RU2313160C1

RU2313160C1 - Method for making nickel-hydrogen storage battery ready for full-time service in power supply system of artificial earth satellite

Info

Publication number: RU2313160C1
Application number: RU2006109094/09A
Authority: RU
Inventors: Антон Михайлович Попугаев (RU); Антон Михайлович Попугаев; Виктор Владимирович Коротких (RU); Виктор Владимирович Коротких; Геннадий Дмитриевич Эвенов (RU); Геннадий Дмитриевич Эвенов; Михаил Юрьевич Сахнов (RU); Михаил Юрьевич Сахнов
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-12-20

Abstract

FIELD: electrical engineering; off-line power supplies for artificial earth satellites.

SUBSTANCE: proposed method for making nickel-hydrogen storage batteries ready for full-time service in off-line power supply systems of primarily geostationary artificial earth satellites includes thermostatic control of storage battery at temperatures ranging between 5 and 25 °C; in the course of starter charge battery is subjected to thermostatic control at low temperature level of 5 to 8 °C and prior to placing it in full-time service, at high temperature level of 5 to 8 °C.

EFFECT: enhanced efficiency.

2 cl, 3 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных (НВ) аккумуляторных батарей (АБ) в системах электропитания преимущественно геостационарных искусственных спутников Земли (ИСЗ).The present invention relates to the electrical industry and can be used in the operation of nickel-hydrogen (HB) rechargeable batteries (AB) in power systems of mainly geostationary artificial Earth satellites (AES).

Как известно, вывод ИСЗ на геостационарную орбиту связан с длительным нахождением аппарата на переходной орбите в течение 7-10 часов, когда основной источник электроэнергии - солнечная батарея (БС) - находится в сложенном состоянии, а электропитание аппаратуры обеспечивается только от аккумуляторной батареи. Энергия аккумуляторной батареи требуется и тогда, когда происходит раскрытие панелей БС, поиск Солнца и ориентация панелей, что занимает дополнительно еще 3 часа. Возможные задержки в ориентации также приводят к увеличению времени работы бортовой аппаратуры только от аккумуляторной батареи.It is known that the satellite’s launch into geostationary orbit is associated with a long stay in the transitional orbit for 7-10 hours, when the main source of electricity - the solar battery (BS) - is in the folded state, and the equipment is powered only from the battery. The energy of the battery is required even when the BS panels are opened, the search for the Sun and the orientation of the panels take an additional 3 hours. Possible delays in orientation also lead to an increase in the operating time of the on-board equipment only from the battery.

Таким образом, на участке выведения ИСЗ на геостационарную орбиту, проведения ориентации панелей БС на Солнце предъявляются очень высокие требования к энергии аккумуляторной батареи, которые в свою очередь обеспечиваются как типом электрохимической системы аккумулятора (например никель-водородный), так и эффективностью ее стартового заряда.Thus, at the site of launching the satellite into geostationary orbit, the orientation of the BS panels in the sun, very high demands are placed on the energy of the battery, which in turn is provided by both the type of the electrochemical system of the battery (for example, nickel-hydrogen) and the efficiency of its starting charge.

Известен способ эксплуатации герметичного аккумулятора путем проведения заряд-разрядных циклов с отключением от заряда по заданному конечному напряжению и периодическому подзаряду (Авторское свидетельство СССР №260714, кл. Н01М 10/44, 1968). Однако зарядная кривая герметичных никель-водородных аккумуляторов не имеет резко выраженного напряжения соответствующего полной заряженности. Кроме того, величина зарядного напряжения меняется в зависимости от температуры, при которой происходит заряд. Это не дает возможности надежно контролировать степень заряженности аккумулятора.A known method of operating a sealed battery by conducting charge-discharge cycles with disconnection from the charge at a given final voltage and periodic recharge (USSR Author's Certificate No. 260714, class N01M 10/44, 1968). However, the charging curve of sealed nickel-hydrogen batteries does not have a pronounced voltage corresponding to full charge. In addition, the magnitude of the charging voltage varies depending on the temperature at which the charge occurs. This makes it impossible to reliably control the degree of charge of the battery.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают, исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных давления и температуры аккумуляторов (патент №2084055, Н01М 10/44), который выбран в качестве прототипа.A known method of operating a Nickel-hydrogen battery, according to which the charge of the battery is limited based on the density of hydrogen calculated on the basis of the measured pressure and temperature of the batteries (patent No. 2084055, H01M 10/44), which is selected as a prototype.

Недостатком известного способа является то, что он обеспечивает заряд аккумуляторной батареи только до уровня (60-80)% номинальной емкости. Попытки установить уровень заряженности более 80% номинальной емкости приводят к повышению тепловыделения и повышению температуры аккумуляторов.The disadvantage of this method is that it provides a charge of the battery only up to the level of (60-80)% of the nominal capacity. Attempts to establish a charge level of more than 80% of the nominal capacity lead to an increase in heat generation and an increase in battery temperature.

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 заданный уровень плотности водорода в аккумуляторах (согласно патенту №2084055, Н01М 10/44) не достигается, что 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 the 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 increases in turn, the rate of oxygen and hydrogen recombination intensifies the heat release. As a result, the process develops with positive feedback. In this case, the specified level of hydrogen density in the batteries (according to the patent No. 2084055, Н01М 10/44) is not achieved, which reduces the efficiency and reliability of the battery.

Экспериментально установлено, что зона риска выхода НВ батареи на тепловой разгон находится выше 25°С температуры окружающей среды или посадочного места корпуса батареи.It has been experimentally established that the risk zone for the HB battery to reach thermal acceleration is above 25 ° C in ambient temperature or in the seat of the battery case.

Целью предлагаемого изобретения является повышение эффективности использования никель-водородной аккумуляторной батареи, на участке выведения геостационарного ИСЗ.The aim of the invention is to increase the efficiency of using a nickel-hydrogen storage battery in the geostationary satellite launch site.

Поставленная цель достигается тем, что при проведении стартового заряда АБ термостатирование производят на нижнем уровне заданного диапазона температур, а перед началом штатной эксплуатации - на верхнем уровне. Кроме того, нижний уровень температуры устанавливают в диапазоне (5÷8)°С, а верхний - в диапазоне (15÷25)°С.This goal is achieved by the fact that during the starting charge of the battery, thermostating is carried out at the lower level of the specified temperature range, and before the start of normal operation - at the upper level. In addition, the lower temperature level is set in the range (5 ÷ 8) ° С, and the upper one in the range (15 ÷ 25) ° С.

Суть предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена зависимость разрядной емкости НВ батареи от рабочей температуры, на фиг.2 представлены кривые саморазряда НВ-70 для различных температур, а на фиг.3 изображена схема термостатирования космической головной части на стартовом комплексе при проведении стартового заряда.The essence of the proposed solution is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows the dependence of the discharge capacity of the HB battery on operating temperature, Fig. 2 shows the self-discharge curves of HB-70 for various temperatures, and Fig. 3 shows the temperature control scheme of the space head at the launch complex at holding a starting charge.

Известна зависимость (фиг.1) разрядной емкости НВ батареи от температуры окружающей среды, в соответствии с которой пик отдаваемой емкости приходится на диапазон температур (15÷25)°С (см. НПК "САТУРН" Отчет о НИР "Создание никель-водородных аккумуляторов емкостного ряда 40...60 и 80...130 А·ч для систем электропитания объектов общей техники" 1991 г., стр.68).The dependence (Fig. 1) of the discharge capacity of the HB battery on the ambient temperature is known, according to which the peak of the delivered capacity falls on the temperature range (15 ÷ 25) ° С (see NPK "SATURN" Research Report "Creating nickel-hydrogen batteries capacitive row 40 ... 60 and 80 ... 130 A · h for power supply systems for objects of general equipment "1991, p. 68).

В то же время проведенные исследования поведения НВ аккумуляторов и батарей при заряде показали, что оно может быть полностью описано кривой саморазряда НВ аккумулятора. Кривая саморазряда является абсолютным индикатором величины емкости, которую можно сообщить батарее в разных температурных условиях.At the same time, studies of the behavior of HB accumulators and batteries during charging showed that it can be completely described by the self-discharge curve of a HB battery. The self-discharge curve is an absolute indicator of the amount of capacity that can be reported to the battery in different temperature conditions.

На фиг.2 приведены кривые саморазряда широко применяемого на отечественных геостационарных ИСЗ аккумулятора НВ-70 для двух температур: 5°С и 20°С.Figure 2 shows the self-discharge curves of the NV-70 battery widely used in domestic geostationary satellites for two temperatures: 5 ° C and 20 ° C.

Кривая саморазряда при заряде при температуре 20°С показывает, что добиться 100% степени заряженности без значительного тепловыделения невозможно. Однако уже при температуре 5°С, что является нижним пределом, обусловленным требованиями к тепловому режиму внутри КГЧ, тепловыделение аккумулятора практически отсутствует, что позволяет достичь 100% заряженности аккумулятора (батареи). Это правомерно и для всего диапазона (5÷8)°С.The self-discharge curve during charging at a temperature of 20 ° C shows that it is impossible to achieve a 100% degree of charge without significant heat generation. However, already at a temperature of 5 ° C, which is the lower limit due to the requirements for the thermal regime inside the KGC, there is practically no heat emission from the battery, which allows achieving 100% charge of the battery (battery). This is also true for the entire range (5 ÷ 8) ° С.

Сочетая эти два приема - стартовый заряд при низких температурах (5÷8)°С, обеспечивающий 100% степень заряженности, и разряд в оптимальном диапазоне температур (15÷25)°С, можно добиться максимальной эффективности НВ АБ на участке выведения.Combining these two methods - starting charge at low temperatures (5 ÷ 8) ° С, providing a 100% degree of charge, and discharge in the optimal temperature range (15 ÷ 25) ° С, it is possible to achieve the maximum efficiency of HB AB in the excretion section.

На фиг.3 приведена схема термостатирования космической головной части (КГЧ) на стартовом комплексе (СК) при проведении стартового заряда.Figure 3 shows a diagram of thermostating of the space head part (KGCH) at the launch complex (SC) during the launch charge.

Заряд АБ осуществляется от наземного зарядно-разрядного комплекса 1. Термостатирование аккумуляторной батареи спутника проводится продувкой полости обтекателя воздухом в указанном направлении 2 с включением системы терморегулирования космического аппарата (КА) 3. Регулирование температуры внутри КГЧ осуществляется изменением температуры подаваемого воздуха и управлением его расходом.The battery is charged from a ground-based charge-discharge complex 1. The satellite battery is thermostated by blowing the fairing cavity with air in the indicated direction 2 with the inclusion of the spacecraft (SC) temperature control system 3. The temperature inside the CGF is controlled by changing the temperature of the supplied air and controlling its flow rate.

Температура газа на входе в полость обтекателя поддерживается на заданном уровне с точностью ±2%. Контроль температуры осуществляется по датчикам 4.The gas temperature at the entrance to the fairing cavity is maintained at a predetermined level with an accuracy of ± 2%. Temperature control is carried out by sensors 4.

Поддержание температуры батареи на КА осуществляется путем контактной передачи тепла между корпусом батареи и жидкостным коллектором и обеспечивается системой терморегулирования КА, которая поддерживает необходимую температуру в любом режиме эксплуатации.The temperature of the battery on the spacecraft is maintained by contact heat transfer between the battery case and the liquid collector and is provided by the spacecraft thermal control system, which maintains the required temperature in any operation mode.

При этом термостатирование КА происходит по следующей схеме:In this case, the thermostating of the spacecraft occurs according to the following scheme:

- на этапе стартового заряда температуру воздуха в КГЧ поддерживают на уровне (5÷8)°С;- at the stage of the starting charge, the air temperature in the CHG is maintained at the level of (5 ÷ 8) ° С;

- после проведения заряда, непосредственно перед стартом, температуру воздуха в КГЧ поддерживают на уровне (15÷25)°С.- after carrying out the charge, immediately before the start, the air temperature in the KCH is maintained at the level of (15 ÷ 25) ° С.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить от аккумуляторной батареи большую разрядную емкость, что повышает эффективность ее использования в системе электропитания ИСЗ.Thus, the proposed method allows to obtain a large discharge capacity from the battery, which increases the efficiency of its use in the satellite power supply system.

Действенность данного способа подтверждена экспериментально и его предполагается использовать при подготовке никель-водородных аккумуляторных батарей к штатной эксплуатации в системе электропитания космических аппаратов предприятия.The effectiveness of this method is confirmed experimentally and it is supposed to be used when preparing nickel-hydrogen storage batteries for regular operation in the power supply system of the spacecraft of the enterprise.

Claims

1. The method of preparing a Nickel-hydrogen battery for normal operation in the power supply system of the geostationary artificial satellite of the Earth, which consists in its thermostating in the temperature range 5 ÷ 25 ° C during the starting charge, characterized in that during the starting charge of the battery thermostating is carried out on lower temperature level, and before the start of normal operation - at the upper level.

2. The method according to claim 1, characterized in that the lower temperature level is set in the range of 5 ÷ 8 ° C, and the upper one is in the range of 15 ÷ 25 ° C.