RU2294581C1

RU2294581C1 - Method for exploiting hermetic nickel-hydrogen accumulator battery in autonomous system of electric power of earth satellite

Info

Publication number: RU2294581C1
Application number: RU2005121776/09A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Коротких (RU); Виктор Владимирович Коротких; Геннадий Дмитриевич Эвенов (RU); Геннадий Дмитриевич Эвенов
Priority date: 2005-07-11
Filing date: 2005-07-11
Publication date: 2007-02-27

Abstract

FIELD: electric engineering, possible use during operation of nickel-hydrogen accumulator batteries primarily in autonomous electric power systems of geostationary Earth satellites.

SUBSTANCE: method for exploitation of hermetic nickel-hydrogen accumulator battery in autonomous electric power system of Earth satellite is realized by performing charge-discharge cycles, and disabling battery charge on fall of hydrogen pressure in accumulators down to controlled lower level.

EFFECT: increased reliability of method for operation of nickel-hydrogen accumulator battery with preservation of efficiency of its usage, which is achieved due to disabling of charge after receipt, from controlled lower level of accumulators charge, of capacity of predetermined value, with limiting of maximal allowed temperature of accumulators, while value of capacity is corrected during exploitation of accumulator battery based on level of accumulators temperature reached at the end of charge.

1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации герметичных никель-водородных аккумуляторных батарей преимущественно в автономных системах электропитания ИСЗ.The present invention relates to the electrical industry and can be used in the operation of sealed nickel-hydrogen rechargeable batteries mainly in autonomous satellite power supply systems.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи (см. "Металл-водородные электрохимические системы". Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. Ленинград "Химия", Ленинградское отделение, 1989 г. [1], стр.262].A known method of operating a Nickel-hydrogen battery (see. "Metal-hydrogen electrochemical systems." B.I. Tsenter, N.Yu. Lyzlov. Leningrad "Chemistry", Leningrad Branch, 1989 [1], p.262] .

Способ эксплуатации заключается в следующем. При снижении, за счет саморазряда или разряда, давления в аккумуляторах батареи до установленного в алгоритме управления уровня по показаниям аналоговых датчиков давления подключают зарядное устройство к батарее. При повышении, в процессе заряда, давления в аккумуляторах батареи до установленного в алгоритме управления уровня по показаниям аналоговых датчиков давления отключают зарядное устройство от аккумуляторной батареи.The method of operation is as follows. If the pressure in the battery is reduced, due to self-discharge or discharge, to the level set in the control algorithm according to the readings of the analog pressure sensors, the charger is connected to the battery. When the pressure in the batteries rises during the charge to the level set in the control algorithm, the charger disconnects the battery from the battery according to the readings of the analog pressure sensors.

Заряд отключается также при срабатывании контактов дискретного датчика давления, настроенного на предельно допустимое давление.The charge is also switched off when the contacts of the discrete pressure sensor are activated, which is set to the maximum allowable pressure.

Описанный способ позволяет эксплуатировать батарею не на предельных уровнях давления, гибко управлять уровнем заряженности батареи в зависимости от требуемой для питания нагрузки разрядной энергии, т.е. эксплуатировать батарею на минимально необходимом уровне заряженности.The described method allows the battery to be operated at extreme pressure levels, to flexibly control the battery charge level depending on the discharge energy required to power the load, i.e. operate the battery at the minimum required charge level.

Однако этот способ не позволяет эффективно осуществлять управление зарядом при изменениях температуры аккумуляторной батареи. Этот способ можно применять только при какой-то определенной температуре (узком диапазоне температур), так как давление водорода, как и любого газа, зависит от температуры.However, this method does not allow efficient charge control when the temperature of the battery changes. This method can be used only at a certain temperature (a narrow temperature range), since the pressure of hydrogen, like any gas, depends on temperature.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является "способ эксплуатации герметичной никель-водородной батареи, включающий измерение давления водорода в батарее и проведение заряд-разрядных циклов при отклонении величины измеряемого параметра от заданного значения, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру батареи и на основании полученных данных вычисляют плотность водорода, сравнивают полученное значение плотности с заданным, отключают заряд батареи при равенстве или превышении плотности заданной величины и включают заряд батареи при снижении плотности на 5-10% ниже заданного уровня", принятый за прототип (см. патент РФ 2084055, кл. Н 01 М 10/44, 1995 г. [2]).Closest to the invention in technical essence and the achieved results is a "method of operating a sealed nickel-hydrogen battery, comprising measuring the pressure of hydrogen in the battery and conducting charge-discharge cycles when the measured parameter deviates from the set value, characterized in that the battery temperature is additionally measured and on the basis of the data obtained, the hydrogen density is calculated, the obtained density value is compared with the set value, the battery charge is turned off if it is equal or higher (H 01 M 10/44, 1995 G. [2] cm. RF Patent 2084055, cl.) Ii density setpoint and include battery while reducing density by 5-10% below a predetermined level ", adopted as a prototype.

Недостатком известного способа является его низкая функциональная надежность при обеспечении эффективного использования аккумуляторной батареи.The disadvantage of this method is its low functional reliability while ensuring the efficient use of the battery.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности способа эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи с сохранением эффективности ее использования.The aim of the invention is to increase the reliability of the method of operation of a Nickel-hydrogen battery while maintaining the efficiency of its use.

Поставленная цель достигается тем, что отключают заряд после сообщения, от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов, емкости заранее заданной величины, с ограничением ее по предельно допустимой температуре аккумуляторов, причем величину емкости, сообщаемой от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов, корректируют в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи исходя из уровня достигаемой на конец заряда температуры аккумуляторов.This goal is achieved by disconnecting the charge after the message from the controlled lower level of charge of the batteries, the capacity of a predetermined value, limiting it to the maximum permissible temperature of the batteries, and the value of the capacity reported from the controlled lower level of charge of the batteries is adjusted during operation of the battery based on the level reached at the end of the charge of the battery temperature.

Действительно, при эксплуатации аккумуляторной батареи в составе ИСЗ более важным параметром является нижний уровень давления (плотности водорода) в аккумуляторах, иначе говоря, - уровень заряженности аккумуляторов (в сравнении с верхним уровнем), определяющий энергетические возможности автономной системы электропитания, который берется в расчет организацией, эксплуатирующей ИСЗ для обеспечения гарантированной связи потребителей.Indeed, when operating a battery in a satellite, the lower pressure (hydrogen density) in the batteries is a more important parameter, in other words, the battery charge level (compared to the upper level), which determines the energy capabilities of an autonomous power supply system, which is taken into account by the organization operating the satellite to ensure guaranteed communication between consumers.

Поэтому, важнейшей задачей является сохранение именно нижнего уровня заряженности всех аккумуляторов, а это достигается зарядом аккумуляторной батареи до верхнего уровня заряженности, при котором "лучшие" (имеющие меньший саморазряд) аккумуляторы подвергаются перезаряду, но при этом "худшие" (имеющие больший саморазряд) аккумуляторы достигают верхнего уровня их заряженности, что положительно сказывается на емкостных характеристиках аккумуляторной батареи в целом.Therefore, the most important task is to preserve the lowest charge level of all batteries, and this is achieved by charging the battery to the upper charge level, in which the “best” (having less self-discharge) batteries are recharged, but the “worse” (having more self-discharge) batteries reach the upper level of their charge, which positively affects the capacitive characteristics of the battery as a whole.

Следует отметить, что выбор контрольной точки давления или плотности водорода, соответствующих верхнему уровню заряженности, является очень сложной задачей. Ошибка в расчете может привести к тому, что установленный уровень не будет достигнут из-за, так называемого, явления "теплового разгона".It should be noted that the choice of a control point of pressure or hydrogen density corresponding to the upper level of charge is a very difficult task. An error in the calculation can lead to the fact that the set level will not be reached due to the so-called phenomenon of "thermal acceleration".

При превышении температуры аккумуляторов выше расчетной величины, для данной конструкции аккумуляторной батареи, может развиваться явление, так называемого, "теплового разгона", состоящего в том, что дальнейшее повышение температуры при перезаряде вызывает более интенсивное выделение кислорода из положительного электрода и увеличивает активность отрицательного электрода, что увеличивает, в свою очередь, скорость рекомбинации кислорода с водородом и интенсифицирует тепловыделение. В итоге процесс развивается с положительной обратной связью. В этом случае заданного уровня давления или плотности водорода в аккумуляторах можно не достигнуть, что приведет к выводу аккумуляторной батареи из строя. Это снижает эффективность и надежность эксплуатации аккумуляторной батареи.When the temperature of the batteries is higher than the calculated value, for this design of the battery, the phenomenon of so-called "thermal acceleration" may develop, consisting in the fact that a further increase in temperature during recharging causes a more intense release of oxygen from the positive electrode and increases the activity of the negative electrode, which, in turn, increases the rate of recombination of oxygen with hydrogen and intensifies heat release. As a result, the process develops with positive feedback. In this case, the specified level of pressure or hydrogen density in the batteries can not be reached, which will lead to the failure of the battery. This reduces the efficiency and reliability of the battery.

При этом, контролируемый нижний уровень заряженности заранее известен и надежен.At the same time, the controlled lower level of charge is known and reliable in advance.

Известны так же емкостные характеристики аккумуляторной батареи.The capacitive characteristics of a battery are also known.

Поэтому заряд выше контролируемого нижнего уровня на величину заранее заданной емкости, с ограничением ее по предельно допустимой температуре аккумуляторов, эффективен и функционально высоконадежен, так как не может привести к критичному перезаряду аккумуляторной батареи.Therefore, the charge is higher than the controlled lower level by the value of a predetermined capacity, with its restriction on the maximum permissible temperature of the batteries, is efficient and functionally highly reliable, since it cannot lead to a critical recharge of the battery.

Величину заранее заданной емкости в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи корректируют исходя из уровня достигаемой на конец заряда температуры аккумуляторов.The value of a predetermined capacity during operation of the battery is adjusted based on the level reached at the end of the charge temperature of the batteries.

На чертеже приведена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу.The drawing shows a functional diagram of an autonomous power supply system, explaining the work of the proposed method.

Устройство содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через преобразователь напряжения 3, аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 - к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.The device contains a solar battery 1 connected to the load 2 through a voltage converter 3, a battery 4 connected through a charging converter 5 to the solar battery 1, and through a discharge converter 6 to the input of the output filter of the voltage converter 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.At the same time, load 2 in its composition contains an on-board computer, a telemetry system and a command-measuring radio line.

Параллельно аккумуляторной батарее 4 подключено устройство контроля аккумуляторов 7 (в частности, давления аккумуляторов, которое определяет их текущую емкость, и температуры аккумуляторов) аккумуляторной батареи, связанное входом с аккумуляторной батареей 4, а выходом - с нагрузкой 2 (с бортовой ЭВМ).In parallel with the battery 4, a battery monitoring device 7 (in particular, the pressure of the batteries, which determines their current capacity, and battery temperature) is connected to the battery connected to the input of the battery 4 and the output to load 2 (with the on-board computer).

В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи установлен измерительный шунт 8.A measuring shunt 8 is installed in the charge-discharge circuit of the battery.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2 и выпрямителя на диодах D1 и D2.The charging converter 5 consists of a control key 9 controlled by a control circuit 10, a boost booster made on a transformer Tr, transistors T1 and T2 and a rectifier on diodes D1 and D2.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.Bit Converter 6 consists of a control key 11, controlled by a control circuit 12.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.The voltage converter 3 consists of a control key 13, controlled by a control circuit 14, an input filter C1 and an output filter on a diode D, inductor L and capacitor C.

Схемы управления преобразователями 10, 12, 14 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 10 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2.The control circuits of the converters 10, 12, 14 are made in the form of pulse-width modulators input connected to the stabilized voltage buses. The control circuit 10 of the charging Converter 5 is additionally associated with the measuring shunt 8 and the load 2.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 4 работает в основном (98% ресурса) в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 5. Такой режим работы позволяет содержать ее в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.The device operates as follows. During operation, the battery 4 operates mainly (98% of the resource) in the storage mode and periodic recharges from the solar battery 1 through the charging converter 5. This operating mode allows you to keep it in constant readiness in case of emergencies (loss of satellite orientation on the Sun) or on the passage of regular shadow areas of the orbit.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.Power supply of the load 2 is carried out in this case from the solar battery 1 through the voltage Converter 3.

При прохождении теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторной батареи 4 через разрядный преобразователь 6.When passing shadow portions of the orbit, or in violation of the orientation, the load 2 is powered by the battery 4 through the discharge converter 6.

Устройство контроля аккумуляторов 7 контролирует давление и температуру аккумуляторов и передает информацию об их состоянии в нагрузку (бортовую ЭВМ).The battery monitoring device 7 monitors the pressure and temperature of the batteries and transmits information about their condition to the load (on-board computer).

В бортовую ЭВМ "закладывается" программа, реализующая следующие функции:A program that implements the following functions is “embedded” in the on-board computer:

1. Обрабатываются данные по текущему значению давления и температуры аккумуляторов, при необходимости, рассчитывается текущая плотность водорода в аккумуляторах.1. Data on the current value of pressure and temperature of the batteries are processed, if necessary, the current density of hydrogen in the batteries is calculated.

2. При достижении контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов запускается контроль сообщаемой зарядной емкости заранее заданной величины. После сообщения аккумуляторной батарее емкости заранее заданной величины, либо достижения предельно допустимой температуры аккумуляторов, формируется команда на выключение зарядного преобразователя.2. When a controlled lower charge level of the batteries is reached, control of the reported charging capacity of a predetermined value is started. After the battery reports the capacity of a predetermined value, or reaches the maximum permissible temperature of the batteries, a command is formed to turn off the charging converter.

3. При снижении уровня заряженности аккумуляторов до нижнего контролируемого уровня формируется команда на включение зарядного преобразователя и начинается очередной отсчет сообщаемой аккумуляторной батарее емкости с последующим отключением зарядного преобразователя и так далее.3. When the charge level of the batteries decreases to the lower controlled level, a command is formed to turn on the charging converter and the next countdown of the capacity reported by the battery begins, followed by a shutdown of the charging converter and so on.

4. Если снижение уровня заряженности аккумуляторов до нижнего контролируемого уровня произошло в режиме разряда аккумуляторной батареи (например, на "теневом" участке орбиты ИСЗ), то отсчет сообщаемой емкости начинается после появления зарядного тока (выход ИСЗ на освещенный участок орбиты) и достижения уровня заряженности аккумуляторов нижнего контролируемого значения.4. If the decrease in the battery charge level to the lower controlled level occurred in the discharge mode of the battery (for example, in the “shadow” part of the satellite’s orbit), then the reported capacity starts counting after the charging current appears (satellite’s exit to the illuminated part of the orbit) and the charge level is reached batteries of lower controlled value.

5. В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи по результатам анализа телеметрических данных о величине, достигаемой на конец заряда температуры аккумуляторов, периодически, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, корректируют величину емкости, сообщаемой от контролируемого нижнего уровня заряженности аккумуляторов.5. During the operation of the battery, according to the results of the analysis of telemetric data on the value reached at the end of the battery temperature, periodically, according to commands from the Earth through the command and measurement radio line, the value of the capacity reported from the controlled lower charge level of the batteries is adjusted.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет постоянно поддерживать степень заряженности аккумуляторной батареи на высоком уровне, при этом повысить надежность эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи при эффективном ее использовании, а следовательно, повысить надежность автономной системы электропитания и ИСЗ в целом.Thus, the proposed method allows you to constantly maintain the degree of charge of the battery at a high level, while increasing the reliability of the Nickel-hydrogen battery with its effective use, and therefore, increasing the reliability of the autonomous power supply system and satellite as a whole.

Claims

A method of operating a sealed nickel-hydrogen storage battery in an autonomous power supply system of an artificial Earth satellite by conducting charge-discharge cycles, by disabling the charge at a predetermined level of measured degree of charge and battery temperature and turning on the battery charge while lowering the hydrogen pressure in the batteries to a controlled lower charge level, characterized in that the charge is disconnected after communication from a controlled lower charge level of the batteries, the capacity of the charge a predetermined value, with a restriction on the maximum permissible temperature of the batteries, the value of the capacity reported from the controlled lower charge level of the batteries is adjusted during operation of the battery, based on the level reached at the end of the charge of the batteries.