばしてもよい。すなわち、た
とえば活性化される期間の一部分のあいだ充電および放
電度を最大値の７５％に制限することが、宇宙船の電力
消費要求を満たさなければならない制約範囲内で可能な
らば、このような制限により電池の寿命を延ばしてもよ
い。たとえば、第１の電池は、第２の期間中に部分的な
充電／放電サイクルによって動作されてもよく、第２の
電池は、第４の期間中に部分的な充電／放電サイクルに
よって動作されてもよい。

【００２５】以上、２個の電池を備えた静止軌道上の通
信衛星の好ましい適用に関連して本発明を説明してきた
が、多数の電池を備えた静止軌道上の衛星、連続的な太
陽光線および太陽光線／陰が交互する周期が存在する別
の地球軌道上の衛星、太陽系外の宇宙を飛行中の宇宙
船、あるいは別の天体の静止軌道またはその他の軌道上
の衛星のような別の状況に適用されてもよい。

【００２６】説明のために本発明の特定の実施形態を詳
細に示してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱すること
なく種々の修正および増強を行ってもよい。したがっ
て、本発明は、添付された特許請求の範囲を除き、何等
制限されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】地球の静止軌道上の衛星の概略図。

【図２】本発明による宇宙船電力システムの概略図。

【図３】図２の電力システムにおいて使用される宇宙船
電池システムの概略図。

【図４】本発明を実施する好ましい方法のブロック図。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 宇宙船の電力消費素子に接続されて動作
   する、第１および第２の電池を含む２以上の独立に制御
   可能な電気蓄積電池を有している宇宙船を給電する方法
   において、 前記第１および第２の各電池は制御して活性化および非
   活性化することが可能であり、 第１の動作ステップで、第１の期間中、第１の電池およ
   び第２の電池の両者を両電池が活性化状態で動作し、 第２の動作ステップで、第２の期間中、第１の電池を活
   性化状態で動作し、この期間中第２の電池は非活性化状
   態にされ、 第３の動作ステップで、第３の期間中、第１の電池およ
   び第２の電池の両者を両電池が活性化状態で動作し、 第４の動作ステップで、第４の期間中、第２の電池を活
   性化状態で動作し、この期間中第１の電池は非活性化状
   態にされる各ステップを含んでいる宇宙船の給電方法。
2. 【請求項２】 第１の電池および第２の電池はそれぞれ
   リチウムイオン電池である請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 第４の動作ステップの後、 第１、第２、第３および第４の動作ステップのシーケン
   スをこの順序で少なくとも１つの付加的な時間に実行す
   る付加的なステップを含んでいる請求項１記載の方法。
4. 【請求項４】 第１の期間および第３の期間の長さは、
   それぞれ約１．５か月であり、第２の期間および第４の
   期間の長さは、それぞれ４．５か月である請求項１記載
   の方法。
5. 【請求項５】 第１の電池は、第２の期間中の部分的充
   電／放電サイクルによって動作される請求項１記載の方
   法。
6. 【請求項６】 第２の電池は、第４の期間中の部分的充
   電／放電サイクルによって動作される請求項１記載の方
   法。
7. 【請求項７】 宇宙船は、地球を中心とする静止軌道に
   ある請求項１記載の方法。
8. 【請求項８】 各電池は、高温範囲で活性化され、低温
   範囲で非活性化される請求項１記載の方法。
9. 【請求項９】 高温範囲は約５℃乃至約１５℃であり、
   低温範囲は約−３０℃乃至約−１０℃である請求項８記
   載の方法。