RU2262162C1 - Method for checking tightness of metal-hydrogen battery - Google Patents

Method for checking tightness of metal-hydrogen battery Download PDF

Info

Publication number
RU2262162C1
RU2262162C1 RU2004107540/09A RU2004107540A RU2262162C1 RU 2262162 C1 RU2262162 C1 RU 2262162C1 RU 2004107540/09 A RU2004107540/09 A RU 2004107540/09A RU 2004107540 A RU2004107540 A RU 2004107540A RU 2262162 C1 RU2262162 C1 RU 2262162C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
battery
hydrogen
metal
measured
tightness
Prior art date
Application number
RU2004107540/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
В.С. Ковтун (RU)
В.С. Ковтун
Ж.В. Сагина (RU)
Ж.В. Сагина
В.А. Баранчиков (RU)
В.А. Баранчиков
В.Ю. Тугаенко (RU)
В.Ю. Тугаенко
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority to RU2004107540/09A priority Critical patent/RU2262162C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2262162C1 publication Critical patent/RU2262162C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

FIELD: electrical engineering; servicing metal-hydrogen batteries including their checking for tightness.
SUBSTANCE: proposed method for checking tightness of metal-hydrogen battery includes measurement of pressure within battery case and temperature on its surface; comparison of measured values with maximum permissible ones; estimation of its tightness by making sure that measured parameters are kept within permissible range; measurement of gas space volume; evaluation of battery case expansion ratio for measured temperatures and pressure; determination of battery degree of charge within which only hydrogen is liberated during charging period; battery charging within mentioned range at the same time measuring rated charge current and degree of battery charge within hydrogen liberation range; evaluation of mean volumetric temperature of hydrogen in battery case; evaluation of hydrogen flow due to electrochemical reaction Qech within battery by measured charge current and mentioned mean volumetric temperatures of hydrogen; evaluation of hydrogen barometric flow Qbar within battery by measured values of battery gas space volume, temperatures on its case, and pressure within case, evaluated expansion ratios of battery case for mentioned measured temperatures and pressures; battery tightness is found adequate if condition Qech - Qbar ≤ Qp, is satisfied, where Qp is permissible value of battery leakage. In this way in-service checking of battery tightness is made by hydrogen leakage within permissible level of battery sensitivity.
EFFECT: enhanced reliability of in-service hydrogen leakage evaluation within permissible level of battery sensitivity.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться при эксплуатации металл-водородного аккумулятора (МВА) для его проверки на герметичность.The invention relates to electrical engineering and can be used in the operation of a metal-hydrogen battery (MVA) to check for leaks.

Известен способ контроля герметичности пневмогидросистем [1], используемый в космической технике и принятый за аналог.A known method of monitoring the tightness of pneumohydrosystems [1], used in space technology and adopted as an analogue.

Суть способа заключается в том, что космический аппарат (КА) помещают в вакуумную камеру, соединенную с течеискателем, при этом объем вакуумной камеры сообщается с внутренней полостью отсека. Вакуумируют камеру и отсек средствами откачки до предельного остаточного давления в вакуумной камере. Затем туда подают тарированный поток контрольного газа заданной величины. Измеряют отличие концентрации контрольного газа в вакуумной камере от тарированного потока. После измерений прекращают подачу тарированного потока контрольного газа в вакуумную камеру. Заправляют пневмогидросистему контрольным газом. Измеряют изменение концентрации контрольного газа в вакуумной камере от микронеплотностей в агрегатах и магистралях пневмогидросистемы, и по соотношению измеренных изменений концентрации контрольного газа судят о герметичности пневмогидросистемы.The essence of the method lies in the fact that the spacecraft (SC) is placed in a vacuum chamber connected to a leak detector, while the volume of the vacuum chamber communicates with the internal cavity of the compartment. The chamber and compartment are evacuated by means of pumping to the maximum residual pressure in the vacuum chamber. Then a calibrated flow of control gas of a given value is fed there. The difference in the concentration of the control gas in the vacuum chamber from the calibrated flow is measured. After measurements, the supply of a calibrated flow of control gas to the vacuum chamber is stopped. The pneumohydrosystem is charged with control gas. The change in the concentration of the control gas in the vacuum chamber from the micro-leaks in the units and highways of the pneumatic system is measured, and the tightness of the pneumatic system is judged by the ratio of the measured changes in the concentration of the control gas.

Применять указанный способ контроля для МВА можно лишь в том случае, когда он находится в нерабочем состоянии, и только для контроля герметичности корпуса (сосуда), не находящегося под рабочим давлением. При этом в качестве контрольного газа можно применять только водород, который для подобных испытаний в вакуумной технике, в силу своей взрывоопасности, не применяется. Применение для подобных целей других газов, в том числе и нейтральных (например, гелия), не может в дальнейшем гарантировать штатную работу электрохимической батареи (ЭХБ) МВА, так как остатки контрольного газа могут в дальнейшем препятствовать основным электрохимическим процессам, протекающим в аккумуляторе.The indicated control method can be used for MVA only if it is inoperative, and only to control the tightness of the body (vessel) that is not under working pressure. In this case, only hydrogen can be used as a control gas, which for such tests in vacuum technology, due to its explosiveness, is not used. The use of other gases for such purposes, including neutral ones (for example, helium), cannot further guarantee the regular operation of the MVA electrochemical battery (ECB), since the remnants of the control gas can further interfere with the main electrochemical processes occurring in the battery.

Известно, что для управления МВА при эксплуатации наиболее применяемыми являются параметры давления, температуры и напряжения [2, стр.266]. Указанные параметры применяются и для контроля герметичности МВА. Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающий измерение давлений внутри его корпуса и температуры на корпусе аккумулятора, сравнение измеренных значений с предельно допустимыми и определение герметичности по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне, принимается за прототип [2, стр.265-266].It is known that for control of MVA during operation, the most used are the parameters of pressure, temperature and voltage [2, p. 266]. The specified parameters are also used to control the tightness of the MBA. A method of monitoring the tightness of a metal-hydrogen battery, including measuring the pressure inside its case and the temperature on the battery case, comparing the measured values with the maximum allowable and determining the tightness by finding the measured parameters in the acceptable range, is taken as a prototype [2, p.265-266].

По допустимым градиентам роста или падения давления внутри корпуса аккумулятора можно судить о его герметичности. При негерметичности происходит выход за указанные допуска, вплоть до механического разрыва сосуда. Однако такой способ контроля является довольно грубым, а ситуация, связанная с разрывом сосуда, предотвращается выбором запаса прочности материала при изготовлении корпусов [2, стр.266].Acceptable gradients of growth or pressure drop inside the battery housing can be judged on its tightness. In case of leaks, the specified tolerances are exceeded, up to the mechanical rupture of the vessel. However, this method of control is rather rough, and the situation associated with rupture of the vessel is prevented by the choice of the safety factor of the material in the manufacture of cases [2, p. 266].

Наиболее вероятная причина негерметичности МВА заключается в утечке водорода из аккумулятора как через его корпус, так и через места сборки дополнительных конструктивных элементов, входящих в состав аккумулятора. Контроль по утечке водорода можно осуществлять по напряжению аккумулятора и по температуре на его корпусе [2, стр.265]. Факт частичной потери водорода устанавливается по падению напряжения при заряде. На никель-водородном аккумуляторе, например, падение напряжения составляет от 1,4...1,6 В до 0,5...0,6 В.The most probable cause of the MBA leak is the leakage of hydrogen from the battery both through its body and through the assembly sites of additional structural elements that make up the battery. Monitoring of hydrogen leakage can be carried out by the voltage of the battery and by the temperature on its housing [2, p. 265]. The fact of a partial loss of hydrogen is established by the voltage drop during the charge. On a nickel-hydrogen battery, for example, the voltage drop is from 1.4 ... 1.6 V to 0.5 ... 0.6 V.

Кроме того, МВА сильно разогревается, так как практически вся подводимая к нему мощность переходит в теплоту.In addition, the MBA is very hot, since almost all the power supplied to it goes into heat.

Основные недостатки способа-прототипа заключаются в нижеследующем. Контролировать герметичность МВА по падению давления внутри корпуса на микроутечки практически невозможно, это связано с тем, что процесс преобразования химической энергии непосредственно в электрическую в аккумуляторе сопровождается изменениями давления, связанными не только с протекающими термодинамическими процессами, но и с электрохимическими процессами. Поэтому, кроме давлений и температур в замкнутом объеме аккумулятора, необходимо учитывать для контроля расхода выделяемых газов (кислорода и водорода) и величины токов аккумулятора. Во многом процесс газовыделения зависит и от конструкции самого аккумулятора, построения его ЭХБ, схемы отвода избыточного тепла от аккумулятора и других особенностей.The main disadvantages of the prototype method are as follows. It is practically impossible to control the MVA tightness by pressure drop inside the housing for micro-leaks, this is due to the fact that the process of converting chemical energy directly to electric energy in the accumulator is accompanied by pressure changes associated not only with the ongoing thermodynamic processes, but also with electrochemical processes. Therefore, in addition to the pressures and temperatures in the closed volume of the battery, it is necessary to take into account to control the flow of emitted gases (oxygen and hydrogen) and the magnitude of the battery currents. In many respects, the gas evolution process also depends on the design of the battery itself, the construction of its ECB, the scheme for removing excess heat from the battery, and other features.

Параметрическое многообразие, характеризующее работу МВА, вносит погрешность в процесс контроля его герметичности по давлению, при этом величина указанной погрешности не позволяет довести чувствительность способа для контроля величин малых утечек (~0,1 мкм рт.ст.·л/с).The parametric manifold characterizing the operation of the MBA introduces an error in the process of monitoring its tightness by pressure, while the magnitude of this error does not allow to bring the sensitivity of the method to control the values of small leaks (~ 0.1 μm Hg · l / s).

Контроль герметичности по температуре на корпусе аккумулятора также имеет существенный недостаток, так как контролируется не сам процесс утечки из аккумулятора, а последствия указанной утечки. Таким образом учесть негативный процесс в стратегии эксплуатации МВА не удается и приходится реагировать только на последствия данной утечки.Temperature tightness control on the battery case also has a significant drawback, since it is not the process of leakage from the battery that is controlled, but the consequences of this leakage. Thus, it is not possible to take into account the negative process in the operational strategy of the MBA and it is necessary to react only to the consequences of this leak.

Кроме того, для МВА с общим газовым коллектором [3] и с установленными последовательно включенными элементами вести контроль по температуре и напряжению на отдельном элементе не представляется возможным, так как напряжение на ЭХБ, измеряемое как сумма напряжений каждого элемента, в целом можно оценивать по разному. С одной стороны при его падении может произойти отказ одного из элементов, с другой - падение напряжения на каждом из элементов, связанное с утечкой водорода из корпуса аккумулятора. А система термостатирования (СТР) ЭХБ, например с помощью тепловых труб, замкнутых на радиаторы-теплообменники (РТО) [см.(3)], может обеспечить необходимый сброс тепла из МВА.In addition, for MVA with a common gas collector [3] and with elements connected in series, it is not possible to control the temperature and voltage on an individual element, since the voltage on the ECB, measured as the sum of the voltages of each element, can generally be estimated differently . On the one hand, when it falls, one of the elements may fail, on the other, a voltage drop on each of the elements associated with a hydrogen leak from the battery case. And the temperature control system (STR) of ECB, for example, with the help of heat pipes closed to radiators-heat exchangers (RTO) [see (3)], can provide the necessary heat discharge from MVA.

Таким образом, как и в случае с давлением, о негерметичности можно будет судить при значительной деградации аккумулятора в целом, когда нагрузка на СТР будет расти не пропорционально теплопроизводительности аккумулятора, связанной с его штатной работой.Thus, as in the case of pressure, leakage can be judged with a significant degradation of the battery as a whole, when the load on the CTP will not increase in proportion to the heat capacity of the battery associated with its regular operation.

Задачей, стоящей перед предлагаемым способом, является обеспечение текущего контроля герметичности металл-водородного аккумулятора при его эксплуатации по утечке водорода в пределах чувствительности на уровне допустимой для аккумулятора величины.The challenge facing the proposed method is to ensure ongoing monitoring of the tightness of the metal-hydrogen battery during its operation for hydrogen leakage within the sensitivity range at a level acceptable for the battery.

Технический результат достигается тем, что в способе контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающем измерения давлений внутри корпуса и температур на корпусе металл-водородного аккумулятора, сравнение измеренных значений с предельно допустимыми и определение герметичности по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне, измеряют объем газовой полости металл-водородного аккумулятора, определяют коэффициенты расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений, определяют диапазон значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, производят заряд металл-водородного аккумулятора в пределах указанного диапазона, при этом измеряют номинальный зарядный ток, одновременно, в том же диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при его заряде, определяют среднеобъемные значения температур водорода в металл-водородном аккумуляторе, по измеренным значениям зарядного тока и определенным указанным значениям среднеобъемных температур водорода определяют поток водорода от электрохимической реакции в аккумуляторе (Qэх), по измеренным значениям объема газовой полости металл-водородного аккумулятора, температур на его корпусе и давлениям внутри корпуса, определенным значениям коэффициентов расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений, определяют барометрический поток водорода в аккумуляторе (Qбар) и о герметичности металл-водородного аккумулятора судят по выполнению условияThe technical result is achieved by the fact that in a method for monitoring the tightness of a metal-hydrogen battery, which includes measuring pressures inside the case and temperatures on the body of the metal-hydrogen battery, comparing the measured values with the maximum allowable and determining the tightness by finding the measured parameters in the acceptable range, measure the volume of the gas cavity metal-hydrogen battery, determine the expansion coefficients of the housing of the metal-hydrogen battery for the indicated measured values of the pace atures and pressures, determine the range of values of the degree of its charge, within which only hydrogen is released when the metal-hydrogen battery is charged, the metal-hydrogen battery is charged within the specified range, while the rated charging current is measured, simultaneously, in the same range of values the degree of charge of the metal-hydrogen battery, within which only hydrogen is released when it is charged, the volume-average values of the temperature of hydrogen in metal-water are determined own battery, the measured values of the charging current and determining said values of the volume average hydrogen temperature is determined hydrogen flow from an electrochemical reaction in the battery (Q eh) from measured values of the volume of the gas cavity metal-hydrogen battery, temperature of a housing and pressures inside the cabinet, certain values expansion coefficients of the metal-hydrogen accumulator case for the indicated measured values of temperatures and pressures, determine the barometric flow of hydrogen in ac umulyatore (Q bar) and sealing metal-hydrogen battery is judged by the execution conditions

Qэх-Qбар≤Qдоп,Q eh -Q bar ≤Q add ,

Qдоп - допустимая величина негерметичности металл-водородного аккумулятора.Q add - allowable leakage value of a metal-hydrogen battery.

Для описания предлагаемого способа введены фиг.1...фиг.5, на которых представлены:To describe the proposed method introduced figure 1 ... figure 5, which presents:

фиг.1 - устройство никель-водородной аккумуляторной батареи с общим газовым коллектором;figure 1 - device Nickel-hydrogen storage battery with a common gas collector;

фиг.2 - размещение тоководов на корпусе никель-водородной аккумуляторной батареи с общим газовым коллектором;figure 2 - placement of current leads on the housing of a Nickel-hydrogen battery with a common gas collector;

фиг.3 - размещение датчиков давления на корпусе никель-водородной аккумуляторной батареи с общим газовым коллектором;figure 3 - placement of pressure sensors on the housing of a Nickel-hydrogen battery with a common gas manifold;

фиг.4 - графики измеренных телеметрических параметров никель-водородной аккумуляторной батареи при проведении зарядного цикла;figure 4 - graphs of the measured telemetric parameters of the Nickel-hydrogen battery during the charging cycle;

фиг.5 - динамические погрешности измеренных и расчетных параметров никель-водородной аккумуляторной батареи.figure 5 - dynamic errors of the measured and calculated parameters of the Nickel-hydrogen storage battery.

Для объяснения сути предлагаемого технического решения рассмотрим в качестве примера никель-водородную аккумуляторную батарею (НВАБ), предназначенную для прямого преобразования электрической энергии в химическую энергию реакции взаимодействия гидроокиси никеля и водорода, хранение ее в таком виде необходимое время и обратного прямого преобразования химической энергии реагентов в электрическую энергию.To explain the essence of the proposed technical solution, let us consider, as an example, a nickel-hydrogen storage battery (NVAB) designed to directly convert electrical energy into chemical energy of the reaction of interaction between nickel hydroxide and hydrogen, storing it in this form for the necessary time and reverse direct conversion of the chemical energy of the reactants into electrical energy.

Устройство НВАБ представлено на фиг.1-3, где введены условные обозначения:The NVAB device is presented in figures 1-3, where the conventions are introduced:

1 - ЭХБ;1 - ECB;

2, 3 - части силового корпуса: первая и вторая полусферы соответственно;2, 3 - parts of the power housing: the first and second hemispheres, respectively;

4 - датчики давления (всего три);4 - pressure sensors (three in total);

5 - тоководы с герморазъемами (всего два);5 - current leads with pressure sockets (only two);

6 - штуцер заправки водородом;6 - nozzle for refueling with hydrogen;

7 - посадочное место установки тепловых труб;7 - seat installation of heat pipes;

8 - гайка;8 - a nut;

9 - центральная шпилька;9 - a central hairpin;

10 - переходник центральной шпильки;10 - adapter of the central stud;

11 - токовод;11 - current lead;

12 - силовые клеммы тоководов;12 - power terminals of current leads;

13 - цилиндрическая вставка.13 is a cylindrical insert.

ЭХБ1, находящаяся в заваренном силовом корпусе, состоящем из двух частей 2 и 3 сферической формы и цилиндрической вставки 13, выполняет функции преобразователя энергии.ECB1, located in a welded power case, consisting of two parts 2 and 3 of a spherical shape and a cylindrical insert 13, performs the functions of an energy converter.

В собранном виде корпус представляет собой баллон высокого давления, который заполняется водородом. На баллоне установлены три датчика давления 4, обеспечивающие измерение давления внутри корпуса НВАБ и управляющие работой ЭХБ1, два токовода с герморазъемами 5, позволяющие подводить и снимать с ЭХБ1 электрическую энергию, и штуцер 6 для проведения испытаний и заправки водородом НВАБ.When assembled, the casing is a high-pressure cylinder, which is filled with hydrogen. Three pressure sensors 4 are installed on the cylinder, providing pressure measurement inside the NVAB housing and controlling the operation of ECB1, two current leads with pressure connectors 5, which allow supplying and removing electric energy from ECB1, and a nozzle 6 for testing and filling the NVAB with hydrogen.

Кроме этого, как правило, измеряют температуры на корпусе НВАБ устанавливая (наклеивая) в разных местах на поверхности корпуса от трех до шести температурных датчиков. Такие же датчики устанавливают на тепловых трубах [см.(3)].In addition, as a rule, temperatures are measured on the NVAB housing by installing (gluing) from three to six temperature sensors in different places on the housing surface. The same sensors are installed on heat pipes [see (3)].

В осевой части НВАБ предусмотрены два посадочных места 7 цилиндрической формы для установки испарительной части двух тепловых [см.(3)], обеспечивающих передачу тепла от ЭХБ1 к тепловым трубам. Для повышения теплопередачи зазор между конструкцией ЭХБ1 и посадочными местами для установки тепловых труб 7 заполняют теплопроводной пастой.In the axial part of the NVAB, there are two cylindrical seats 7 for installing the evaporative part of two heat [see (3)], which provide heat transfer from ECB1 to heat pipes. To increase heat transfer, the gap between the design of ECB1 and the seats for installing heat pipes 7 is filled with heat-conducting paste.

Крепление ЭХБ1 к первой полусфере 2 производится с помощью гайки 8 с последующей сваркой стыков между центральной шпилькой 9 и переходником центральной шпильки корпуса 10.The ECB1 is attached to the first hemisphere 2 using a nut 8, followed by welding of the joints between the central pin 9 and the adapter of the central pin of the housing 10.

Вторая точка опоры ЭХБ1 во второй полусфере 3 является скользящей, обеспечивающей перемещение корпуса вдоль шпильки при изменении давления и температуры внутри корпуса. После установки ЭХБ в полусфере 2, к шинам "+" и "-" ЭХБ присоединяются соответствующие силовые клеммы 12 тоководов 11.The second fulcrum of the ECB1 in the second hemisphere 3 is sliding, providing movement of the housing along the stud when pressure and temperature inside the housing change. After installing the ECB in the hemisphere 2, the corresponding power terminals 12 of the current leads 11 are connected to the buses "+" and "-" ECB.

НВАБ выполнена с общим газовым коллектором, что позволяет обеспечить высокую запасаемую энергию на единицу массы (не менее 50 Вт·ч/кг), и объема (не менее 100 Вт·ч/л), высокую надежность и безопасность работы.NVAB is made with a common gas collector, which allows to provide high stored energy per unit mass (not less than 50 W · h / kg), and volume (not less than 100 W · h / l), high reliability and safety.

ЭХБ1 содержит в себе электрические группы, состоящие из отрицательного водородного газодиффузионного электрода, выполненного в виде металлической позолоченной никелевой сетки с внедренным в нее катализатором (платина с фторопластом), положительного окисно-никелевого электрода (ОНЭ), представляющего собой высокопористую никелевую структуру, заполненную гидроокисью никеля.ECB1 contains electrical groups consisting of a negative hydrogen gas diffusion electrode made in the form of a metal gilded nickel mesh with a catalyst embedded in it (platinum with fluoroplastic), a positive oxide-nickel electrode (ONE), which is a highly porous nickel structure filled with nickel hydroxide .

Толщина положительного электрода (масса) определяет суммарно запасенную энергию аккумулятора и электроносителя.The thickness of the positive electrode (mass) determines the total stored energy of the battery and electron carrier.

Электролитом является водный раствор щелочи (КОН), который содержится в специальной пористой матрице.The electrolyte is an aqueous solution of alkali (KOH), which is contained in a special porous matrix.

При заряде водород восстанавливается на водородном электроде и заполняет общий объем аккумуляторной батареи, при этом давление в емкости (бародинамическая зависимость НВАБ) увеличивается приблизительно пропорционально заряжаемой емкости аккумулятора. Каждому значению температуры, измеренной на корпусе НВАБ, соответствует свой график допустимого роста давления внутри корпуса батареи при номинальном зарядном токе (см.[2], рис.XI.5, стр.259).When charged, hydrogen is restored on the hydrogen electrode and fills the total volume of the battery, while the pressure in the tank (the barodynamic dependence of NAB) increases approximately in proportion to the charged battery capacity. Each temperature value measured on the NVAB housing has its own schedule for the permissible pressure increase inside the battery case at rated charging current (see [2], Fig. XI.5, p. 259).

Сравнивая измеренные значения с предельно-допустимыми значениями, по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне можно определять герметичность корпуса.Comparing the measured values with the maximum permissible values, the tightness of the housing can be determined by finding the measured parameters in the acceptable range.

При разряде водород ионизируется и происходит электрохимическое образование Ni(OH)2, при этом давление водорода снижается приблизительно пропорционально расходуемой емкости аккумулятора. Средний потенциал одного элемента при разряде составляет ~1,25...1,3 В.During the discharge, hydrogen is ionized and the electrochemical formation of Ni (OH) 2 occurs, while the hydrogen pressure decreases approximately in proportion to the consumed capacity of the battery. The average potential of one element during a discharge is ~ 1.25 ... 1.3 V.

Для примера возьмем ЭХБ1 в виде пакета [см.(3)], состоящего из восемнадцати последовательно соединенных между собой аккумуляторных ячеек, объединяющих в себе электрические группы.For example, we take ECB1 in the form of a package [see (3)], which consists of eighteen battery cells connected in series to each other, combining electrical groups.

Примем также для контроля герметичности НВАБ, находящийся в зарядном цикле. Указанный цикл наиболее опасный по нагрузке корпуса внутренним давлением газа, рост которого может составлять в процессе заряда десятки атмосфер вплоть до максимального значения, составляющего ~60 кгс/см2.We will also take to control the tightness of the NVAB, which is in the charging cycle. The indicated cycle is the most dangerous in case of the shell’s internal gas pressure, the growth of which can amount to tens of atmospheres during the charge up to a maximum value of ~ 60 kgf / cm 2 .

Распишем систему уравнений, описывающую расчет нормы негерметичности НВАБ.Let us write down a system of equations describing the calculation of the leakage rate of an NLAB.

1. Электрохимический расход водорода (обобщенный закон Фарадея в дифференциальной форме - [4], стр.388).1. Electrochemical consumption of hydrogen (generalized Faraday law in differential form - [4], p. 388).

Figure 00000002
Figure 00000002

где μH2=2 - киломольная масса водорода, [кг/кмоль];where μ H2 = 2 is the kilomole mass of hydrogen, [kg / kmol];

n=18 - количество последовательно соединенных ячеек в НВАБ, [-];n = 18 - the number of cells connected in series in NVAB, [-];

ZН2=2 - валентность водорода, [-];Z H2 = 2 is the valence of hydrogen, [-];

F=9,6485·107 - число Фарадея, [А·с/кмоль];F = 9.6485 · 10 7 is the Faraday number, [A · s / kmol];

I(τ) - измеренное значение тока в зарядном цикле НВАБ, [А];I (τ) is the measured value of the current in the charge cycle of the NVAB, [A];

η=η(С/СНОМ; ТЭХБ; I, nЦ) - рассчитываемое значение к.п.д. по току в режиме заряда (сложная эмпирическая функция многих переменных), [-];η = η (C / C NOM; T EHB; I, n C) - the distance value efficiency current in charge mode (a complex empirical function of many variables), [-];

С/СНОМ - рассчитываемая степень заряженности НВАБ, [-];С / С НОМ - calculated degree of charge of NVAB, [-];

ТЭХБ - рассчитываемая среднеобъемная температура электрохимической батареи (ЭХБ), [С];T ECB - calculated volumetric average temperature of the electrochemical battery (ECB), [C];

nЦ - количество зарядно-разрядных циклов на текущий момент ресурсной эксплуатации НВАБ, [-].n C - the number of charge-discharge cycles at the current time of the resource operation of the NVAB, [-].

2. Барометрический расход водорода (уравнение Менделеева-Клапейрона в дифференциальном виде - [4], стр.151).2. Barometric hydrogen flow rate (Mendeleev-Clapeyron equation in differential form - [4], p. 151).

Figure 00000003
Figure 00000003

где VН2(Р, ТК) - рассчитываемый объем, занимаемый газообразным водородом в НВАБ (техническая система измерений), [л];where V Н2 (Р, Т К ) - calculated volume occupied by gaseous hydrogen in NVAB (technical measurement system), [l];

RO=8314 - универсальная газовая постоянная, [Дж/(кмоль·К)];R O = 8314 is the universal gas constant, [J / (kmol · K)];

Р(τ) - измеренное давление водорода в НВАБ (техническая система измерений), [кгс/см2];P (τ) is the measured pressure of hydrogen in NVAB (technical measurement system), [kgf / cm 2 ];

ТН2(τ) - рассчитываемая среднеобъемная температура водорода в НВАБ, [С];Т Н2 (τ) - calculated volumetric average temperature of hydrogen in NVAB, [С];

ТК(τ) - измеренная температура корпуса НВАБ, [С];T K (τ) - the measured temperature of the housing NVAB, [C];

kP=9,81·104 - переводной коэффициент для измерения давления в системе СИ, [(н/м2)(кгс/см2)];k P = 9.81 · 10 4 - conversion factor for measuring pressure in the SI system, [(n / m 2 ) (kgf / cm 2 )];

kV=10-3 - переводной коэффициент для измерения объема в системе СИ, [м3/л].k V = 10 -3 - conversion factor for measuring volume in the SI system, [m 3 / l].

3. Расход водорода (течь) через газопроницаемую оболочку корпуса НВАБ и уплотнительные элементы конструкции (баланс расходов).3. Hydrogen consumption (leak) through the gas-permeable shell of the NVAB housing and sealing elements of the structure (expense balance).

Figure 00000004
Figure 00000004

4. Расчетное значение средней (интегральной) температуры по внутреннему объему НВАБ ([5], стр.31) в общем виде4. The calculated value of the average (integral) temperature over the internal volume of the NVAB ([5], p. 31) in the general form

Figure 00000005
Figure 00000005

В частном виде для цилиндрических слоев ЭХБ и газовой полости имеем:In private form for cylindrical layers of ECB and gas cavity we have:

Figure 00000006
Figure 00000006

Figure 00000007
Figure 00000007

где Т(r) - рассчитываемое распределение температуры по радиусу в цилиндрических слоях НВАБ;where T (r) is the calculated distribution of the temperature along the radius in the cylindrical layers of NVAB;

r0, r1, r2 - радиусы внутренней поверхности ЭХБ, наружной поверхности ЭХБ и внутренней поверхности корпуса НВАБ соответственно.r 0 , r 1 , r 2 are the radii of the inner surface of the ECB, the outer surface of the ECB and the inner surface of the NVAB housing, respectively.

5. Проводится измерение объема газовой полости аккумулятора с учетом "дыхания" сферического корпуса НВАБ от факторов температуры и давления.5. The measurement of the volume of the gas cavity of the battery is carried out taking into account the "breathing" of the spherical housing of the NVAB from temperature and pressure factors.

Figure 00000008
Figure 00000008

где V0 - измеренный объем газовой полости НВАБ при приемно-сдаточных испытаниях с температурой Т0 и давлением Р0 окружающей среды (значение объема занесено в формуляр), [л];where V 0 is the measured volume of the gas cavity of the NVAB during acceptance tests with a temperature T 0 and pressure P 0 of the environment (the value of the volume is entered in the form), [l];

ΔVT - приращение объема от фактора температуры, [л];ΔV T is the volume increment from the temperature factor, [l];

ΔVp - приращение объема от фактора давления, [л];ΔV p is the volume increment from the pressure factor, [l];

βт - температурный коэффициент линейного расширения материала корпуса, [1/С];β t - temperature coefficient of linear expansion of the housing material, [1 / C];

Figure 00000009
Figure 00000009

рассчитываемый коэффициент расширения корпуса от фактора давления, [кгс/см2]-1;the calculated coefficient of expansion of the body from the pressure factor, [kgf / cm 2 ] -1 ;

Δt=(ТК0) - изменение температуры корпуса, [С];Δt = (T K -T 0 ) - change in temperature of the housing, [C];

ΔР=(Р-Р0) - изменение давления водорода, [кгс/см2];ΔP = (P-P 0 ) is the change in hydrogen pressure, [kgf / cm 2 ];

Т0, Р0 - измеренные параметры окружающей среды при определении объема V0 для газовой полости НВАБ (значения параметров заносятся в формуляр);T 0 , P 0 - measured environmental parameters when determining the volume V 0 for the gas cavity NVAB (parameter values are entered in the form);

РК - избыточное испытательное давление для определения коэффициента βР при ТК0=Const;P K - excess test pressure to determine the coefficient β P at T K = T 0 = Const;

ΔLК - измеренное линейное удлинение окружности корпуса под действием фактора испытательного давления Рк, [мм];ΔL K - measured linear elongation of the circumference of the body under the influence of the test pressure factor Pk, [mm];

D0 - измеренный диаметр корпуса НВАБ при параметрах Т0 и Р0, [мм].D 0 - the measured diameter of the housing NVAB with parameters T 0 and P 0 , [mm].

6. Норма негерметичности (течи).6. Leakage rate (leak).

Уравнение {3} описывает материальный баланс расходов газа, выраженных в единицах массы. В вакуумной технике для измерения течи используется рассчитываемый поток газа, выраженный в условных единицах потока определяемых выражением, справедливым при постоянной температуре (рассчитываемый газовый поток течи - [6], стр.156):Equation {3} describes the material balance of gas consumption, expressed in units of mass. In a vacuum technique, a calculated gas flow is used to measure a leak, expressed in arbitrary units of the flow determined by an expression that is valid at a constant temperature (calculated gas leak flow - [6], p. 156):

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
Where
Figure 00000011

- рассчитываемое среднее значение температуры водорода в НВАБ за время реализации способа контроля, [К];- the calculated average value of the temperature of hydrogen in NVAB during the implementation of the control method, [K];

τ1 и τ2 - измеренное время начала и окончания способа контроля негерметичности, соответственно, [с];τ 1 and τ 2 - the measured time of the beginning and end of the method of monitoring leaks, respectively, [s];

Δτ=(τ21) - продолжительность способа контроля герметичности, [с];Δτ = (τ 21 ) is the duration of the method of tightness control, [s];

kП=7,5·103 - переводной коэффициент для измерения газовых потоков в технической системе измерения, [(мкм рт.ст.·л/с)/(Вт)].k P = 7.5 · 10 3 - conversion factor for measuring gas flows in the technical measurement system, [(μm Hg · l / s) / (W)].

Рассмотрим подробно схему применения предлагаемого способа контроля герметичности металл-водородного (никель-водородного) аккумулятора.Consider in detail the application of the proposed method for monitoring the tightness of a metal-hydrogen (nickel-hydrogen) battery.

Перед началом эксплуатации аккумулятора измеряем объем газовой полости V0.Before using the battery, measure the volume of the gas cavity V 0 .

Для этого используется технологический штуцер 6 (см.фиг.1). Через него, например, заправляют аккумулятор тарированной массой водорода. Далее по известной массе водорода, измеренным значением температур на корпусе и давления внутри корпуса измеряют объем газовой полости аккумулятора.For this, the technological connection 6 is used (see figure 1). Through it, for example, the battery is charged with a calibrated mass of hydrogen. Next, the volume of the gas cavity of the battery is measured by the known mass of hydrogen, the measured temperature on the housing and the pressure inside the housing.

Определяем коэффициенты расширения βТ и βр (см. {6}), при этом учитываем рабочий диапазон температур и давлений аккумулятора получаемых при его эксплуатации. Определяем диапазон значений степени заряженности аккумулятора (С/Сном), в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде аккумулятора. Для этого используем известные зависимости по изменению давления в функции относительной зарядной емкости (степени заряженности) при различных температурах, (см.[2], стр.259).We determine the expansion coefficients β T and β p (see {6}), while taking into account the operating range of temperatures and pressures of the battery obtained during its operation. We determine the range of values of the degree of charge of the battery (C / C nom ), within which only hydrogen is released when the battery is charged. To do this, we use the known dependences on the pressure change in the function of the relative charge capacity (degree of charge) at various temperatures, (see [2], p. 259).

Из указанных зависимостей определяем области только для выделения водорода, характеризуемые постоянным градиентом изменения давления. Например, в диапазоне С/Сном от 0,1 до 0,5 (см.[2], рис.XI.5, стр.259) водород выделяется при температуре от 0° до 40°С.From the indicated dependences, we determine the areas only for hydrogen evolution, characterized by a constant gradient of pressure change. For example, C-band / S SG of from 0.1 to 0.5 (see [2]., Ris.XI.5, str.259) hydrogen is released at a temperature of from 0 ° to 40 ° C.

Для указанной области степени заряженности гарантированно реализуется практически постоянное значение η≈1. Это существенно упрощает определение QЭХ по измеренному зарядному току при заряде аккумулятора в пределах указанного диапазона. Кроме того, выбор области выделения водорода приводит к увеличению точности способа контроля, так как указанная область характеризуется минимальным собственным тепловыделением НВАБ и как следствие этого, стабильностью и равномерностью распределения температуры по конструкции аккумулятора, что позволяет с достаточной точностью заменить расчетное значение среднеобъемной температуры водорода ТН2 на измеренное значение температуры корпуса ТК.For the indicated region of the degree of charge, an almost constant value η≈1 is guaranteed to be realized. This greatly simplifies the determination of Q SEC by the measured charging current when the battery is charged within the specified range. In addition, the choice of the region of hydrogen evolution leads to an increase in the accuracy of the control method, since this region is characterized by a minimum intrinsic heat release of the NAB and, as a result, stability and uniformity of temperature distribution over the battery design, which allows the accuracy of replacing the calculated value of the average volumetric temperature of hydrogen T H2 the measured value of the temperature of the housing T To .

Для представленной области определения, с учетом сделанных допущений, после преобразования представленной выше системы уравнений {1}...{8}, окончательное выражение для рассчитываемой текущей нормы негерметичности имеет вид:For the presented domain of definition, taking into account the assumptions made, after the transformation of the above system of equations {1} ... {8}, the final expression for the calculated current leak rate is:

Figure 00000012
Figure 00000012

где

Figure 00000013
Where
Figure 00000013

определенное значение потока водорода в аккумуляторе от электрохимической реакции;a certain value of the flow of hydrogen in the battery from an electrochemical reaction;

Figure 00000014
Figure 00000014

определенное значение барометрического потока водорода в аккумуляторе.a certain value of the barometric flow of hydrogen in the battery.

Figure 00000015
Figure 00000015

Figure 00000016
Figure 00000016

Определяем среднее значение температуры водорода за время реализации способа:Determine the average value of the temperature of hydrogen during the implementation of the method:

Figure 00000017
Figure 00000017

где ТК(τ) - измеренная температура корпуса;where T K (τ) is the measured temperature of the housing;

τ1 и τ2 - измеренное время начала и окончания способа контроля негерметичности, соответственно, [ч].τ 1 and τ 2 - the measured time of the beginning and end of the method of monitoring leaks, respectively, [h].

Определяем среднее значение рассчитанного градиента давления (с учетом "дыхания" корпуса от факторов температуры и давления) за время реализации способа для QБАР:We determine the average value of the calculated pressure gradient (taking into account the "respiration" of the case from temperature and pressure factors) during the implementation of the method for Q BAR :

Figure 00000018
Figure 00000018

где:Where:

Р(τ) - измеренное давление водорода;P (τ) is the measured hydrogen pressure;

Figure 00000019
Figure 00000019

- аналитическая зависимость относительного объема водорода от текущих параметров давления водорода и температуры корпуса;- the analytical dependence of the relative volume of hydrogen on the current parameters of the hydrogen pressure and the temperature of the housing;

Δt=ТК(τ)-Т0 - текущая разность температур, [С];Δt = Т К (τ) -Т 0 - current temperature difference, [С];

ΔР=Р(τ)-Р0 - текущая разность давления, [кгс/см2];ΔP = P (τ) -P 0 is the current pressure difference, [kgf / cm 2 ];

τ1 и τ2 - измеренное время начала и окончания способа контроля негерметичности, соответственно, [ч].τ 1 and τ 2 - the measured time of the beginning and end of the method of monitoring leaks, respectively, [h].

Определяем среднее измеренное значение зарядного тока за время реализации способа для QЭХ:Determine the average measured value of the charging current during the implementation of the method for Q SEC :

Figure 00000020
Figure 00000020

где Ii - текущие измеренные значения зарядного тока в области реализации способа.where I i - the current measured values of the charging current in the field of implementation of the method.

Сравнение текущей и допустимой норм негерметичности:Comparison of current and permissible leak rates:

Figure 00000021
Figure 00000021

В случае выполнения условия {18} можно судить о герметичности МВА.If condition {18} is fulfilled, one can judge the tightness of the MBA.

На фиг.4 показаны суточные графики измеренных телеметрических (ТМ) параметров НВАБ, установленной на КА "Ямал-100" при проведении зарядного цикла в процессе штатной эксплуатации батареи.Figure 4 shows the daily graphs of the measured telemetric (TM) parameters of the NVAB installed on the spacecraft "Yamal-100" during the charging cycle in the normal operation of the battery.

Кроме ранее рассмотренных обозначений, вновь введены:In addition to the previously considered notations, the following are again introduced:

ТTT - температура тепловых труб в зоне установки на РТО, [С], TT TT - the temperature of the heat pipes in the installation area on the PTO, [C],

W - уровень заряженности батареи [Вт·ч].W is the battery charge level [Wh].

С учетом вышеуказанных допущений выбрана область практической реализации способа в диапазоне W=(0,1...0,3)WНОМ, на интервале Δτ=1,5 ч. Границы области на фиг.4 выделены прямоугольником. Как видно из фрагментов графиков, принадлежащих области, для расчетной зависимости {1} в соответствии с [2], стр.259 гарантировано реализуется значение η≈1.Based on the above assumptions, the area of practical implementation of the method was selected in the range W = (0.1 ... 0.3) W NOM , in the interval Δτ = 1.5 hours. As can be seen from the fragments of the graphs belonging to the region, for the calculated dependence {1} in accordance with [2], p. 259, the value η≈1 is guaranteed to be realized.

При номинальных текущих измеренных значениях зарядного тока I≈11 А, наблюдается линейный рост давления Р. Температуры на тепловых трубах ТТТ и корпуса НВАБ ТК имеют примерно постоянные значения (ТТТ≈6°С и ТК≈9°С), что позволяет в выражении {14} принять за среднеобъемную температуру водорода, измеренное значение температуры корпуса НВАБ (ТК). Перепад температур между ТК и ТТТ на 3 градуса характеризует теплоотвод от ЭХБ батареи, осуществляемый через РТО [см. (3)]. При этом текущие значения уровней заряженности батареи W рассчитываются с использованием измеренных значений температуры на корпусе ТК и давления внутри корпуса Р по выражению:At nominal current measured values of the charging current I ≈ 11 A, a linear increase in pressure R is observed. The temperatures on the heat pipes Т ТТ and the housing of НВАБ Т К have approximately constant values (Т ТТ ≈6 ° С and Т К ≈9 ° С), which in the expression {14} allows us to take as the volumetric average temperature of hydrogen, the measured value of the temperature of the NVAB (T K ) body. The temperature difference between T K and T TT by 3 degrees characterizes the heat removal from the ECB of the battery, carried out through the RTO [see (3)]. In this case, the current values of the battery charge levels W are calculated using the measured values of the temperature on the housing T K and the pressure inside the housing P according to the expression:

Figure 00000022
Figure 00000022

где К - коэффициент пропорциональности;where K is the coefficient of proportionality;

Р0 - давление в НВАБ в конце полного разряда, [кгс/см2].P 0 - pressure in NVAB at the end of a full discharge, [kgf / cm 2 ].

Таким образом, все переменные величины, полученные по результатам измерений, входящие в выражение {9} для расчета QТЕЧИ получены. Остальные величины, входящие в указанное выражение, являются либо постоянными, см. {9, ..., 14}, либо зависящими от указанных переменных величин.Thus, all the variables obtained from the measurement results included in the expression {9} for calculating Q LEAKS are obtained. The remaining quantities included in the indicated expression are either constant, see {9, ..., 14}, or depending on the indicated variables.

Для повышения точности в определении фактической нормы погрешности, при практической реализации способа необходимо осуществлять сглаживание "динамического уровня шума" измеряемых параметров.To improve the accuracy in determining the actual error rate, in the practical implementation of the method, it is necessary to smooth out the "dynamic noise level" of the measured parameters.

На фиг.5 показана динамическая погрешность ("уровень шума") измеренных и расчетных параметрах для выражения {9}, с учетом подстановки {10}, {11}. Там же показаны их апроксимация и расчетное значение Qтечи, полученное после подстановки в {9, ..., 11} нижеследующих расчетных величин:Figure 5 shows the dynamic error ("noise level") of the measured and calculated parameters for the expression {9}, taking into account the substitution {10}, {11}. Their approximation and the calculated value of Q leak , obtained after substitution of the following calculated values in {9, ..., 11} are also shown there:

V0=16 [л]; Iизм=10,99457 [А]; Тср=8,977064 [С];V 0 = 16 [l]; I MOD = 10.99457 [A]; T cf = 8.977064 [C];

(PQ)Δτ=5,5144[(кгс/см2)/4], m1, m2, см. {9},{10},(PQ) Δτ = 5.5144 [(kgf / cm 2 ) / 4], m 1 , m 2 , see {9}, {10},

при этом в качестве Iизм принято обработанное измеренное текущее значение зарядного тока I, с учетом величины достоверности апроксимации (R2).in this case, the processed measured current value of the charging current I, taking into account the approximation reliability value (R 2 ), is accepted as I ISM .

С учетом Qдоп=0,08 [мкм рт.ст.·л/с] и полученного QТЕЧИ≈0,01 [мкм рт.ст.·л/с], по выполнению условия {18} можно судить о герметичности контролируемой НВАБ. При этом сглаживание значений производилось с использованием метода наименьших квадратов. На фиг.5 указаны величины достоверности апроксимации (R2) измеренных и расчетных величин, используемых в расчетном выражении {9}.Taking into account Q add = 0.08 [μm Hg · l / s] and the obtained Q LEAK ≈0.01 [μm Hg · l / s], by fulfilling the condition {18} it is possible to judge the tightness of the controlled NVAB. In this case, the smoothing of values was carried out using the least squares method. Figure 5 shows the values of the approximation confidence (R 2 ) of the measured and calculated values used in the calculated expression {9}.

Необходимая точность и сертификация способа контроля герметичности НВАБ при наземной подготовке и штатной эксплуатации достигается при выполнении нижеследующих мероприятий:The necessary accuracy and certification of the method for monitoring the tightness of NVAB during ground training and regular operation is achieved by the following measures:

- комплектации НВАБ точной измерительной аппаратурой с учетом вторичного преобразования выходного аналогового сигнала в бортовом алгоритме управления, в том числе для следующих параметров: I, Р, Т, Δτ;- completing the NVAB with accurate measuring equipment, taking into account the secondary conversion of the output analog signal in the on-board control algorithm, including for the following parameters: I, P, T, Δτ;

- проведение индивидуальных тарировочных испытаний для каждой НВАБ в части определения технических характеристик с занесением их в формуляр, в том числе для следующих параметров: V0, Т0, Р0, βр, βт, η;- conducting individual calibration tests for each NVAB regarding the definition of technical characteristics with their entry in the form, including for the following parameters: V 0 , T 0 , P 0 , β p , β t , η;

- разработки алгоритма для определения расчетных параметров в части распределения температуры Т(r) по радиусу в цилиндрических слоях НВАБ по входным измеряемым параметрам;- development of an algorithm for determining the design parameters in terms of the temperature distribution T (r) along the radius in the cylindrical layers of the NVAB according to the measured input parameters;

- математической обработки (апроксимации и сглаживания) измеряемых параметров I, P, ТК в целях устранения динамической погрешности от электромагнитных наводок в системе вторичного преобразования сигналов - сглаживание "уровня шума".- mathematical processing (approximation and smoothing) of the measured parameters I, P, T K in order to eliminate the dynamic error from electromagnetic interference in the secondary signal conversion system - smoothing the "noise level".

Работоспособность МВА во многом зависит от целостности и герметичности конструкции ее корпуса. Разрушение конструкции корпуса приводит к полной потере работоспособности. Возможные необратимые утечки рабочего тела при повышенной норме негерметичности приводят к ускоренной деградации ее технических характеристик в процессе штатной (ресурсной) эксплуатации. При этом темп деградации напрямую зависит от величины этих утечек. В случае негерметичности МВА соответствующим образом должна меняться стратегия дальнейшей его эксплуатации при неизбежном снижении технических характеристик аккумулятора по сравнению с нормами технических условий на эксплуатацию.The performance of the MBA largely depends on the integrity and integrity of the design of its housing. Destruction of the housing design leads to a complete loss of performance. Possible irreversible leaks of the working fluid with an increased leak rate lead to accelerated degradation of its technical characteristics during normal (resource) operation. Moreover, the rate of degradation directly depends on the magnitude of these leaks. In the event of an MBA leak, the strategy for its further operation should accordingly change with the inevitable decrease in the technical characteristics of the battery in comparison with the standards of technical conditions for operation.

При проектировании и разработке МВА, применяемых на КА, устанавливаются необходимые нормы негерметичности, позволяющие обеспечить технические характеристики в течение заданного ресурса эксплуатации аккумулятора. В наземной отработке и при проведении приемно-сдаточных испытаний используются различные нормативные методы определения и подтверждения проектной нормы герметичности с использованием специального дорогостоящего наземного оборудования и арматуры (вакуумные стенды, образцовые мановакууметры, масспектрометр и т.д.). Однако применяемые при этом способы контроля не подходят для штатной эксплуатации КА в условиях космического полета.During the design and development of the MBA used on the spacecraft, the necessary leakage standards are established, which make it possible to provide technical characteristics for a given battery life. In ground testing and acceptance tests, various regulatory methods are used to determine and confirm the design tightness standard using special expensive ground equipment and fittings (vacuum stands, reference pressure gauges, mass spectrometer, etc.). However, the control methods used in this case are not suitable for the regular operation of the spacecraft in space flight conditions.

При длительной штатной эксплуатации МВА в составе КА возникает необходимость проверки фактической нормы герметичности с использованием простых средств измерения параметров аккумулятора, входящих в его состав. Такая проверка необходима для правильной оценки технического состояния МВА и подтверждения его электрических ресурсных характеристик при соблюдении условия допустимой герметичности ампулизированного объема с газообразным рабочим телом (водородом).During long-term regular operation of the MBA as part of the spacecraft, it becomes necessary to verify the actual leak rate using simple means of measuring the parameters of the battery included in its composition. Such a check is necessary for the correct assessment of the technical condition of the MBA and confirmation of its electrical resource characteristics, subject to the condition of permissible tightness of the ampouled volume with a gaseous working fluid (hydrogen).

Известный способ-прототип контроля фактической нормы негерметичности по спаду давления не приемлем для штатной эксплуатации МВА в условиях переменной температуры термостатирования и различных режимов работы аккумулятора.The known method is a prototype of the control of the actual leakage rate of pressure drop is not acceptable for the regular operation of the MVA in the conditions of variable temperature control and various operating modes of the battery.

Предлагаемый способ позволяет в условиях космического полета осуществлять текущий (оперативный) контроль герметичности МВА по чувствительности соизмеримый с указанными методами наземного контроля.The proposed method allows for space flight to carry out current (operational) control of the tightness of the MBA sensitivity is comparable with the specified methods of ground control.

Наличие информации о герметичности позволяет строить соответствующую стратегию управления аккумуляторами. Так в случае наличия утечки водорода выше допустимой величины негерметичности для продления срока службы аккумулятора необходимо увеличивать продолжительность его хранения в разряженном состоянии и заряжать в случаях прогнозируемой востребованности электроэнергии от вторичных источников питания. Например, перед прохождением "теневых" участков орбиты КА и до окончания указанных участков производится заряд аккумулятора, далее - хранение в разряженном состоянии. Возможны и другие варианты в стратегии эксплуатации МВА.The availability of leakage information allows you to build an appropriate battery management strategy. So if there is a hydrogen leak above the permissible leakage value, to extend the battery life it is necessary to increase the duration of its storage in the discharged state and charge it in cases of the predicted demand for electricity from secondary power sources. For example, before passing through the “shadow” sections of the spacecraft’s orbit and before the end of the indicated sections, the battery is charged, then storage is in a discharged state. Other options are also possible in the MBA operation strategy.

В случае наличия резервных аккумуляторов необходимо осуществлять переход на них, использовав при этом до конца ресурс негерметичного аккумулятора, а также пересмотреть энергобаланс КА в сторону введения режимов экономии электроэнергии, перевода электроэнергии в другие формы энергии - тепловую, механическую, энергию сжатых газов, на участках полета с избытком генерируемой энергии на борту аппарата и тем самым снизив затраты электроэнергии аккумулятора на критических участках его работы (уменьшить электропотребление на разогрев конструкции, газов и др.).If backup batteries are available, it is necessary to switch to them, using the leaky battery resource to the end, and also review the spacecraft’s energy balance in the direction of introducing energy saving modes, transferring electricity to other forms of energy - thermal, mechanical, compressed gas energy, in flight areas with an excess of generated energy on board the apparatus and thereby reducing the cost of battery power in critical areas of its operation (reduce power consumption by heating the const uktsii, gases and al.).

Указанные меры позволяют продлить срок службы аппарата.These measures allow you to extend the life of the device.

Таким образом представленный способ фактически решает задачу продления срока службы КА в случае утечки газа (водорода) с установленных на аппаратах МВА.Thus, the presented method actually solves the problem of extending the spacecraft life in the event of a gas (hydrogen) leak from MVA devices.

ЛитератураLiterature

1. Липняк Л.В., Панов Н.Г., Щербаков Э.В. Способ контроля герметичности пневмогидросистем. Патент РФ 2086941.1. Lipnyak L.V., Panov N.G., Scherbakov E.V. A method of monitoring the tightness of pneumohydrosystems. RF patent 2086941.

2. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Ленинград, "Химия", Ленинградское отделение. 1989.2. Center B.I., Lyzlov N.Yu. Metal-hydrogen electrochemical systems. Leningrad, "Chemistry", Leningrad branch. 1989.

3. Челяев В.Ф., Никитин В.А., Матренин В.И., Цедилкин А.П. Батарея с металлогазовыми элементами. Патент РФ 2118873.3. Chelyaev V.F., Nikitin V.A., Matrenin V.I., Tsedilkin A.P. Battery with metal-gas elements. RF patent 2118873.

4. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, Москва. 1979.4. B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf. Handbook of Physics. Publishing House "Science", Main Edition of Physics and Mathematics, Moscow. 1979.

5. А.В.Лыков. Теория теплопроводности. Издательство "Высшая школа", Москва. 1967.5. A.V. Lykov. Theory of thermal conductivity. Higher School Publishing House, Moscow. 1967.

6. Л.Н.Розанов. Вакуумная техника. Издательство "Высшая школа", Москва. 1982.6. L.N. Rozanov. Vacuum technology. Higher School Publishing House, Moscow. 1982.

Claims (1)

Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающий измерения давлений внутри корпуса и температур на корпусе металл-водородного аккумулятора, сравнение измеренных значений с предельно допустимыми и определение герметичности по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне, отличающийся тем, что измеряют объем газовой полости металл-водородного аккумулятора, определяют коэффициенты расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений, определяют диапазон значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, производят заряд металл-водородного аккумулятора в пределах указанного диапазона, при этом измеряют номинальный зарядный ток одновременно, в том же диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при его заряде, определяют среднеобъемные значения температур водорода в металл-водородном аккумуляторе, по измеренным значениям зарядного тока и определенным указанным значениям среднеобъемных температур водорода определяют поток водорода от электрохимической реакции в аккумуляторе (Qэх), по измеренным значениям объема газовой полости металл-водородного аккумулятора, температур на его корпусе и давлениям внутри корпуса, определенным значениям коэффициентов расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений определяют барометрический поток водорода в аккумуляторе (Qбар) и о герметичности металл-водородного аккумулятора судят по выполнению условияA method of monitoring the tightness of a metal-hydrogen battery, including measuring pressures inside the case and temperatures on the body of the metal-hydrogen battery, comparing the measured values with the maximum allowable and determining the tightness by finding the measured parameters in the acceptable range, characterized in that the volume of the gas cavity of the metal-hydrogen is measured the battery, determine the expansion coefficients of the housing of the metal-hydrogen battery for the specified measured values of temperature and pressure, determined they determine the range of values of the degree of its charge, within which only hydrogen is released when the metal-hydrogen battery is charged, produce a charge of the metal-hydrogen battery within the specified range, while measuring the nominal charging current at the same time, in the same range of values of the degree of charge of the metal-hydrogen accumulator, within which only hydrogen is released during its charge, determine the volumetric average temperature of hydrogen in a metal-hydrogen battery, Measurements of the values of charging current and determining said values of the volume average hydrogen temperature is determined hydrogen flow from an electrochemical reaction in the battery (Q eh) from measured values of the volume of the gas cavity metal-hydrogen battery, temperature of a housing and pressures inside the cabinet, certain values of the coefficients of expansion of the metal housing -vodorodnogo battery to said measured values of temperature and pressure determine the barometric hydrogen stream in the accumulator (Q bar) and Germ ticity metal-hydrogen battery is judged to fulfill the conditions Qэх-Qбар≤Qдоп,Q eh- Q bar ≤Q add , Qдоп - допустимая величина негерметичности металл-водородного аккумулятора.Q add - allowable leakage value of a metal-hydrogen battery.
RU2004107540/09A 2004-03-16 2004-03-16 Method for checking tightness of metal-hydrogen battery RU2262162C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004107540/09A RU2262162C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for checking tightness of metal-hydrogen battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004107540/09A RU2262162C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for checking tightness of metal-hydrogen battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2262162C1 true RU2262162C1 (en) 2005-10-10

Family

ID=35851330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004107540/09A RU2262162C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for checking tightness of metal-hydrogen battery

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2262162C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461802C2 (en) * 2007-03-23 2012-09-20 Меттлер-Толедо Аг Method of monitoring and/or determining condition of force-measuring device and force-measuring device
CN102865976A (en) * 2012-09-14 2013-01-09 北京理工大学 Method for detecting electrolyte leakage of battery tank and monitoring device using same
CN117147077A (en) * 2023-10-24 2023-12-01 南通辛普森仪器有限公司 Check valve atmospheric pressure durability testing arrangement

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
РОЗАНОВ Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1982, с.156. *
ЦЕНТЕР Б.И., ЛЫЗЛОВ Н.Ю. Металл-водородные электрохимические системы. Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1989, 259, 265-266. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2461802C2 (en) * 2007-03-23 2012-09-20 Меттлер-Толедо Аг Method of monitoring and/or determining condition of force-measuring device and force-measuring device
CN102865976A (en) * 2012-09-14 2013-01-09 北京理工大学 Method for detecting electrolyte leakage of battery tank and monitoring device using same
CN102865976B (en) * 2012-09-14 2015-04-15 北京理工大学 Method for detecting electrolyte leakage of battery tank and monitoring device using same
CN117147077A (en) * 2023-10-24 2023-12-01 南通辛普森仪器有限公司 Check valve atmospheric pressure durability testing arrangement
CN117147077B (en) * 2023-10-24 2024-01-26 南通辛普森仪器有限公司 Check valve atmospheric pressure durability testing arrangement

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8524405B2 (en) Detection of small anode leaks in fuel cell systems
Jensen et al. Pressurized operation of a planar solid oxide cell stack
CN100448100C (en) Nickel-hydride battery life determining method and life determining apparatus
US7788048B2 (en) Apparatus and method for integrating a fuel supply and a fuel level sensing pressure sensor
CN103344920B (en) A kind of method and apparatus that detects cell health state
JP2021501966A (en) Arrangement and usage of fuel cell modules with leak recovery capability
CN103969299A (en) Method For Online Detection Of Liner Buckling In A Storage System For Pressurized Gas
JP6902705B2 (en) Electrochemical hydrogen compressor
EP2487743B1 (en) Fuel cell system
US20210143457A1 (en) Apparatus and method for diagnosing failure in fuel cell system
RU2262162C1 (en) Method for checking tightness of metal-hydrogen battery
Merrouche et al. Improved model and simulation tool for dynamic SOH estimation and life prediction of batteries used in PV systems
US7915854B2 (en) Maximizing energy storage life in a fuel cell system using active temperature compensation
RU2262780C1 (en) Method for tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries
CN101548165B (en) Pressure sensor
CN110651390B (en) Method for detecting leakage in an energy converter system
US20070141404A1 (en) Detecting leakage from a capacitor of a fuel cell system
Zhang et al. Estimating the state of charge of MH-Ni batteries by measuring their stable internal pressure
US7691501B2 (en) Fuel cell system and controlling method thereof
US20230120644A1 (en) Battery module simulation system and method
RU2324262C2 (en) Method for control of power capacity of metal-hydrogen accumulator battery with gas collector
CN112098856A (en) Dynamic measurement method for endurance time of storage battery pack of transformer substation
JP2016115533A (en) Fuel battery system, operation method for the same, fuel container and inactive gas discharge method
CN114062929B (en) Design method of expansion space of lithium battery and equipment for designing expansion space of lithium battery
US20220099252A1 (en) Composite storage tank system for gaseous hydrogen

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130317