RU2262780C1 - Method for tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries - Google Patents

Method for tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries Download PDF

Info

Publication number
RU2262780C1
RU2262780C1 RU2004107541/09A RU2004107541A RU2262780C1 RU 2262780 C1 RU2262780 C1 RU 2262780C1 RU 2004107541/09 A RU2004107541/09 A RU 2004107541/09A RU 2004107541 A RU2004107541 A RU 2004107541A RU 2262780 C1 RU2262780 C1 RU 2262780C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
battery
hydrogen
metal
charge
tightness
Prior art date
Application number
RU2004107541/09A
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
ков А.Г. Железн (RU)
А.Г. Железняков
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. 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" им. С.П. Королева" filed Critical Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority to RU2004107541/09A priority Critical patent/RU2262780C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2262780C1 publication Critical patent/RU2262780C1/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

Abstract

FIELD: electrical engineering; in-service tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries.
SUBSTANCE: proposed method includes measurement of battery case internal pressure and external temperature, comparison of measurement data with permissible values, and evaluation of battery tightness by compliance of measured parameters with specified range; novelty is measurement of gas density within battery space, evaluation of coefficients of thermal expansion of battery case for mentioned measured temperatures and pressures, evaluation of battery degree of charge within which hydrogen is liberated during battery charge so as to check battery for leakage, primary charging of battery in the range of its degree of charge within which only hydrogen is liberated, and measurement of rated charging current; in the process check leakage of hydrogen from battery gas space is made and additional calibrating value of charging current compensating for absolute statistical error in above-given measured parameters of battery and its charging current is determined by amount of leaks; check leakage is ceased upon exit from its tightness check range, whereupon battery is discharged; then, in the course of battery charges with rated current within degree of battery charge in which only hydrogen is liberated during its charging period, battery is given thermostatic control similar to its primary charge, mean volumetric temperature of hydrogen within battery is evaluated for given range, and electrochemical hydrogen flow within battery (Qech) is determined by charge currents measured during each recharge and by charge current variation value correction, as well as by definite values of mean volumetric hydrogen temperatures; at the same time, barometric hydrogen flow (Qbar) within battery is evaluated in same range, for same measured temperatures and pressures as during primary charge, as well as for definite coefficients of thermal expansion of battery case at mentioned measured temperatures and pressures within battery degree of charge in which only hydrogen is liberated during battery charge, and battery tightness is considered adequate provided condition Qech - Qbar < Qad is satisfied, where Qad is admissible leakage from battery.
EFFECT: provision for in-service tightness check of battery by hydrogen leakage within battery admissible sensitivity level.
2 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 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 the rupture of the vessel is prevented by the choice of margin of safety 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 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 ways, the gas evolution process also depends on the design of the battery itself, the construction of its ECB, the scheme for removing excess battery heat, 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) [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 by in different ways. 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. A temperature control system (STR) of ECB, for example, using heat pipes closed to radiators, heat exchangers (RTOs) [3], can provide the necessary heat release 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.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающем измерения давлений внутри его корпуса и температур на корпусе, 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 для контроля герметичности металл-водородного аккумулятора диапазон значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, производят первичный заряд металл-водородного аккумулятора в диапазоне значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение только водорода и измеряют номинальный зарядный ток, при этом производят контрольную течь водорода из объема газовой полости металл-водородного аккумулятора и по ее значению определяют тарировочную добавочную величину зарядного тока, компенсирующую абсолютную статистическую погрешность вышеуказанных измеряемых параметров металл-водородного аккумулятора и зарядного тока, по выходу из диапазона контроля герметичности прекращают производить контрольную течь и производят разряд металл-водородного аккумулятора, далее, в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора номинальным током в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при его заряде, производят термостатирования металл-водородного аккумулятора, аналогичные первичному его заряду, определяют среднеобъемные значения температур водорода в металл-водородном аккумуляторе для указанного диапазона и по значениям токов заряда, измеряемых при каждом повторном заряде и поправке на тарировочную величину тока заряда, а также определенным значением среднеобъемных температур водорода, определяют электрохимический поток водорода в аккумуляторе (Qэх), одновременно в том же диапазоне, для тех же измеренных значений температур и давлений, что и при первичном заряде, а также определенным значениям коэффициентов расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, определяют барометрический поток водорода в металл-водородном аккумуляторе (Qбар) и о герметичности металл-водородного аккумулятора судят по выполнению условияThe problem is solved in that in a method for monitoring the tightness of a metal-hydrogen battery, including measuring pressure inside its case and temperatures on the case, comparing the measured values with the maximum allowable and determining the tightness by finding the measured parameters in the allowable range, measure the volume of the gas-metal hydrogen cavity accumulator, determine the expansion coefficients of the metal-hydrogen accumulator case for the indicated measured values of temperatures and pressures, determine for for the tightness of the metal-hydrogen accumulator, the range of values of the degree of its charge, within which hydrogen is released when the metal-hydrogen battery is charged, the primary charge of the metal-hydrogen battery is produced in the range of the values of the degree of its charge, within which only hydrogen is released and the nominal charge current, while producing a control flow of hydrogen from the volume of the gas cavity of the metal-hydrogen battery and its value determine the calibration additional value of the charging current, which compensates for the absolute statistical error of the above measured parameters of the metal-hydrogen battery and the charging current, upon leaving the tightness control range, they cease to control the leak and discharge the metal-hydrogen battery, then, during repeated charges of the metal-hydrogen battery with a nominal current in the range of the degree of charge of the metal-hydrogen battery, within which only hydrogen is released and when it is charged, thermostatting of the metal-hydrogen battery is performed, similar to its primary charge, volumetric average temperatures of hydrogen in the metal-hydrogen battery are determined for the indicated range and by the values of the charge currents measured at each repeated charge and the correction for the calibration value of the charge current, and defined as volume average value of the hydrogen temperature is determined electrochemical hydrogen stream in the accumulator (Q Ah) simultaneously in the same range for the same measured zna temperature and pressure, as with the initial charge, as well as certain values of the expansion coefficients of the metal-hydrogen battery housing for the indicated measured temperatures and pressures in the range of the degree of charge of the metal-hydrogen battery, within which only hydrogen is released when the metal hydrogen battery, determine barometric flow of hydrogen into the metal-hydrogen battery (Q bar) and sealing metal-hydrogen battery formed judged by nd 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.

Кроме того, в указанном способе контроля герметичности металл-водородного аккумулятора контрольный сброс водорода в процессе первичного его заряда производят на величину Qдоп для различных условий термостатирования металл-водородного аккумулятора в пределах допустимых значений температур, определяют по каждому сбросу тарировочную добавочную величину зарядного тока, которую учитывают при определении Qэх для аналогичных условий термостатирования в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора.In addition, in the specified method for monitoring the tightness of a metal-hydrogen battery, a control discharge of hydrogen in the process of its initial charge is carried out by Q extra for various conditions of temperature control of the metal-hydrogen battery within the permissible temperature values, a calibration additional charge current value is determined for each discharge, which take into account when determining Q eh for similar thermostating conditions during repeated charges 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 теста;figure 4 - graphs of the measured telemetric parameters of the Nickel-hydrogen battery during the charging test;

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-фиг.3, где введены условные обозначения:The NVAB device is presented in figure 1-figure 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.

ЭХБ 1, находящаяся в заваренном силовом корпусе, состоящем из двух частей 2 и 3 сферической формы и цилиндрической вставки 13, выполняет функции преобразователя энергии.ECB 1, 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 ЭХБ 1, два токовода с герморазъемами 5, позволяющие подводить и снимать с ЭХБ 1 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 ECB 1, two current leads with pressure connectors 5, which allow supplying and removing electric energy from ECB 1, and a nozzle 6 for testing and filling the NVAB with hydrogen.

Кроме этого, производят измерение температур на корпусе НВАБ, устанавливая (наклеивая) в разных местах на поверхности корпуса от трех до шести температурных датчиков. Такие же датчики устанавливают на тепловых трубах [3].In addition, temperature measurements are made on the NVAB housing, installing (gluing) from three to six temperature sensors in different places on the housing surface. The same sensors are installed on heat pipes [3].

В осевой части НВАБ предусмотрены два посадочных места 7 цилиндрической формы для установки испарительной части двух тепловых труб [3], обеспечивающих передачу тепла от ЭХБ 1 к тепловым трубам. Для повышения теплопередачи зазор между конструкцией ЭХБ 1 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 pipes [3], which provide heat transfer from ECB 1 to the heat pipes. To increase heat transfer, the gap between the design of ECB 1 and the seats for installing heat pipes 7 is filled with heat-conducting paste.

Крепление ЭХБ 1 к первой полусфере 2 производится с помощью гайки 8 с последующей сваркой стыков между центральной шпилькой 9 и переходником центральной шпильки корпуса 10.The ECB 1 is fastened 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 ЭХБ 1 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 ECB 1 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 ensures 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.

ЭХБ 1 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.ECB 1 contains electrical groups consisting of a negative hydrogen gas diffusion electrode made in the form of a metal gilded nickel grid with a catalyst embedded in it (platinum with fluoroplastic), a positive oxide-nickel electrode (ONE), which is a highly porous nickel structure filled with hydroxide nickel.

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 [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 of permissible pressure increase inside the battery case at rated charging current [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(ОН)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 battery capacity. The average potential of one element during a discharge is ~ 1.25 ... 1.3 V.

Для примера возьмем ЭХБ1 в виде пакета [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 [3], consisting of eighteen battery cells connected in series, interconnecting electrical groups.

Примем также для контроля герметичности аккумулятор, 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 also take for monitoring the tightness of the battery 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 flow of hydrogen (generalized Faraday law in differential form - [4], p. 388).

Figure 00000002
Figure 00000002

гдеWhere

μH2=2 - киломольная масса водорода, [кг/кмоль];μ H2 = 2 - kilomol 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 зарядно-разрядных циклах НВАБ, [А];I (τ) is the measured current value in the charge-discharge cycles of NVAB, [A];

η=η(С/СHOM, ТЭХБ, I; nЦ) - рассчитываемое значение кпд по току в режиме заряда (сложная эмпирическая функция многих переменных), [-];η = η (С / С HOM , T ECB , I; n C ) - calculated value of current efficiency in charge mode (a complex empirical function of many variables), [-];

С/СHOM - рассчитываемая степень заряженности НВАБ, [-];С / С HOM - 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) The barometric flow rate of hydrogen (Mendeleev-Clapeyron equation in differential form - [4], p. 151).

Figure 00000003
Figure 00000003

гдеWhere

VH2(Р, ТK) - рассчитываемый объем, занимаемый газообразным водородом в НВАБ (техническая система измерений), [л];V H2 (P, T K ) - 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 ];

ТH2(τ) - рассчитываемая среднеобъемная температура водорода в НВАБ, [°С];T H2 (τ) is the calculated volumetric average temperature of hydrogen in NVAB, [° С];

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

kP=9,81·10 - переводной коэффициент для измерения давления в системе СИ, [(Н/м2)кгс/см2)];k P = 9.81 · 10 - 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 flow (leak) through the gas-permeable shell of the NVAB housing and sealing structural elements (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

гдеWhere

T(r) - рассчитываемое распределение температуры по радиусу в цилиндрических слоях НВАБ;T (r) is the calculated distribution of 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) Рассчитываемый объем газообразного водорода с учетом "дыхания" сферического корпуса НВАБ от факторов температуры и давления.5) The calculated volume of gaseous hydrogen, taking into account the "respiration" of the spherical housing of the NVAB, from temperature and pressure factors.

Figure 00000007
Figure 00000007

гдеWhere

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

βT - температурный коэффициент линейного расширения материала корпуса, [1/°С];β T - temperature coefficient of linear expansion of the material of the body, [1 / ° C];

Figure 00000008
Figure 00000008

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

Δt=(ТK0) - 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 βP при ТK0=Const;R K - excess test pressure to determine the coefficient β P at T K = T 0 = Const;

ΔLK - измеренное линейное удлинение окружности корпуса под действием фактора испытательного давления РK, [мм];ΔL K is the measured linear elongation of the circumference of the body under the influence of the test pressure factor P K , [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) Norm of leakage (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 flow is [6, p. 156]):

Figure 00000009
Figure 00000009

гдеWhere

Figure 00000010
Figure 00000010

- 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=(τ2-τ1) - продолжительность способа контроля герметичности, [с];Δτ = (τ 2 -τ1) - 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 mercury column · 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 βт и βp (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 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. For this, we use the well-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, p. 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 GЭХ 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 ТH2 на измеренное значение температуры корпуса ТK.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 G EH from the measured charging current when charging the battery 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 the minimum intrinsic heat release of the NAB and, as a consequence, the stability and uniformity of the temperature distribution over the battery design, which allows the accuracy of replacing the calculated value of the average volumetric temperature of hydrogen T H2 to the measured value of the housing temperature T K.

Исходя из указанных предпосылок, на фиг.4 произведен выбор указанной области для НВАБ, установленной на КА "Ямал-100" и находящейся в зарядном цикле.Based on these prerequisites, figure 4 made the selection of the specified area for NVAB installed on the spacecraft "Yamal-100" and located in the charging cycle.

На фиг.4 дополнительно введены обозначения:In Fig. 4, the following notation is introduced:

ТTT - температура тепловых труб в зоне их установки на РТО (см. [3]); TT TT is the temperature of the heat pipes in the zone of their installation on the PTO (see [3]);

W - текущие значения уровня заряженности НВАБ, определяемые по выражению:W - current values of the level of charge of the NVAB, determined by the expression:

Figure 00000011
Figure 00000011

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 ];

Р - рабочее давление в НВАБ, [кгс/см2].P - working pressure in NVAB, [kgf / cm 2 ].

Для реализации способа принято значение относительной заряженности W=(0,1...03) WНОМ) на интервале времени Δτ≈1,5 ч.To implement the method, the value of the relative charge W = (0.1 ... 03) W NOM ) in the time interval Δτ≈1.5 hours

Область практической реализации выделена прямоугольником. Как видно из фрагментов графиков, принадлежащих области, наблюдается линейный рост Р и W при I≈const, ТK≈const и ТTT≈const.The area of practical implementation is highlighted by a rectangle. As can be seen from the fragments of the graphs belonging to the region, a linear increase in P and W is observed at I≈const, Т K ≈const and Т TT ≈const.

Таким образом, указанная область ограничена пределами для выделяющегося водорода в процессе заряда, при этом η≈1.Thus, this region is limited by the limits for the released hydrogen in the process of charge, with η≈1.

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

гдеWhere

Figure 00000013
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 для QЭХ:Determine the average value of the temperature of hydrogen during the implementation of the method for Q SEC :

Figure 00000017
Figure 00000017

гдеWhere

ТK(τ) - измеренная температура корпуса;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

гдеWhere

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

ΔР=Р(τ)-РО - текущая разность давления, [кгс/см2];ΔР = Р (τ) -Р О - 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 QЭЛ:Determine the average measured value of the charging current during the implementation of the method for Q EL :

где Ii - текущие измеренные значения зарядного тока в области реализацииwhere I i - current measured values of the charging current in the field of implementation

Figure 00000020
Figure 00000020

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

Figure 00000021
Figure 00000021

В случае выполнения условия {19} можно судить о герметичности МВА. Для увеличения чувствительности способа контроля предлагается дополнительно согласованная тарировка измеряемых параметров I, P, ТK на соответствие фактической норме негерметичности к моменту начала штатной (ресурсной) эксплуатации в целях устранения статической абсолютной погрешности измерения.If condition {19} is fulfilled, one can judge the tightness of the MBA. To increase the sensitivity of the control method, an additionally agreed calibration of the measured parameters I, P, T K for compliance with the actual leak rate at the time of the start of standard (resource) operation in order to eliminate the static absolute measurement error is proposed.

Производится тарировка нижеследующим образом.The calibration is as follows.

На штуцер 6 (см. фиг.1) устанавливается перепускной клапан с тарированной насадкой на контрольную течь (QТАР) и в процессе первичного заряда аккумулятора в пределах рассмотренного ранее диапазона с выделением только водорода открывают клапан. Таким образом производят контрольную течь водорода из объема газовой полости аккумулятора. При этом измеряют зарядный ток (IИЗМ).On the nozzle 6 (see Fig. 1), a bypass valve with a calibrated nozzle for the control leak (Q TAP ) is installed and during the initial charge of the battery within the previously considered range with the release of only hydrogen, open the valve. Thus produce a control flow of hydrogen from the volume of the gas cavity of the battery. In this case, the charging current is measured (I ISM ).

Тарировочная добавка ΔIТАР для зарядного тока, компенсирующая абсолютную статистическую погрешность комплекса измеряемых параметров, определяется по фактически измеряемым и расчетным параметрам, полученным в процессе первичного заряда из тождественного уравнения {10} с подстановкой {11, 12} для фактической нормы негерметичности (QТАР):Calibration additive ΔI TAP for the charging current, which compensates for the absolute statistical error of the complex of measured parameters, is determined by the actually measured and calculated parameters obtained during the initial charge from the identity equation {10} with the substitution {11, 12} for the actual leak rate (Q TAP ) :

Figure 00000022
Figure 00000022

После проведения указанного первичного заряда аккумулятор разряжаем. При этом потерями водорода из объема газовой полости, в виду их малости, пренебрегаем.After the specified initial charge, the battery is discharged. In this case, the losses of hydrogen from the volume of the gas cavity, in view of their smallness, are neglected.

Далее вводим значение оттарированного среднего значения зарядного тока (ICP) для реализации способа:Next, enter the value of the calibrated average value of the charging current (I CP ) to implement the method:

Figure 00000023
Figure 00000023

Из выражения {20} следует, что указанная тарировочная величина будет наиболее соответствовать температуре (температурному диапазону) Тср, для которого проводились испытания. Поэтому, в процессе повторных зарядов аккумулятора номинальным током в диапазоне значений степени заряженности аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода, производим термостатирование аккумулятора, аналогичные первичному его заряду.From the expression {20} it follows that the indicated calibration value will most closely correspond to the temperature (temperature range) T cf for which the tests were carried out. Therefore, in the process of recharging the battery with a rated current in the range of the degree of charge of the battery, within which only hydrogen is released, we perform thermostating of the battery, similar to its initial charge.

Указанное термостатирование производится при помощи средств СТР как самого аккумулятора (см. [3]), так и, например, отсека КА, в котором МВА находится.The indicated thermostating is carried out using the STR means of both the battery itself (see [3]) and, for example, the spacecraft compartment in which the MBA is located.

В процессе повторных зарядов аккумулятора, выражение {10} с подстановкой {11, 12, 21} для рассчитываемой текущей нормы негерметичности будет иметь вид:In the process of repeated charges of the battery, the expression {10} with the substitution {11, 12, 21} for the calculated current leak rate will look like:

Figure 00000024
Figure 00000024

где QЭХ - поток водорода в аккумуляторе от электрохимической реакции с учетом поправки на тарировочную величину тока заряда.where Q EC is the hydrogen flow in the battery from the electrochemical reaction, taking into account the correction for the calibration value of the charge current.

А сравнение текущей и допустимой норм негерметичности необходимо производить по выражениюA comparison of the current and permissible leak rates must be made by the expression

Figure 00000025
Figure 00000025

В случае выполнения условия {19} можно судить о герметичности МВА. Пример расчета степени герметичности НВАБ КА "Ямал-100" с учетом ΔITAP приведен на фиг.5.If condition {19} is fulfilled, one can judge the tightness of the MBA. An example of calculating the degree of tightness of NVAB spacecraft "Yamal-100" taking into account ΔI TAP is shown in Fig.5.

При этом приняты нижеследующие расчетные значения:In this case, the following calculated values are accepted:

QТАР=QДОП=0,08 [мкм рт.ст.·л/с];Q TAP = Q DOP = 0.08 [μm Hg · l / s];

IИЗМ =8,320534, [А];I MOD = 8.320534, [A];

ТCP=8,977064, [С];T CP = 8.977064, [C];

(Р·θ)Δτ=5,5144, [(кгс/см2)ч]; V0=16, [л].(P · θ) Δτ = 5.5144, [(kgf / cm 2 ) h]; V 0 = 16, [l].

Подставив указанные значения в расчетное выражение {20}, получимSubstituting the indicated values into the calculated expression {20}, we obtain

ΔITAP=2,674078 [А].ΔI TAP = 2.674078 [A].

Указанное значение было получено в процессе наземных испытанийThe indicated value was obtained during ground tests.

НВАБ для температурного отрезка [T'CP]≈[8...30 °C].NVAB for the temperature range [T ' CP ] ≈ [8 ... 30 ° C].

Далее по выражению {22}, подставив измеренные значения, полученные в выделенной области практической реализации способа (см. фиг.4):Further, according to the expression {22}, substituting the measured values obtained in the selected area of the practical implementation of the method (see figure 4):

IИЗМ=8,49138, [А];I MOD = 8.49138, [A];

ТCP=13,1667, [°С]; ТCP∈[Т'CP]T CP = 13.1667, [° C]; T CP ∈ [T ' CP ]

(Р·θ)Δτ=5,6833, [(кгс/см2)ч],(P · θ) Δτ = 5.6833, [(kgf / cm 2 ) h],

получим значение QТЕЧИ=0,0672 мкм рт.ст.·л/с. Сравниваем полученное значение с допустимым и производим заключение о герметичности НВАБ.we obtain the value of Q LEAK = 0.0672 μm Hg · l / s. We compare the obtained value with the permissible one and draw a conclusion on the tightness of the NVAB.

Для повышения точности в определении фактической нормы негерметичности, осуществлялось сглаживание "динамического уровня шума" измеряемых параметров.To increase the accuracy in determining the actual leak rate, the "dynamic noise level" of the measured parameters was smoothed out.

Наибольший уровень динамической погрешности измеренных параметров отмечается для зарядного тока. Поэтому в качестве IИЗМ принято отработанное измеренное текущее значение зарядного тока Ii, с учетом величины достоверности апроксимации (R2). Сглаживание "динамического уровня шума" производилось с использованием математического аппарата по методу наименьших квадратов.The highest level of dynamic error of the measured parameters is noted for the charging current. Therefore, as the I ISM , the spent measured current value of the charging current Ii is accepted, taking into account the approximation reliability value (R 2 ). Smoothing the "dynamic noise level" was carried out using a mathematical apparatus using the least squares method.

Величину контрольной течи аккумулятора Qtap можно выбирать по-разному, исходя из последующей плановой стратегии эксплуатации аккумулятора. Например, в случае доступности периодического контроля при помощи внешних средств контроля (масс-спектрометров, образцовых мановакууметров и т.д.), не установленных на самом аккумуляторе, чувствительность способа можно уменьшить путем увеличения Qtap, до выполнения условияThe control leakage of the Q tap battery can be selected in different ways, based on the subsequent planned strategy for battery operation. For example, if periodic monitoring is available using external controls (mass spectrometers, exemplary pressure gauges, etc.) that are not installed on the battery itself, the sensitivity of the method can be reduced by increasing Q tap , until the condition

Figure 00000026
Figure 00000026

Указанный подход может позволить снизить несколько требования к точности измерений параметров I, Р, ТK, Δτ. Снять требование к проведению индивидуальных тарировочных испытаний для каждой НВАБ (например, для большой партии для удешевления процесса испытаний) и т.д.The indicated approach can make it possible to reduce several requirements for the accuracy of measurements of the parameters I, P, T K , Δτ. Remove the requirement for conducting individual calibration tests for each NVAB (for example, for a large batch to reduce the cost of the test process), etc.

В случае повышенных требований, для выполнения условияIn case of increased requirements, to fulfill the condition

Figure 00000027
Figure 00000027

требования к измерительной аппаратуре возрастают, усложняются алгоритмы контроля в плане математической обработки измеряемых параметров (апроксимация и сглаживание в целях устранения динамической погрешности). Может понадобиться проведение нескольких тарировочных испытаний ("первичных зарядов") для статистической обработки полученных результатов (например, с последующей дозаправкой аккумулятора водородом и т.д., что увеличит стоимость испытаний и эксплуатации МВА.the requirements for measuring equipment are increasing, control algorithms are becoming more complicated in terms of the mathematical processing of the measured parameters (approximation and smoothing in order to eliminate dynamic error). It may be necessary to conduct several calibration tests (“primary charges”) for statistical processing of the results obtained (for example, followed by refueling the battery with hydrogen, etc., which will increase the cost of testing and operating the MBA.

С точки зрения оптимизации соотношение цены и качества предлагается исходить из необходимой достаточности контроля и контрольную течь водорода в процессе первичного заряда аккумулятора производить на величинуFrom the point of view of optimization, the ratio of price and quality is proposed to proceed from the necessary sufficiency of control and to control the hydrogen flow in the process of the initial charge of the battery by

Figure 00000028
Figure 00000028

для различных условий термостатирования аккумулятора в пределах допустимых значений температур. Далее определять для каждого из условий тарировочную добавочную величину зарядного тока, которую затем учитывать при определении QЭХ для аналогичных условий термостатирования в процессе повторных зарядов аккумулятора.for various conditions of temperature control of the battery within the permissible temperature values. Next, determine for each of the conditions a calibration incremental value of the charging current, which then should be taken into account when determining the Q SEC for similar thermostating conditions during repeated charges of the battery.

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: Vo, То, Ро, βр, βт, η;- conducting individual calibration tests for each NVAB regarding the determination of technical characteristics with their entry in the form, including for the following parameters: V o , T o , P o , β p , β t , η;

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

- математической обработки (апроксимации и сглаживания) измеряемых параметров I, P, ТK в целях устранения динамической погрешности от электромагнитных наводок в системе вторичного преобразования сигналов - сглаживание "уровня шума". 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.- 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". 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 приемосдаточных испытаний используются различные нормативные методы определения и подтверждения проектной нормы герметичности с использованием специального дорогостоящего наземного оборудования и арматуры (вакуумные стенды, образцовые мановакууметры, масс-спектрометр 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, standard 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, in order 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 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 и т.д., а 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.). Указанные меры позволяют продлить срок службы аппарата. Таким образом представленный способ фактически решает задачу продления сроков службы КА, в случае утечки газа (водорода) с установленных на аппаратах МВА.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, etc. ., and in flight areas with an excess of generated energy on board the device and thereby reducing the cost of battery power in critical areas of its operation (reduce power consumption during heating construction, gases, etc.). These measures allow you to extend the life of the device. Thus, the presented method actually solves the problem of extending the spacecraft service life in the event of a gas (hydrogen) leak from MVA devices installed.

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 (2)

1. Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающий измерения давлений внутри его корпуса и температур на корпусе, 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 для контроля герметичности металл-водородного аккумулятора диапазон значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, производят первичный заряд металл-водородного аккумулятора в диапазоне значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение только водорода и измеряют номинальный зарядный ток, при этом производят контрольную течь водорода из объема газовой полости металл-водородного аккумулятора и по ее значению определяют тарировочную добавочную величину зарядного тока, компенсирующую абсолютную статистическую погрешность вышеуказанных измеряемых параметров металл-водородного аккумулятора и зарядного тока, по выходу из диапазона контроля герметичности прекращают производить контрольную течь и производят разряд металл-водородного аккумулятора, далее в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора номинальным током в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при его заряде, производят термостатирования металл-водородного аккумулятора, аналогичные первичному его заряду, определяют среднеобъемные значения температур водорода в металл-водородном аккумуляторе для указанного диапазона и по значениям токов заряда, измеряемых при каждом повторном заряде и поправке на тарировочную величину тока заряда, а также определенным значением среднеобъемных температур водорода, определяют электрохимический поток водорода в аккумуляторе (Qэх) одновременно в том же диапазоне, для тех же измеренных значений температур и давлений, что и при первичном заряде, а также определенным значениям коэффициентов расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, определяют барометрический поток водорода в металл-водородном аккумуляторе (Qбар) и о герметичности металл-водородного аккумулятора судят по выполнению условия1. A method of monitoring the tightness of a metal-hydrogen battery, including measuring pressures inside its case and temperatures on the case, 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 battery is measured determine the expansion coefficients of the housing of the metal-hydrogen battery for the specified measured values of temperatures and pressures, determine for control hermetically In the case of a metal-hydrogen accumulator, the range of values of the degree of its charge, within which hydrogen is released when the metal-hydrogen battery is charged, the primary charge of the metal-hydrogen battery is produced in the range of values of the degree of its charge, within which only hydrogen is released and the nominal charging current is measured at the same time, a control hydrogen leak is produced from the volume of the gas cavity of the metal-hydrogen accumulator and the calibration additional value is determined by its value the charge current, which compensates for the absolute statistical error of the above measured parameters of the metal-hydrogen battery and the charging current, upon leaving the tightness control range, stop the control leak and discharge the metal-hydrogen battery, then during repeated charges of the metal-hydrogen battery with a rated current in the range the degree of charge of the metal-hydrogen battery, within which only hydrogen is released when it is charged, Thermostatic control of the metal-hydrogen battery is carried out, similar to its initial charge, volumetric average temperatures of hydrogen in the metal-hydrogen battery are determined for the specified range and from the values of the charge currents measured at each repeated charge and the correction for the calibration value of the charge current, as well as a certain value of the average volumetric temperatures hydrogen, determine the electrochemical flow of hydrogen in the battery (Q eh ) simultaneously in the same range for the same measured temperatures and pressures, as with the initial charge, as well as certain values of the expansion coefficients of the metal-hydrogen battery housing for the indicated measured temperatures and pressures in the range of the degree of charge of the metal-hydrogen battery, within which only hydrogen is released when the metal-hydrogen battery is charged, determine the barometric flow of hydrogen in the metal-hydrogen battery (Q bar ) and the tightness of the metal-hydrogen battery is judged by the fulfillment of the condition 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. 2. Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора по п.1, отличающийся тем, что контрольный сброс водорода в процессе первичного его заряда производят на величину Qдоп для различных условий термостатирования металл-водородного аккумулятора в пределах допустимых значений температур, определяют по каждому сбросу тарировачную добавочную величину зарядного тока, которую учитывают при определении Qэх для аналогичных условий термостатирования в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора.2. The method for monitoring the tightness of a metal-hydrogen battery according to claim 1, characterized in that the control discharge of hydrogen in the process of its initial charge is carried out by Q extra for various conditions of temperature control of the metal-hydrogen battery within the permissible temperature values, calibration is determined for each discharge the additional value of the charging current, which is taken into account when determining Q eh for similar thermostating conditions during repeated charges of a metal-hydrogen battery.
RU2004107541/09A 2004-03-16 2004-03-16 Method for tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries RU2262780C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004107541/09A RU2262780C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2004107541/09A RU2262780C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2262780C1 true RU2262780C1 (en) 2005-10-20

Family

ID=35863202

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2004107541/09A RU2262780C1 (en) 2004-03-16 2004-03-16 Method for tightness checkup of metal-hydrogen storage batteries

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2262780C1 (en)

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, с.265-266. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tian et al. Fractional-order model-based incremental capacity analysis for degradation state recognition of lithium-ion batteries
Ziogou et al. Modeling, simulation and experimental validation of a PEM fuel cell system
Jensen et al. Pressurized operation of a planar solid oxide cell stack
Lee et al. Integrated microsensor for real-time microscopic monitoring of local temperature, voltage and current inside lithium ion battery
US7788048B2 (en) Apparatus and method for integrating a fuel supply and a fuel level sensing pressure sensor
EP3734744B1 (en) Explosion pressure prediction system for medium- and large-size cell module, and method for predicting explosion pressure of medium- and large-size cell module
CN108206293B (en) Method and apparatus for detecting damage to a fuel cell stack and adjusting operating characteristics in a fuel cell system
CN101103481A (en) Method and system for operating molten carbonate fuel cells
RU2262162C1 (en) Method for checking tightness of metal-hydrogen battery
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
Soto et al. Influence of renewable power fluctuations on the lifetime prediction of lithium-ion batteries in a microgrid environment
US6407553B1 (en) Strain gages for determining charge of a battery having a thin walled pressure vessel
CN110651390B (en) Method for detecting leakage in an energy converter system
US20020037445A1 (en) Method for operating a fuel cell battery
US20070141404A1 (en) Detecting leakage from a capacitor of a fuel cell system
KR20180031369A (en) Management system for fuel cell
Zhang et al. Estimating the state of charge of MH-Ni batteries by measuring their stable internal pressure
JP4300315B2 (en) Gas leak evaluation device
CN114577847A (en) Lithium battery charging and discharging heat production measuring method based on isothermal differential calorimetry
RU2324262C2 (en) Method for control of power capacity of metal-hydrogen accumulator battery with gas collector
US20070141429A1 (en) Storing energy in a fuel cell system
US20070141428A1 (en) Preventing backfeeding of current to a fuel cell stack from energy storage
EP4092803A1 (en) Battery module simulation system and method
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: 20110317