RU2321105C1 - Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle - Google Patents

Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle Download PDF

Info

Publication number
RU2321105C1
RU2321105C1 RU2006140571/09A RU2006140571A RU2321105C1 RU 2321105 C1 RU2321105 C1 RU 2321105C1 RU 2006140571/09 A RU2006140571/09 A RU 2006140571/09A RU 2006140571 A RU2006140571 A RU 2006140571A RU 2321105 C1 RU2321105 C1 RU 2321105C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
battery
batteries
capacity
discharge
nickel
Prior art date
Application number
RU2006140571/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Елена Ивановна Бушуева (RU)
Елена Ивановна Бушуева
шов Виктор Спиридонович Кудр (RU)
Виктор Спиридонович Кудряшов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева"
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева"
Priority to RU2006140571/09A priority Critical patent/RU2321105C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2321105C1 publication Critical patent/RU2321105C1/en

Links

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; power supplies for off-line power consumers such as spacecraft.
SUBSTANCE: proposed method for equalizing battery capacity makes use of tight dependence between rate of self-discharge of nickel-hydrogen cells and temperature and is implemented by disconnecting battery and load, its heating and storage at temperature not over 50 °C for time sufficient for complete discharge of all cells, that is, for voltage drop below 0.5 V. Proposed method is characterized in that it wants no special measures for its implementing as it uses heaters incorporated in storage battery.
EFFECT: ability of equalizing capacity of all battery cells dispensing with extra charges for implementing this method.
1 cl

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания потребителей, установленных на автономных объектах, в частности на космических аппаратах.The present invention relates to electrical engineering and can be used in consumer power systems installed on autonomous objects, in particular on spacecraft.

Известна проблема с разбежкой аккумуляторов по емкости при длительном циклировании их в последовательной цепи батареи, в результате чего при разряде батареи на нагрузку отдельные аккумуляторы «переполюсовываются» (меняют полярность) и ограничивают разряд батареи. Механизм «разбежки» аккумуляторов по емкости на примере никель-кадмиевых аккумуляторов описан в работе Золотов А.И. «Режим эксплуатации никель-кадмиевых батарей и срок их службы». [Электротехническая промышленность. Серия Химические источники тока. 1980, вып.5 с.22, 23]. Особенностью работы аккумуляторов в батарее является то, что все они заряжаются и разряжаются одним и тем же током и на одну и ту же емкость, что и вся батарея, в то время как аккумуляторы могут иметь некоторые отличия в характеристиках. Источниками разбежки аккумуляторов по емкости могут быть:There is a known problem with the battery run-up by capacity during long-term cycling in a serial battery circuit, as a result of which when the battery is discharged to the load, individual batteries are “reversed” (reverse polarity) and limit battery discharge. The mechanism of the “run-up” of batteries by capacity using nickel-cadmium batteries as an example is described in the work of A. Zolotov. "The operating mode of nickel-cadmium batteries and their service life." [Electrical industry. Series Chemical current sources. 1980, issue 5, p. 22, 23]. A feature of the operation of batteries in a battery is that all of them are charged and discharged with the same current and the same capacity as the entire battery, while batteries may have some differences in performance. The sources of battery breakdown by capacity can be:

- различия в исходной емкости в аккумуляторах при их подборе в батарею;- differences in the initial capacity in the batteries when they are selected in the battery;

- отличия в величине внутреннего сопротивления аккумуляторов из-за технологических разбросов;- differences in the value of the internal resistance of the batteries due to technological variations;

- отличия в степени деградации аккумуляторов на сроке службы;- differences in the degree of degradation of batteries at the service life;

- отличия в температуре аккумуляторов и степени саморазряда.- differences in battery temperature and degree of self-discharge.

Поэтому разработчики систем электропитания предпринимают различные меры по выравниванию емкости аккумуляторов. Наиболее простым методом является широко используемый в наземных условиях разряд аккумуляторов на индивидуальные разрядные сопротивления, подключаемые к батарее для разряда. Однако из-за сложности его реализации для автоматического режима работы, когда вмешательства обслуживающего персонала исключено, он не нашел применения в автономных объектах.Therefore, developers of power systems take various measures to equalize the battery capacity. The simplest method is the discharge of batteries widely used in terrestrial conditions to individual discharge resistances that are connected to the battery for discharge. However, due to the complexity of its implementation for the automatic mode of operation, when the intervention of maintenance personnel is excluded, he did not find application in autonomous objects.

В космических условиях широко используются два метода выравнивания емкости:In space conditions, two methods of leveling the capacitance are widely used:

- разрядом батареи на общее сопротивление (этот метод широко используется в разработках США, например на ИСЗ серии Intelsat [Levy E., Ir.Osugi Fred s.Design and Performance of Intelsat - IV Power Subsystem. «7th Intersoc. Energy Convers Eng Conf., San Diego, Calif., 1972»] - аналог;- discharge of the battery for total resistance (this method is widely used in the USA, for example, on the Intelsat satellite [Levy E., Ir.Osugi Fred s Design and Performance of Intelsat - IV Power Subsystem. "7 th Intersoc. Energy Convers Eng Conf ., San Diego, Calif., 1972 "] - analogue;

- подзарядом батареи малым током после полного заряда (т.н. Trickle charge), см., например, [A Power Subsystem for telecommunication Satellite / L.Croci, P.Galantini, C.Marana Proceeding of the European Space Power Conference Held in Graz, Austria, 23-27 August 1993 (ESA WPP-054, Ang. 1993)] - прототип.- recharging the battery with a small current after a full charge (the so-called Trickle charge), see, for example, [A Power Subsystem for telecommunication Satellite / L. Croci, P. Galantini, C. Marana Proceeding of the European Space Power Conference Held in Graz, Austria, 23-27 August 1993 (ESA WPP-054, Ang. 1993)] is a prototype.

Метод выравнивания емкости разрядом батареи на общее разрядное сопротивление (аналог) не лишен недостатков. Во-первых, он требует дополнительных затрат массы (резисторы, коммутационные переключатели с глубоким резервированием для обеспечения высокой надежности на любой вид отказа), усложняет схему контроля и управления аккумуляторной батареи (АБ). Типовой алгоритм разряда для выравнивания аккумуляторов заключается в разряде батареи до снижения напряжения на любом из аккумуляторов до уровня 0,5 В, затем уменьшение тока разряда (увеличение сопротивления резистора), повторный разряд до 0,5 В на любом из аккумуляторов и т.д. Процедура выравнивания заканчивается последним разрядом до 0,5 В на наиболее "слабом" аккумуляторе. При этом, несмотря на сложную процедуру разряда, полный разряд всех аккумуляторов до 0 В при таком методе не гарантируется.The method of equalizing capacity by discharging the battery to the total discharge resistance (analogue) is not without drawbacks. Firstly, it requires additional mass costs (resistors, switching switches with deep redundancy to ensure high reliability for any type of failure), complicates the battery monitoring and control circuit. A typical discharge algorithm for aligning batteries is to discharge the battery until the voltage on any of the batteries drops to 0.5 V, then decrease the discharge current (increase the resistance of the resistor), re-discharge to 0.5 V on any of the batteries, etc. The alignment procedure ends with the last discharge up to 0.5 V on the “weakest” battery. At the same time, despite the complicated discharge procedure, the complete discharge of all batteries to 0 V with this method is not guaranteed.

Суть второго метода (прототип) сводится к тому, что все аккумуляторы независимо от их индивидуального состояния после полного заряда подвергаются перезаряду определенным током.The essence of the second method (prototype) boils down to the fact that all batteries, regardless of their individual state, are fully charged after a full charge.

Величина тока перезаряда выбирается из анализа многих факторов:The magnitude of the recharge current is selected from the analysis of many factors:

- величины саморазряда аккумуляторов;- self-discharge values of batteries;

- температуры;- temperature;

- способа охлаждения;- cooling method;

- режима циклирования батареи и т.п.- battery cycling mode, etc.

Значение тока выбирается на основе компромисса между обеспечением полной степени заряженности батареи и недопущением перегрева отдельных аккумуляторов. Для исключения разбаланса ток перезаряда должен быть достаточным для «подтягивания» наиболее «слабого» аккумулятора, т.е. аккумулятора, имеющего максимальный саморазряд и минимальный КПД заряда. Поэтому во всех случаях, из-за индивидуальных особенностей аккумуляторов при выбранном токе подзаряда, в батарее имеются аккумуляторы, которые подвергаются наибольшему перезаряду. Известно, что перезаряд герметичного аккумулятора приводит к его перегреву и появлению в газовой фазе кислорода, что отрицательно сказывается на ресурсных характеристиках батареи. Поэтому в реальной практике приходится выбирать меньшее из зол:The current value is selected on the basis of a compromise between ensuring a full degree of battery charge and preventing individual batteries from overheating. To avoid imbalance, the recharge current should be sufficient to "pull up" the most "weak" battery, i.e. a battery having a maximum self-discharge and a minimum charge efficiency. Therefore, in all cases, due to the individual characteristics of the batteries at the selected recharge current, the battery has batteries that are subjected to the greatest recharge. It is known that overcharging a sealed battery leads to its overheating and the appearance of oxygen in the gas phase, which adversely affects the battery performance. Therefore, in real practice, you have to choose the lesser of evils:

- или допускать перегрев отдельных аккумуляторов и идти на риск ухудшения ресурсных характеристик батареи, но при этом обеспечивать в текущий период времени полную заряженность всех аккумуляторов;- or allow overheating of individual batteries and take the risk of deteriorating battery life, but at the same time ensure that all batteries are fully charged in the current time period;

- или допускать ограниченный разбаланс аккумуляторов по емкости со снижением разрядной емкости батареи.- or allow a limited imbalance of batteries in capacity with a decrease in the discharge capacity of the battery.

Выравнивание емкости за счет подзаряда связано с дополнительными трудностями по управлению, т.к. из-за ресурсной деградации аккумуляторов величина необходимого тока подзаряда должна корректироваться в процессе эксплуатации КА.Equalization of capacity due to recharging is associated with additional management difficulties, since Due to the resource degradation of the batteries, the required recharge current should be adjusted during the operation of the spacecraft.

В предлагаемом методе выравнивания аккумуляторов по емкости используется свойство никель-водородного аккумулятора - т.н. свойство «селективного катализа», которое выражается в том, что основная реакция:In the proposed method of aligning the batteries by capacity, the property of a nickel-hydrogen battery is used - the so-called property of "selective catalysis", which is expressed in the fact that the main reaction:

NiOOH+1/2Н2⇒Ni(OH)2.NiOOH + 1 / 2H 2 ⇒ Ni (OH) 2 .

При замыкании внешней цепи аккумулятора реакция является токообразующей и идет намного быстрее, чем без замыкания цепи. Во втором случае она происходит вследствие химического (а не электрохимического) процесса и определяет саморазряд аккумулятора.When the external circuit of the battery is closed, the reaction is current-generating and goes much faster than without closing the circuit. In the second case, it occurs due to a chemical (rather than electrochemical) process and determines the self-discharge of the battery.

Скорость химического процесса окисления водорода имеет сильную зависимость от температуры. В этой же работе приведены экспериментальные данные, из которых видно, что снижение емкости аккумуляторов до уровня на 50% от начальной при хранении происходит при температуре 15°С за ~20 суток, при 30°С за 5 суток. Аналогичная зависимость подтверждается и многими другими источниками.The rate of the chemical process of hydrogen oxidation is highly temperature dependent. In the same work, experimental data are presented, from which it is seen that a decrease in battery capacity to a level of 50% of the initial value during storage occurs at a temperature of 15 ° C for ~ 20 days, at 30 ° C for 5 days. A similar relationship is confirmed by many other sources.

Суть предлагаемого метода заключается в нагреве аккумуляторов и хранении батареи в отключенном от заряда и нагрузки состояния до снижения напряжения на всех аккумуляторах ниже 0,5 В.The essence of the proposed method consists in heating the batteries and storing the battery in a state disconnected from the charge and load until the voltage on all batteries is lower than 0.5 V.

По многочисленным источникам емкость аккумулятора практически исчерпывается полностью при снижении напряжения ниже 1,0 В даже при разряде на внешнюю нагрузку малым током. При хранении без внешней нагрузки это условие тем более выполняется.According to numerous sources, the battery capacity is almost completely exhausted when the voltage drops below 1.0 V even when discharged to an external load by a small current. When stored without external load, this condition is even more fulfilled.

Длительность хранения до гарантированного полного саморазряда каждого аккумулятора определяется температурой и степенью заряженности перед началом операции. По техническим условиям на никель-водородные батареи максимально допустимая температура аккумуляторов при хранении допускается не более 50°С.The duration of storage until guaranteed complete self-discharge of each battery is determined by the temperature and degree of charge before the operation. According to the technical conditions for nickel-hydrogen batteries, the maximum allowable temperature of the batteries during storage is allowed no more than 50 ° C.

То есть, в процессе эксплуатации, для выравнивания аккумуляторов по емкости батарею периодически отключают от внешней электрической цепи, нагревают, хранят при повышенной температуре в течение времени, достаточного для полного саморазряда всех аккумуляторов, после чего отключают обогрев и подключают батарею к внешней электрической цепи, заряжают и продолжают эксплуатацию. Предлагаемый метод выравнивания позволяет обеспечить независимый саморазряд каждого аккумулятора и не требует дополнительных затрат массы и аппаратно-программных ресурсов для разработчика системы электропитания. Это можно пояснить на примере геостационарного связного КА:That is, during operation, to equalize the batteries in terms of capacity, the battery is periodically disconnected from the external electric circuit, heated, stored at an elevated temperature for a time sufficient for the complete self-discharge of all batteries, after which the heating is turned off and the battery is connected to the external electric circuit, charged and continue to operate. The proposed alignment method allows for independent self-discharge of each battery and does not require additional mass and hardware-software resources for the developer of the power supply system. This can be explained by the example of a geostationary connected spacecraft:

- для обеспечения надежности КА в составе системы электропитания используются как минимум две аккумуляторные батареи, которые в сумме рассчитаны на обеспечение требуемой емкости при прохождении теневых участков орбиты. Длительность периода с теневыми участками орбиты составляет 45 суток в течение полугода. В остальное время около 5 месяцев батареи находятся в режиме поддержания готовности и могут быть использованы для поочередного выравнивания емкости без нарушения режима работы системы электропитания и отсутствии угрозы для живучести КА;- to ensure the reliability of the spacecraft, at least two rechargeable batteries are used as part of the power supply system, which in total are designed to provide the required capacity when passing shadow portions of the orbit. The period with shadow portions of the orbit is 45 days for six months. The rest of the time, about 5 months, the batteries are in standby mode and can be used to alternately equalize the capacitance without violating the operating mode of the power supply system and there is no threat to the survivability of the spacecraft;

- на большинстве КА используются способы охлаждения батарей излучением тепла в космическое пространство с помощью специальных радиационных панелей. При этом для защиты батарей от переохлаждения (в тех случаях, когда они не подвергаются глубокому циклированию) используются специальные нагреватели. Они подключаются или автоматически при снижении температуры аккумуляторов до установленного значения, или по команде с Земли. Эти же обогреватели могут быть использованы для нагрева АБ при выравнивании емкости;- on most spacecraft, methods of cooling batteries with heat radiation into outer space using special radiation panels are used. At the same time, special heaters are used to protect the batteries from hypothermia (in those cases when they are not subjected to deep cycling). They are connected either automatically when the battery temperature drops to the set value, or on command from the Earth. The same heaters can be used to heat the battery when leveling the capacitance;

- при реализации метода на конкретном КА могут быть использованы различные сочетания длительности хранения и температуры нагрева батареи. Для безопасной работы аккумуляторов при дальнейшей эксплуатации максимальную температуру необходимо ограничить уровнем плюс 50°С.- when implementing the method on a specific spacecraft, various combinations of storage duration and battery heating temperature can be used. For safe operation of the batteries during further operation, the maximum temperature must be limited to plus 50 ° C.

Таким образом, отличительной особенностью предлагаемого метода является возможность полного выравнивания емкости аккумуляторов в батарее при предельной простоте и отсутствии дополнительных затрат на его реализацию. Предлагаемый способ предлагается использовать в разработках КА.Thus, a distinctive feature of the proposed method is the ability to fully equalize the capacity of the batteries in the battery with extreme simplicity and the absence of additional costs for its implementation. The proposed method is proposed to be used in the development of the spacecraft.

Claims (1)

Способ выравнивания емкости никель-водородной аккумуляторной батареи, заключающийся в отключении ее от внешней цепи, отличающийся тем, что аккумуляторную батарею нагревают и хранят в отключенном состоянии при температуре не выше 50° до полного саморазряда всех аккумуляторов ниже 0,5 В, после чего ее охлаждают до рабочей температуры и подключают к внешней цепи.A method of leveling the capacity of a nickel-hydrogen storage battery, which consists in disconnecting it from an external circuit, characterized in that the battery is heated and stored off at a temperature not exceeding 50 ° until all batteries are fully self-discharged below 0.5 V, after which it is cooled to operating temperature and connected to an external circuit.
RU2006140571/09A 2006-11-16 2006-11-16 Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle RU2321105C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006140571/09A RU2321105C1 (en) 2006-11-16 2006-11-16 Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006140571/09A RU2321105C1 (en) 2006-11-16 2006-11-16 Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2321105C1 true RU2321105C1 (en) 2008-03-27

Family

ID=39366451

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006140571/09A RU2321105C1 (en) 2006-11-16 2006-11-16 Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2321105C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510105C2 (en) * 2012-03-26 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" Method to charge set of accumulator batteries within autonomous system of spacecraft power supply
RU2557014C1 (en) * 2014-04-03 2015-07-20 Закрытое акционерное общество "Орбита" Automatic control method for accumulator battery consisting of n galvanic coupled accumulator cells and device for automatic control
RU2569680C1 (en) * 2014-07-23 2015-11-27 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Method for automatic control of technical condition of parallel accumulator battery and device for its implementation

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510105C2 (en) * 2012-03-26 2014-03-20 Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" Method to charge set of accumulator batteries within autonomous system of spacecraft power supply
RU2557014C1 (en) * 2014-04-03 2015-07-20 Закрытое акционерное общество "Орбита" Automatic control method for accumulator battery consisting of n galvanic coupled accumulator cells and device for automatic control
RU2569680C1 (en) * 2014-07-23 2015-11-27 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова" Method for automatic control of technical condition of parallel accumulator battery and device for its implementation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA1045200A (en) Satellite battery reconditioning system and method
CA2380945A1 (en) Hybrid battery configuration
JP5706108B2 (en) Energy storage device
JP6690414B2 (en) Trickle charging power system
RU2289178C2 (en) Method for servicing nickel-hydrogen storage battery of artificial earth satellite
JP3051406B2 (en) Power supply method for spacecraft with extended operating life of battery
RU2321105C1 (en) Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle
CN111064249A (en) Method for autonomous management of working modes of medium and high orbit satellite energy system
RU2585171C1 (en) Method for operating nickel-hydrogen batteries of modular power supply system (versions)
RU2535301C2 (en) Method to control autonomous system of spacecraft power supply
RU2483400C2 (en) Method to operate nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system (versions)
RU2543487C2 (en) Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft
RU2621694C9 (en) Method for operating nickel-hydrogen accumulator batteries of aircraft electric power system
RU2488198C1 (en) Stabilised combined power supply source
RU2586172C2 (en) Method of controlling parameters of nickel-hydrogen accumulator batteries in power supply system of spacecraft (versions)
RU2541512C2 (en) Method to control autonomous system of spacecraft power supply
US20230055592A1 (en) Direct current distribution based charging/discharging system for battery formation
JP2002313439A (en) Battery pack
RU2661340C1 (en) Method of operation of nickel-hydrogen accumulatory batteries of spacecraft power supply system
RU2723302C1 (en) Method of operation of nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system
RU2401486C1 (en) Method of leveling capacity of nickel-hydrogen storage battery
Benny et al. Microcontroller based Li-ion cell balancing using single switched capacitor for spacecraft application
RU2706762C1 (en) Control method of autonomous power supply system of spacecraft
US10239477B1 (en) Battery charge management for geosynchronous spacecraft
JP2003178807A (en) Charge derived from battery temperature

Legal Events

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

Effective date: 20131117