RU2339125C1

RU2339125C1 - Spacecraft accumulator battery

Info

Publication number: RU2339125C1
Application number: RU2007121964/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Тимофеевич Лелеков (RU); Александр Тимофеевич Лелеков; Александр Борисович Базилевский (RU); Александр Борисович Базилевский; ненко Михаил Васильевич Лукь (RU); Михаил Васильевич Лукьяненко; шенко Сергей Геннадьевич Л (RU); Сергей Геннадьевич Ляшенко
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-11-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is attributed to the field of electric engineering and can be used in design and exploitation of accumulator batteries (AB). According to the invention AB consists of two units each one of which contains metal thermoconductive rectangular plate. In the mentioned plate circular cross-section channels are made for hydraulic pipeline of thermoregulating system. These channels are equally-spaced from symmetry axes of central and peripheral accumulators located in the plate via high-density packaging technique. Channel inlets and outlets are joined by common inlet and outlet manifolds respectively.

EFFECT: AB temperature field alignment which results in lowering the resource fall of its capacity.

4 dwg, 1 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при разработке и эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей для автономных систем электроснабжения космических аппаратов (КА), в частности искусственных спутников земли (ИСЗ).The present invention relates to the electrical industry and can be used in the development and operation of nickel-hydrogen storage batteries for autonomous power supply systems for spacecraft (SC), in particular artificial earth satellites (AES).

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи, см. патент РФ № 2084055, H01M 10/44, согласно которому заряд аккумуляторной батареи ограничивают исходя из плотности водорода, рассчитанного на основании измеренных температуры и давления аккумуляторов, которые практически оказываются разными для разных аккумуляторов. К недостатку указанного способа следует отнести необходимость введения поэлементного контроля температуры и давления, а значит, и соответствующих датчиков с измерительно-преобразующим и исполнительным устройством, что приводит к дополнительной присоединенной массе и служебному энергопотреблению. Поскольку аккумуляторы батареи заряжаются и разряжаются одним током, а условия теплопередачи от отдельных аккумуляторов батареи различны, то это приводит к расхождению их по температуре и, как следствие, по текущей емкости ΔС из-за разных токов саморазряда. В результате временного накопления ΔС в последовательной цепи появляются как "слабые" (наиболее разряженные), так и "сильные" - наиболее заряженные аккумуляторы. Это вынуждает уменьшить глубину циклирования, что равнозначно снижению эффективно запасаемой в батарее емкости, так как в противном случае как "слабые", так и "сильные" аккумуляторы могут выйти из области допустимых параметров и дальнейшее их циклирование приведет к аварийной ситуации, что и обусловливает реальную емкость батареи на уровне 60-80% от номинальной - безопасную разрешенную глубину циклирования.A known method of operating a nickel-hydrogen storage battery, see RF patent No. 2084055, H01M 10/44, according to which the charge of the battery is limited based on the density of hydrogen calculated on the basis of the measured temperature and pressure of the batteries, which are practically different for different batteries. The disadvantage of this method is the need for the introduction of step-by-step control of temperature and pressure, and hence the corresponding sensors with a measuring-converting and actuating device, which leads to additional connected mass and auxiliary power consumption. Since battery batteries are charged and discharged by one current, and the heat transfer conditions from individual battery batteries are different, this leads to a discrepancy between them in temperature and, as a result, in current capacity ΔС due to different self-discharge currents. As a result of temporary accumulation of ΔС in the series circuit, both “weak” (most discharged) and “strong” - most charged batteries appear. This forces a reduction in the depth of cycling, which is equivalent to a decrease in the capacity effectively stored in the battery, since otherwise both “weak” and “strong” batteries can go outside the range of acceptable parameters and their further cycling will lead to an emergency, which leads to a real battery capacity at the level of 60-80% of the nominal - safe permitted cycling depth.

Известна аккумуляторная батарея аналогичного назначения и способ их эксплуатации, см. патент РФ № 2274930. К недостаткам указанного аналога следует отнести то, что она снабжена n гальванически развязанными выпрямителями (по числу аккумуляторов) выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору n байпасных элементов, при этом байпасные элементы выполнены в виде n гальванически развязанных выпрямителей, выходами подключенных параллельно каждому аккумулятору аккумуляторной батареи соответственно, а входами - дополнительно введенному стабилизированному преобразователю постоянного напряжения в переменное. Введение указанных байпасных элементов позволяет увеличить безопасную разрешенную глубину циклирования, за счет чего уменьшается ресурсный спад емкости, но одновременно с этим возникает потребность в дополнительной служебной энергии, а масса батареи увеличивается за счет присоединенной массы введенных элементов. На практике это дает незначительный выигрыш в удельной энергии W_уд [Вт·ч/кг] по сравнению с батареей, не снабженной байпасными элементами.A known battery for a similar purpose and the method of their operation, see RF patent No. 2274930. The disadvantages of this analogue include the fact that it is equipped with n galvanically isolated rectifiers (by the number of batteries) outputs connected in parallel to each battery n bypass elements, while the bypass elements made in the form of n galvanically isolated rectifiers, outputs connected in parallel to each battery of the battery, respectively, and inputs - additionally entered stabilized DC to AC converter. The introduction of these bypass elements allows you to increase the safe permitted depth of cycling, thereby reducing the resource decline in capacity, but at the same time there is a need for additional overhead energy, and the mass of the battery increases due to the connected mass of the introduced elements. In practice, this gives a small gain in specific energy W _beats [W · h / kg] compared to a battery not equipped with bypass cells.

Из известных устройств аналогичного назначения наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является аккумуляторная батарея 40НВ-70, которая состоит из двух блоков по 20 аккумуляторов, изготавливаемая ОАО «Сатурн» г.Краснодар, а конструкция описана в ЖЦПИ.563533.012-01, принятая за прототип. Каждый из блоков аккумуляторной батареи содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту с отверстиями по количеству аккумуляторов, расположенных методом "плотной упаковки", оси которых перпендикулярны поверхности плиты, на внутренней поверхности отверстий выполнена коническая резьба, в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов через слой теплопроводящего эластичного вещества, на котором аккумуляторы закреплены в стаканах так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков аккумуляторов расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий в плите, для чего толщина плиты принимается равной высоте электродных блоков, по периферии плиты выполнена огибающая ее неразветвляющаяся гидравлическая магистраль прямоугольного сечения для прокачки жидкого теплоносителя системы терморегулирования, параллельно каждому аккумулятору подключены разрядные байпасные диоды и силовые цепи короткозамыкателей одноразового действия, а нагревательные цепи короткозамыкателей одноразового действия выведены на соединители для внешнего управления.Of the known devices for a similar purpose, the closest in technical essence to the claimed one is the 40NV-70 rechargeable battery, which consists of two blocks of 20 batteries manufactured by Saturn OJSC in Krasnodar, and the design is described in ZhTsPI.563533.012-01, adopted prototype. Each of the battery packs contains a metal heat-conducting rectangular plate with holes in the number of batteries arranged by the "tight packing" method, the axes of which are perpendicular to the surface of the plate, on the inner surface of the holes a conical thread is made into which thin-walled metal glasses are screwed, the inner cylindrical surfaces of which are in thermal contact with the outer cylindrical surfaces of the battery housings through a layer of heat-conducting elastic substances on which the batteries are fixed in the cups so that the lateral cylindrical surfaces of the electrode blocks of the batteries are located opposite the corresponding surfaces of the holes in the plate, for which the thickness of the plate is taken to be equal to the height of the electrode blocks, a non-branching hydraulic pipe of rectangular cross-section enveloping it is made around the plate for pumping the liquid coolant thermal management systems, in parallel with each battery, bypass diodes and power circuits are connected otkozamykateley disposable, short circuit and the heater output to disposable connectors for external control.

К недостатку прототипа следует отнести обусловленную конструкцией тепловую схему, приводящую к расхождению по температуре центральных и периферийных аккумуляторов. Теплофизическая модель прототипа изображена на фиг.II приложения. Охлаждающая жидкость, протекая по неразветвляющейся гидравлической магистрали, расположенной по периферии АБ, нагревается. При этом ее температура от входа к выходу повышается на 4-6°С, соответственно будут отличаться и температуры аккумуляторов. У периферийных наименьшая температура будет у № 20 и наибольшая у № 7. Центральные аккумуляторы (№ 8-№ 13) будут иметь более высокую температуру по сравнению с соседними периферийными. Таким образом, аккумуляторы №№ 10, 11, имеющие наибольшую температуру и, соответственно, наибольший ток саморазряда, в процессе циклирования становятся «слабыми», и, как следствие, имеет место расхождение аккумуляторов в батарее по текущей емкости.The disadvantage of the prototype should be attributed to the design of the thermal circuit, leading to a discrepancy in temperature of the central and peripheral batteries. Thermophysical model of the prototype shown in Fig. II application. Coolant flowing through a non-branching hydraulic line located on the periphery of the battery is heated. At the same time, its temperature rises by 4-6 ° С from the input to the output; accordingly, the battery temperatures will also differ. The peripheral ones will have the lowest temperature at No. 20 and the highest at No. 7. The central batteries (No. 8-No. 13) will have a higher temperature compared to neighboring peripheral ones. Thus, batteries No. 10, 11, which have the highest temperature and, accordingly, the highest self-discharge current, become “weak” during cycling, and, as a result, the batteries diverge in the current capacity.

Задача, которая решается данным изобретением, - уменьшение расхождения отдельных аккумуляторов по емкости. За счет этого увеличивается разрешенная безопасная глубина циклирования, что равнозначно уменьшению ресурсного спада удельной энергии батареи W_уд [Вт·ч/кг].The problem that is solved by this invention is to reduce the discrepancy of individual batteries in capacity. Due to this, the allowed safe cycling depth is increased, which is equivalent to a decrease in the resource decline in the specific battery energy W _beats [W · h / kg].

Физическая осуществимость обосновывается такой тепловой схемой батареи, при которой перепад температур между корпусами отдельных аккумуляторов будет минимальным. Заявляемая батарея состоит из двух блоков, каждый из которых содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту с отверстиями по количеству аккумуляторов, расположенных методом "плотной упаковки", оси которых перпендикулярны поверхности плиты, на внутренней поверхности отверстий выполнена коническая резьба, в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов через слой теплопроводящего эластичного вещества, на котором аккумуляторы закреплены в стаканах так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков аккумуляторов расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий в плите, для чего толщина плиты принимается равной высоте электродных блоков, а гидравлическая магистраль выполнена разветвляющейся в виде каналов круглого поперечного сечения равноудаленных от осей симметрии центральных и периферийных аккумуляторов, а входы и выходы каналов в плите объединены соответственно общими входным и выходным коллекторами, проходные сечения которых в 1,5-2 раза больше суммарного сечения каналов в плите.Physical feasibility is justified by such a thermal circuit of the battery, in which the temperature difference between the housings of individual batteries will be minimal. The inventive battery consists of two blocks, each of which contains a metal heat-conducting rectangular plate with holes in the number of batteries arranged by the "tight packing" method, the axes of which are perpendicular to the surface of the plate, a tapered thread is made on the inner surface of the holes, into which thin-walled metal cups are screwed, internal the cylindrical surfaces of which are in thermal contact with the outer cylindrical surfaces of the battery housings through a layer of heat elastic elastic substance on which the batteries are mounted in glasses so that the lateral cylindrical surfaces of the electrode blocks of the batteries are located opposite the corresponding surfaces of the holes in the plate, for which the thickness of the plate is taken to be equal to the height of the electrode blocks, and the hydraulic line is branched in the form of channels of circular cross section equidistant from axes of symmetry of the central and peripheral batteries, and the inputs and outputs of the channels in the plate are combined respectively by common inputs bottom and outlet collectors, the bore sections of which are 1.5-2 times larger than the total section of the channels in the plate.

На фиг.1 изображена тепловая схема заявляемой аккумуляторной батареи, на фиг.2 - конструктивное исполнение аккумулятора, установленного в плите, на фиг.3 - поле температур аккумуляторной батареи, на фиг.4 - результаты моделирования.Figure 1 shows the thermal circuit of the inventive battery, figure 2 - design of the battery installed in the plate, figure 3 - temperature field of the battery, figure 4 - simulation results.

Описываемая батарея (см. фиг.1) состоит из двух блоков, каждый из которых содержит металлическую теплопроводящую прямоугольную плиту 1 с отверстиями 2 по количеству аккумуляторов 3, расположенных методом "плотной упаковки", пространственно делящихся на центральные 4 и периферийные 5, оси которых перпендикулярны поверхности плиты 1, на внутренней поверхности отверстий 2 выполнена коническая резьба (см. фиг.2), в которую ввернуты тонкостенные металлические стаканы 6, внутренние цилиндрические поверхности которых находятся в тепловом контакте с наружными цилиндрическими поверхностями корпусов аккумуляторов 3 через слой теплопроводящего эластичного вещества 7, на котором аккумуляторы 3 закреплены в стаканах 6 так, что боковые цилиндрические поверхности электродных блоков 8 аккумуляторов 3 расположены напротив соответствующих поверхностей отверстий 2 в плите 1, для чего толщина H1 плиты 1 принимается равной высоте Н2 электродных блоков 8, а гидравлическая магистраль выполнена разветвляющейся в виде каналов 9 круглого поперечного сечения в плите 1, объединенных общими входным и выходным коллекторами, которые могут быть выполнены в различных конструктивных вариантах, поэтому на фиг.1, 2 условно не показаны, оси каналов 9 перпендикулярны поверхностям плиты 1 и равноудалены на расстояние г от осей симметрии центральных 4 и периферийных 5 аккумуляторов.The described battery (see Fig. 1) consists of two blocks, each of which contains a metal heat-conducting rectangular plate 1 with holes 2 according to the number of batteries 3 located by the "tight packing" method, spatially divided into central 4 and peripheral 5, whose axes are perpendicular the surface of the plate 1, on the inner surface of the holes 2 a tapered thread is made (see FIG. 2), into which thin-walled metal cups 6 are screwed, the inner cylindrical surfaces of which are in thermal contact with the outer cylindrical surfaces of the battery housings 3 through a layer of heat-conducting elastic substance 7, on which the batteries 3 are fixed in the glasses 6 so that the side cylindrical surfaces of the electrode blocks 8 of the batteries 3 are located opposite the corresponding surfaces of the holes 2 in the plate 1, for which the thickness H1 of the plate 1 is taken equal the height of H2 of the electrode blocks 8, and the hydraulic line is branched in the form of channels 9 of circular cross section in the plate 1, united by a common input and output collectors, which can be made in various design options, therefore not shown in FIGS. 1, 2, the axis of the channels 9 are perpendicular to the surfaces of the plate 1 and equidistant to a distance r from the symmetry axes of the central 4 and peripheral 5 batteries.

При работе батареи (см. фиг.3) аккумуляторы 3 выделяют тепло, съем которого осуществляется жидким теплоносителем системы терморегулирования, прокачиваемым по каналам 9 гидравлической магистрали. Равенство температур на входе каналов обеспечивается их параллельным соединением, а на выходе - равенством расходов, для чего гидравлическое сопротивление каналов должно быть больше гидравлического сопротивления входного и выходного коллекторов, что достигается выбором проходного сечения коллекторов, в 1,5-2 раза больше суммарного сечения каналов 9. При этом температуры аккумуляторов 3 будут одинаковы, и при циклировании одним током в каждом из аккумуляторов 3 будет иметь место одинаковое тепловыделение, и в них, соответственно, будут одинаковые и токи саморазряда. Равенство температур достигается за счет равенства тепловых сопротивлений между отдельными аккумуляторами 3 и заявляемой гидравлической магистралью. При этом температура жидкого теплоносителя в гидравлической магистрали на фиг.3 и в отверстиях плиты батареи-прототипа (см. фиг.II приложения) для снижения массы не соответствует шкале температур и выделена светлым для определения их местоположения. Следствием этого потери от саморазряда будут также одинаковы для всех аккумуляторов 3, а следовательно, они будут сходиться по емкости (см. фиг.4). Таким образом, заявляемая батарея представляет собой объект с положительным самовыравниванием.When the battery is operating (see Fig. 3), the batteries 3 generate heat, the removal of which is carried out by the thermal fluid of the temperature control system, pumped through the channels 9 of the hydraulic line. Equal temperatures at the inlet of the channels are ensured by their parallel connection, and at the output, by the equality of costs, for which the hydraulic resistance of the channels should be greater than the hydraulic resistance of the input and output collectors, which is achieved by choosing the passage section of the collectors, 1.5-2 times the total section of the channels 9. In this case, the temperatures of the batteries 3 will be the same, and when cycling with the same current, the same heat dissipation will take place in each of the batteries 3, and accordingly current and self-discharge currents. Equal temperatures are achieved due to the equality of thermal resistances between the individual batteries 3 and the inventive hydraulic line. At the same time, the temperature of the liquid coolant in the hydraulic line in Fig. 3 and in the openings of the plate of the prototype battery (see Fig. II of the appendix) does not correspond to the temperature scale for weight reduction and is highlighted to determine their location. The consequence of this loss from self-discharge will also be the same for all batteries 3, and therefore, they will converge in capacity (see figure 4). Thus, the claimed battery is an object with positive self-alignment.

По сравнению с аналогами и прототипом (см. фиг.I, II приложения) заявляемая батарея имеет то преимущество, что в ней исключается вредное влияние расхождения отдельных аккумуляторов по емкости и при этом одновременно исключается присоединенная масса и энергопотребление служебных устройств (поэлементная диагностика, байпасные ячейки, стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное), что обеспечивает максимум удельной энергии батареи W_уд[Вт·ч/кг] при ее минимальном ресурсном спаде.Compared with analogues and prototype (see Fig. I, II of the appendix), the claimed battery has the advantage that it eliminates the harmful effect of the discrepancy of individual batteries in capacity and at the same time eliminates the connected mass and power consumption of service devices (element-by-unit diagnostics, bypass cells stabilized DC-AC converter), which ensures the maximum specific battery energy W _beats [W · h / kg] with its minimum resource decline.

Claims

The storage battery of the spacecraft, consisting of two blocks, each of which contains a metal heat-conducting rectangular plate with a hydraulic line and with holes in the number of batteries arranged by the "tight packing" method, the axes of which are perpendicular to the surface of the plate, tapered thread is made on the inner surface of the holes, in which are screwed into thin-walled metal glasses whose inner cylindrical surfaces are in thermal contact with the outer cylindrical the surfaces of the battery housings through a layer of heat-conducting elastic substance on which the batteries are fixed in the cups so that the lateral cylindrical surfaces of the electrode blocks of the batteries are located opposite the corresponding surfaces of the holes in the plate, for which the thickness of the plate is taken to be equal to the height of the electrode blocks, characterized in that the hydraulic line is made branching, in the form of channels of circular cross section in the plate, equidistant from the central and peripheral axes of symmetry ynyh battery, and inputs and outputs combined channels respectively common inlet and outlet manifolds, the cross section of which is 1.5-2 times greater than the total cross section in the channel plate.