RU2390477C1

RU2390477C1 - Method of performing service life tests of space storage batteries and device to this end

Info

Publication number: RU2390477C1
Application number: RU2009108898/11A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Почебут (RU); Дмитрий Владимирович Почебут; Виктор Владимирович Коротких (RU); Виктор Владимирович Коротких; Виктор Спиридонович Кудряшов (RU); Виктор Спиридонович Кудряшов; Михаил Владленович Нестеришин (RU); Михаил Владленович Нестеришин; Владимир Сергеевич Шанаврин (RU); Владимир Сергеевич Шанаврин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-05-27

Abstract

FIELD: transport.

SUBSTANCE: invention relates to power supply systems of space objects, particularly incorporated with artificial Earth satellites (AES). Method consists in cycling accompanied by control over power characteristics of storage batteries (SA) connected in series in storage battery module. Tests are performed at operated AES. SA module A number is restricted by available excess power in AES power supply system. SA charge and discharge is controlled by onboard computer. SA discharge is performed by stabilised current and SA thermal state is continuously regulated in tests. Proposed method exploits device comprising solar batteries (SB) connected to load via voltage converter and storage batteries. The latter are connected to solar batteries via charge converters and, via discharge converters, to load. Load comprises onboard computer, telemetry hardware and command-and-measure radio line. Said module comprises thermal control plate with SA mounted therein, separate charge and discharge converters connected to the load of independent power supply system and onboard computer. Note here that individual discharge converter represents a current stabiliser. Thermal control plate is provided with temperature transducers and heaters while module incorporates discharge resistance. Note that said transducers and heaters are connected with onboard computer. Individual discharge converter output is additionally connected via switch with discharge resistance.

EFFECT: higher efficiency and validity.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области космической электротехники и может быть использовано при проведении ресурсных испытаний оборудования ИСЗ, в частности аккумуляторных батарей (АБ) в составе искусственного спутника Земли (ИСЗ).The invention relates to the field of space electrical engineering and can be used for life tests of satellite equipment, in particular rechargeable batteries (AB) as part of an artificial Earth satellite (satellite).

Важнейшей задачей при создании ИСЗ является обеспечение его долговременной работы по целевому назначению.The most important task when creating a satellite is to ensure its long-term work for the intended purpose.

Особенность космической техники заключается в том, что она, как правило, не подлежит ремонту. Объясняется это, прежде всего, тем, что стоимость средств выведения значительно превышает стоимость самого ИСЗ.The peculiarity of space technology is that it, as a rule, cannot be repaired. This is explained, first of all, by the fact that the cost of means of withdrawal significantly exceeds the cost of the satellite itself.

Обеспечение требуемого ресурса ИСЗ реализуется путем теоретических расчетов и выбора схемотехнических решений с последующим подтверждением ресурсными испытаниями аппаратуры.Provision of the required satellite resource is realized by theoretical calculations and the choice of circuit solutions with subsequent confirmation by the resource tests of the equipment.

Существуют нормативные документы на проведение ресурсных испытаний, например PM B 22.31.144-90, MO [1], суть которых сводится к тому, что в наземных условиях воспроизводятся условия летной эксплуатации по внешним воздействующим факторам и режимам загрузки.There are regulatory documents for conducting life tests, for example PM B 22.31.144-90, MO [1], the essence of which is that in ground conditions the flight operating conditions are reproduced according to external influencing factors and loading modes.

Аналогичный подход к ресурсным испытаниям имеет место и за рубежом. Например, в статье "Ресурсные испытания экспериментальной никель-водородной батареи в рамках программы ВВС" (Martin G. Gandel, "Life Cycle Test of Air Force Nickel-Hydrogen Flight Experiment Battery", Seatle, Washington, New York, N.Y., USA, 1980) [2] рассматриваются результаты ресурсных испытаний никель-водородной батареи при различных режимах и внешних условиях эксплуатации, проведенные в наземных условиях.A similar approach to resource testing takes place abroad. For example, in the article “Life Tests of an Experimental Nickel-Hydrogen Battery as part of the Air Force Program” (Martin G. Gandel, “Life Cycle Test of Air Force Nickel-Hydrogen Flight Experiment Battery”, Seatle, Washington, New York, NY, USA, 1980 ) [2] discusses the results of life tests of a nickel-hydrogen battery under various conditions and external operating conditions, conducted under ground conditions.

В статье "Циклирование никель-водородных аккумуляторов. Ускоренные ресурсные испытания" (Н.S.Lim, S.A.Verzwyvett, "Cycle life of Nickel-hydrogen cells. Accelerated cycle life test", San Diego, California, 1986 г.) [3] рассматривается способ ускоренных ресурсных испытаний аккумуляторных батарей в наземных условиях (прототип), заключающийся в проведении циклирования аккумуляторов с контролем их энергетических характеристик.In the article "Cycling Nickel-Hydrogen Batteries. Accelerated Life Tests" (N.S. Lim, SAVerzwyvett, "Cycle life of Nickel-hydrogen cells. Accelerated cycle life test", San Diego, California, 1986) [3] the method of accelerated life tests of batteries in ground conditions (prototype) is considered, which consists in cycling the batteries with control of their energy characteristics.

Недостатком известных способов проведения ресурсных испытаний аккумуляторных батарей ИСЗ является невозможность полного воспроизведения летных условий эксплуатации (в основном, невесомости и радиационных воздействий), что может искажать характер процессов, протекающих в испытываемых аккумуляторах, приводить к неверным выводам.A disadvantage of the known methods for carrying out the resource tests of satellite batteries is the impossibility of fully reproducing flight operating conditions (mainly weightlessness and radiation exposure), which can distort the nature of the processes taking place in the tested batteries and lead to incorrect conclusions.

В частности, в выводах статьи [2] отмечается, что возникшая в процессе испытаний проблема (перераспределение электролита), возможно, не имеет место в условиях летной эксплуатации в составе ИСЗ (в условиях невесомости).In particular, in the conclusions of article [2] it is noted that the problem that arose during testing (redistribution of electrolyte) may not occur in flight operation as part of a satellite (in zero gravity).

Очевидно, что особенности эксплуатации аппаратуры в составе ИСЗ могут оказывать как благоприятное, так и неблагоприятное влияние на конечный результат (ресурс эксплуатации) по сравнению с наземными вариантами их воспроизведения.It is obvious that the features of the operation of the equipment in the satellite can have both a favorable and an adverse effect on the final result (service life) in comparison with ground-based versions of their reproduction.

Известна практика проведения ресурсных испытаний в составе ИСЗ в процессе его опытной эксплуатации, однако это связано с огромными финансовыми затратами.There is a known practice of conducting life tests as part of a satellite during its trial operation, but this is associated with huge financial costs.

Известны автономные системы электропитания, описанные в книге "Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике"/ Под ред. Конева Ю.И. М.: Радио и связь, 1987, гл.7, стр.184-199 [4].Autonomous power supply systems described in the book "Microelectronic Electrical Systems. Applications in Radio Electronics" are known / Ed. Koneva Yu.I. M .: Radio and communications, 1987, chap. 7, pp. 184-199 [4].

Известные системы электропитания содержат солнечные батареи, аккумуляторные батареи со схемами защиты, подключенные к солнечной батарее и нагрузке через зарядные и разрядные преобразователи, соответственно.Known power supply systems include solar cells, batteries with protection circuits connected to the solar battery and the load through charging and discharge converters, respectively.

При этом регулирование мощности солнечной батареи осуществляется параллельными (шунтовыми) преобразователями либо последовательными (сериесными) преобразователями.At the same time, the power of the solar battery is regulated by parallel (shunt) converters or sequential (serial) converters.

Автономная система электропитания с сериесным преобразователем известна также по авторскому свидетельству №1106407; H02J 7/34, а с параллельным преобразователем - по авторскому свидетельству №1538751, G05F 1/56.An autonomous power supply system with a serial converter is also known by its copyright certificate No. 1106407; H02J 7/34, and with a parallel converter - according to the copyright certificate No. 1538751, G05F 1/56.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению является «Способ проведения ресурсных испытаний аккумуляторов космического назначения и устройство для его реализации», патент №2123460, принятый за прототип.The closest in technical essence of the claimed invention is the "Method of resource testing of batteries for space purposes and a device for its implementation", patent No. 2143460, adopted as a prototype.

Известный способ заключается в том, что испытания проводят в составе ИСЗ в процессе его летной эксплуатации на фрагментах оборудования, функционально равнозначных их полномасштабному аналогу, в определенном режиме подключения к автономной системе электропитания, содержащей солнечные батареи, связанные с нагрузкой через преобразователь напряжения, аккумуляторные батареи, подключенные через зарядные преобразователи к солнечной батарее, а через разрядные преобразователи - к нагрузке, включающей в себя целевую аппаратуру, бортовую ЭВМ и другие служебные системы ИСЗ, причем в автономную систему электропитания введен модуль, содержащий фрагмент оборудования - терморегулирующую плиту с установленными на ней последовательно соединенными аккумуляторами, индивидуальные зарядный и разрядный преобразователи, связанные, соответственно, с солнечной батареей и нагрузкой автономной системы электропитания, а также с бортовой ЭВМ, при этом число аккумуляторов в модуле выбирается исходя из располагаемого избытка мощности солнечной батареи, собственных электротехнических характеристик модуля и энергопотребления в дежурном режиме ИСЗ.The known method consists in the fact that the tests are carried out as part of the satellite during its flight operation on fragments of equipment that are functionally equivalent to their full-scale analogue, in a certain mode of connecting to an autonomous power supply system containing solar panels connected to the load through a voltage converter, batteries, connected via charging converters to the solar battery, and through discharge converters to the load, which includes the target equipment, on-board computer other service systems of the satellite, and a module containing a piece of equipment - a temperature control plate with series-connected batteries installed on it, individual charging and discharge converters associated, respectively, with the solar battery and the load of the autonomous power supply system, as well as on-board, is introduced into the autonomous power supply system A computer, while the number of batteries in the module is selected based on the available excess power of the solar battery, its own electrical characteristics teristik module and power consumption in standby satellite;

Известные «Способ… и устройство…», патент №2123460, имеет ряд недостатков:Known "Method ... and device ...", patent No. 2143460, has several disadvantages:

1) максимальное количество аккумуляторов в модуле ограничено наличием избыточной мощности солнечной батареи во время работы сеансной нагрузки. Ограничение количества аккумуляторов в ряде случаев не позволяет в полной мере оценить стабильность технологии производства аккумуляторов;1) the maximum number of batteries in the module is limited by the presence of excess power of the solar battery during operation of the session load. The limitation of the number of batteries in some cases does not allow us to fully assess the stability of the technology for the production of batteries;

2) максимальное количество аккумуляторов в экспериментальной батарее также ограничено значением мощности нагрузки ИСЗ в дежурном режиме;2) the maximum number of batteries in the experimental battery is also limited by the value of the satellite load power in standby mode;

3) разряд аккумуляторов экспериментальной батареи производится постоянной мощностью, что не позволяет сравнить результаты ресурсных испытаний, проводимых в составе ИСЗ, с результатами ресурсных испытаний, проводимых в наземных условиях;3) the discharge of the batteries of the experimental battery is carried out by constant power, which does not allow comparing the results of the life tests conducted as part of the satellite with the results of the life tests conducted under ground conditions;

4) отсутствует возможность обеспечения требуемых для проверки работы аккумуляторов температурных условий, которые отличаются от условий, создаваемых системой терморегулирования конкретного ИСЗ.4) there is no possibility of providing the temperature conditions required for checking the operation of the batteries, which differ from the conditions created by the thermal control system of a particular satellite.

В то же время ИСЗ, предназначенные, например, для телевизионных передач, в определенные промежутки времени (определяемые поясным временем) находятся в дежурном режиме, когда сеансная (целевая) аппаратура не включена, и имеющаяся в наличии мощность системы электропитания попросту не используется (работа сеансной нагрузки ИСЗ составляет в течение суток в среднем 40-60%). При этом наличие бортовой ЭВМ позволило бы гибко управлять проведением зарядов и разрядов аккумуляторов модуля в наиболее благоприятные периоды.At the same time, satellites intended, for example, for television broadcasts, are in standby mode at certain time intervals (determined by zone time) when the session (target) equipment is not turned on and the available power of the power supply system is simply not used (session work AES load during the day averages 40-60%). Moreover, the presence of an onboard computer would allow flexible control of the conduct of charges and discharges of the module batteries in the most favorable periods.

Путем введения в разрядную цепь модуля через переключатель дополнительного разрядного сопротивления исключалась бы зависимость количества аккумуляторов модуля от значения мощности дежурной нагрузки ИСЗ.By introducing an additional discharge resistance into the discharge circuit of the module through the switch, the dependence of the number of module batteries on the power of the standby load of the satellite would be eliminated.

Кроме того, при помощи бортовой ЭВМ можно было бы поддерживать на необходимом уровне температурный режим аккумуляторов.In addition, with the help of an onboard computer, it would be possible to maintain the temperature regime of the batteries at the required level.

Целью предлагаемого изобретения является повышение функциональных возможностей ресурсных испытаний аккумуляторов в составе ИСЗ.The aim of the invention is to increase the functionality of the resource tests of batteries in the satellite.

Поставленная задача решается тем, что зарядом и разрядом аккумуляторов управляют от бортовой ЭВМ, разряд аккумуляторов проводят стабилизированным током, а температурный режим аккумуляторов постоянно регулируют в процессе проведения их ресурсных испытаний. При этом индивидуальный разрядный преобразователь выполнен в виде стабилизатора тока, терморегулирующая плита содержит датчики температуры и нагреватели, и в модуль введено разрядное сопротивление, причем датчики температуры и нагреватели связаны с бортовой ЭВМ, а индивидуальный разрядный преобразователь своим выходом через переключатель дополнительно связан с разрядным сопротивлением.The problem is solved by the fact that the charge and discharge of the batteries are controlled from the on-board computer, the discharge of the batteries is carried out by a stabilized current, and the temperature of the batteries is constantly regulated during their life tests. In this case, the individual discharge converter is made in the form of a current stabilizer, the temperature control plate contains temperature sensors and heaters, and discharge resistance is introduced into the module, the temperature sensors and heaters being connected to the on-board computer, and the individual discharge converter through its output through the switch is additionally connected with the discharge resistance.

Предлагаемое изобретение позволяет, используя реально существующий избыток мощности в автономной системе электропитания ИСЗ и его резерв по массе, решить задачу проведения ресурсных испытаний разрабатываемых аккумуляторных батарей ИСЗ непосредственно в реальных условиях в процессе эксплуатации существующих ИСЗ, что повышает достоверность испытаний и частично сокращает материальные затраты, т.к. исключает необходимость создания аппаратуры для воспроизведения летных условий.The present invention allows, using a real existing excess of power in an autonomous satellite power supply system and its mass reserve, to solve the problem of carrying out life tests of the developed satellite satellite batteries under actual conditions during operation of existing satellite, which increases the reliability of tests and partially reduces material costs, t .to. eliminates the need to create equipment for reproducing flight conditions.

На чертеже представлена функциональная схема автономной системы электропитания для реализации рассматриваемого способа.The drawing shows a functional diagram of an autonomous power supply system for implementing the method in question.

Система содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через преобразователь напряжения 3 (в данном примере - последовательного типа), аккумуляторную батарею 4, подключенную через зарядный преобразователь 5 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 6 - к нагрузке 2.The system contains a solar battery 1 connected to a load 2 through a voltage converter 3 (in this example, a sequential type), a battery 4 connected through a charging converter 5 to a solar battery 1, and through a discharge converter 6 to a load 2.

Зарядный преобразователь 5 состоит из регулирующего ключа 7 и его схемы управления 8, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 9, транзисторах 10а, 10б и выпрямителя на диодах 11а и 11б.The charging converter 5 consists of a control key 7 and its control circuit 8, a boost booster made on a transformer 9, transistors 10a, 10b and a rectifier on diodes 11a and 11b.

Разрядный преобразователь 6 состоит из регулирующего ключа 12, управляемого схемой управления 13. На чертеже разрядный преобразователь 6 подключен к нагрузке 2 через выходной фильтр последовательного преобразователя напряжения 3.The bit converter 6 consists of a control switch 12 controlled by a control circuit 13. In the drawing, the bit converter 6 is connected to a load 2 through an output filter of a series voltage converter 3.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 14, управляемого схемой управления 15, входного фильтра - конденсатора 16 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 18 и конденсаторе 19.The voltage converter 3 consists of a control key 14, controlled by a control circuit 15, an input filter - capacitor 16 and an output filter on the diode 17, inductor 18 and capacitor 19.

Схемы управления преобразователями 8, 13, 15 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 8 регулирующего ключа 7 зарядного преобразователя 5 дополнительно связана с шунтом 20 в цепи заряда аккумуляторной батареи 4.The control circuits of the converters 8, 13, 15 are made in the form of pulse-width modulators input connected to the stabilized voltage buses. The control circuit 8 of the control key 7 of the charging Converter 5 is additionally associated with a shunt 20 in the charge circuit of the battery 4.

Нагрузка 2 в своем составе содержит целевую аппаратуру, бортовую ЭВМ 21, устройство телеметрии, командно-измерительную радиолинию.Load 2 in its composition contains the target equipment, on-board computer 21, telemetry device, command and measurement radio line.

Дополнительно в систему введен модуль 22. Модуль 22 состоит из терморегулирующей плиты 23 с установленными на ней последовательно соединенными аккумуляторами 24, индивидуального зарядного преобразователя 25, выполненного на регулирующем ключе 26, индивидуального разрядного преобразователя 27, выполненного на регулирующем ключе 28 и имеющего вольтодобавку 29, переключателя 30 и дополнительного разрядного сопротивления 31. Аккумуляторы 24 связаны через индивидуальный зарядный преобразователь 25 с нагрузкой 2, а через разрядный преобразователь 27, а также переключатель 30 - с нагрузкой 2 и дополнительным разрядным сопротивлением 31.In addition, module 22 is introduced into the system. Module 22 consists of a temperature-controlled plate 23 with accumulators 24 connected in series, an individual charging converter 25 made on a control key 26, an individual discharge converter 27 made on a control key 28 and having a voltage boost 29, a switch 30 and additional discharge resistance 31. The batteries 24 are connected through an individual charging converter 25 with a load of 2, and through a discharge converter 27, and also switch 30 - with a load of 2 and an additional discharge resistance 31.

Схемы 32 и 33, предназначенные для управления регулирующими ключами, соответственно, 26 (индивидуального зарядного преобразователя 25) и 28 (индивидуального разрядного преобразователя 27), выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов и связаны с шунтом 34 в цепи аккумуляторов 24, а вольтодобавка 29 может быть выполнена аналогично вольтодобавочному узлу зарядного преобразователя 5.Circuits 32 and 33, designed to control the control keys, respectively, 26 (individual charge converter 25) and 28 (individual discharge converter 27) are made in the form of pulse-width modulators and are connected to the shunt 34 in the battery circuit 24, and the voltage boost 29 can be performed similarly to the boost assembly of the charging transducer 5.

Терморегулирующая плита 23 содержит температурные датчики 35 и нагреватели 36. Температурные датчики 35 и нагреватели 36 имеют информационную связь с нагрузкой 2.The temperature-regulating plate 23 contains temperature sensors 35 and heaters 36. Temperature sensors 35 and heaters 36 have an information connection with load 2.

Система работает следующим образом. При наличии мощности солнечной батареи 1, избыточной для питания нагрузки 2 и заряда аккумуляторной батареи 4, по команде из бортовой ЭВМ посредством схемы управления 32 включается индивидуальный зарядный преобразователь 25 и осуществляется заряд аккумуляторов 24. Индивидуальный зарядный преобразователь 25 отключается командой из бортовой ЭВМ по достижению необходимой в соответствии с определенными критериями степени заряженности аккумуляторов 24.The system operates as follows. In the presence of the power of the solar battery 1, excess to power the load 2 and charge the battery 4, on command from the on-board computer through the control circuit 32, the individual charging converter 25 is turned on and the batteries are charged 24. The individual charging converter 25 is turned off by the command from the on-board computer to achieve the required in accordance with certain criteria of the degree of charge of the batteries 24.

В случае, если мощность разряда аккумуляторов 24 превышает мощность нагрузки 2, может быть осуществлен их разряд на дополнительно введенное разрядное сопротивление 31, связанное с индивидуальным разрядным преобразователем 27 через переключатель 30. В противном случае (при работе целевой аппаратуры) возможен разряд аккумуляторов 24 на нагрузку 2 ИСЗ. Разряд начинается и заканчивается по командам из бортовой ЭВМ посредством схемы управления 33.If the discharge power of the batteries 24 exceeds the power of the load 2, they can be discharged to an additionally introduced discharge resistance 31 connected to the individual bit converter 27 through the switch 30. Otherwise (during the operation of the target equipment), the batteries 24 can be charged to the load 2 satellites. The discharge begins and ends on commands from the on-board computer by means of a control circuit 33.

Помимо включения и выключения в необходимые моменты времени индивидуальных зарядного 25 и разрядного 27 преобразователей модуля 22, контроля параметров аккумуляторов 24, выбора нагрузки (нагрузки 2 ИСЗ или разрядного сопротивления 31) в процессе работы системы электропитания по своему основному функциональному назначению из бортовой ЭВМ производятся контроль температуры терморегулирующей плиты 23 при помощи температурных датчиков 35 и управление работой нагревателей 36, регулирование уставок зарядного и разрядного токов для обеспечения требуемых режима и алгоритма циклирования аккумуляторов 24.In addition to turning on and off the individual charging 25 and bit 27 converters of module 22 at the required time, monitoring the parameters of the batteries 24, selecting the load (load 2 of the satellite or discharge resistance 31) during the operation of the power supply system for its main functional purpose, the temperature control is carried out from the on-board computer temperature-controlled plate 23 using temperature sensors 35 and control the operation of heaters 36, adjusting the settings of the charging and discharge currents to ensure buoy modes and algorithm cycling batteries 24.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить достоверность результатов ресурсных испытаний, сократив при этом материальные затраты на их проведение, и расширить функциональные и энергетические возможности автономной системы электропитания ИСЗ.Thus, the proposed technical solution allows to increase the reliability of the results of life tests, while reducing material costs for their implementation, and to expand the functional and energy capabilities of an autonomous satellite power supply system.

Изготовлен опытный образец рассматриваемого модуля, испытания которого в составе автономной системы электропитания ИСЗ дали положительные результаты.A prototype of the module under consideration was manufactured, tests of which as part of an autonomous satellite power supply system gave positive results.

Claims

1. The method of carrying out resource tests of space batteries, which consists in cycling them as part of a module from series-connected batteries with control of their energy characteristics, the tests being carried out as part of an operated artificial Earth satellite, and the number of batteries in the module is limited by the presence of excess power in the artificial power system Earth satellite, characterized in that the charge and discharge of the batteries are controlled by the onboard computer, the discharge of the battery Yator carried stabilized current, and battery temperature regime continually adjusted during the course of their life tests.

2. A device for implementing the method of resource testing of space batteries, containing solar panels connected to the load through a voltage converter, rechargeable batteries connected through charging converters to solar panels, and through discharge converters to a load containing an onboard computer, thermal control devices, telemetry and command-measuring radio lines, as well as a module consisting of a thermostatic plate with a series connection to it batteries, individual charging and discharge converters associated with the load of the autonomous power supply system, and an on-board computer, characterized in that the individual discharge converter is made in the form of a current stabilizer, thermostatic plate contains temperature sensors and heaters, and discharge resistance is introduced into the module, and sensors temperatures and heaters are connected to the on-board computer, and the individual discharge converter is additionally connected to m resistance.