RU2401486C1

RU2401486C1 - Method of leveling capacity of nickel-hydrogen storage battery

Info

Publication number: RU2401486C1
Application number: RU2009116314/09A
Authority: RU
Inventors: Виктор Владимирович Коротких (RU); Виктор Владимирович Коротких; Сергей Григорьевич Кочура (RU); Сергей Григорьевич Кочура; Михаил Владленович Нестеришин (RU); Михаил Владленович Нестеришин
Original assignee: Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва"
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-10-10

Abstract

FIELD: power engineering. ^ SUBSTANCE: proposed method consists in heating NHSB to tolerable level, keeping it inoperative, cooling down to operating temperature and charging it by rated current. Note here that heating is performed by charging to accepted top temperature. Also additionally, storage battery leveling is controlled by capacity and, if required, leveling procedure is repeated to reach its required degree. ^ EFFECT: higher efficiency and expanded performances. ^ 2 cl

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания потребителей, установленных на автономных объектах, в частности на космических аппаратах (КА).The invention relates to electrical engineering and can be used in power supply systems of consumers installed on autonomous objects, in particular on spacecraft (SC).

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи происходит разбалансировка аккумуляторов по емкости. Это может быть следствием разных условий охлаждения отдельных аккумуляторов в батарее, наличия в отдельных аккумуляторах внутренних микрошунтов, пассивации активной массы аккумуляторов из-за неблагоприятных условий их эксплуатации и многих других факторов. Поэтому появление в процессе разряда аккумуляторной батареи полностью разряженного аккумулятора, когда батарея в целом имеет достаточную емкость, постоянно подтверждается на практике.During operation of the battery, the batteries are unbalanced by capacity. This may be due to different cooling conditions of individual batteries in the battery, the presence of internal microshunts in individual batteries, passivation of the active mass of the batteries due to adverse operating conditions and many other factors. Therefore, the appearance of a fully discharged battery when the battery as a whole has sufficient capacity during the battery discharge process is constantly confirmed in practice.

Известны способы эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (см. подраздел XI.2, Б.И.Центер, Н.Ю.Лызлов. "Металл-водородные электрические системы". Л.: "Химия". Ленинградское отделение, 1989). Известные способы заключаются в длительном перезаряде малыми токами и длительном хранении в состоянии «разокнутой цепи» для полного саморазряда аккумуляторов.Known methods of operating nickel-hydrogen storage batteries (see subsection XI.2, B.I. Tsenter, N.Yu. Lyzlov. "Metal-hydrogen electrical systems." L.: "Chemistry". Leningrad branch, 1989). Known methods are long-term recharging with small currents and long-term storage in the state of "open circuit" for complete self-discharge of the batteries.

На космических аппаратах широко используются два метода выравнивания емкости:On spacecraft, two methods for equalizing capacitance are widely used:

- разрядом батареи на общее сопротивление (этот метод широко используется в разработках США, например на ИСЗ серии Intelsat [Levy Е., Ir.Osugi Fred s.Design and Performance of Intelsat - IV Power Subsystem. «7^thIntersoc. Energy Convers Eng Conf., San Diego, Calif., 1972»];- 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 "];

- 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)].- 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)].

Метод выравнивания емкости разрядом батареи на общее разрядное сопротивление 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.The method of equalizing capacity by discharging the battery to the total discharge resistance 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.

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.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.

Значение тока выбирается на основе компромисса между обеспечением полной степени заряженности батареи и недопущением перегрева отдельных аккумуляторов. Для исключения разбалансировки ток перезаряда должен быть достаточным для «подтягивания» наиболее «слабого» аккумулятора, т.е. аккумулятора, имеющего максимальный саморазряд к верхнему уровню заряженности. Поэтому во всех случаях, из-за индивидуальных особенностей аккумуляторов при выбранном токе перезаряда, в батарее имеются аккумуляторы, которые подвергаются наибольшему перезаряду, что ухудшает их ресурсные характеристики.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 unbalancing, the overcharge current should be sufficient to "pull up" the most "weak" battery, i.e. a battery having a maximum self-discharge to the upper level of charge. 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, which affects their resource characteristics.

Наиболее близким по технической сущности является способ выравнивания емкости аккумуляторов никель-водородной аккумуляторной батареи, см. патент RU (11) 2321105, принятый за прототип.The closest in technical essence is the method of aligning the capacity of the batteries of the Nickel-hydrogen storage battery, see patent RU (11) 2321105, adopted for the prototype.

Известный «Способ выравнивания емкости никель-водородной аккумуляторной батареи» заключается в отключении ее от внешней цепи, нагреве и хранении в отключенном состоянии при температуре не выше 50°C до полного саморазряда всех аккумуляторов ниже 0,5 В, после чего ее охлаждают до рабочей температуры и подключают к внешней цепи.The well-known "Method for equalizing the capacity of a nickel-hydrogen storage battery" consists in disconnecting it from the external circuit, heating and storing it in the disconnected state at a temperature not exceeding 50 ° C 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.

В известном способе выравнивания аккумуляторов по емкости используется свойство никель-водородного аккумулятора - свойство «селективного катализа», которое выражается химической реакциейIn the known method of aligning batteries by capacity, the property of a nickel-hydrogen battery is used - the property of "selective catalysis", which is expressed by a chemical reaction

.

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 статье (Б.И.Центер, А.И.Служевский. "Исследование кинетики саморазряда герметичного никель-водородного аккумулятора", журнал прикладной химии №11, 1981 г.) приведены экспериментальные данные, из которых видно, что снижение емкости аккумуляторов на 50% от начальной при хранении происходит при температуре 15°C примерно за ~20 суток, а при 30°C - за 5 суток. Аналогичная зависимость подтверждается и многими другими источниками.The rate of the chemical process of hydrogen oxidation is highly temperature dependent. The article (B.I. Tsenter, A.I.Sluzhevsky. "Study of the kinetics of self-discharge of a sealed nickel-hydrogen battery", Journal of Applied Chemistry No. 11, 1981) provides experimental data from which it is seen that a decrease in battery capacity by 50 % of the initial storage occurs at a temperature of 15 ° C in about ~ 20 days, and at 30 ° C in 5 days. A similar relationship is confirmed by many other sources.

Суть известного способа заключается в нагреве аккумуляторов и хранении батареи в отключенном от заряда и нагрузки состоянии до снижения напряжения на всех аккумуляторах ниже 0,5 В.The essence of the known 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.

Недостатком известного способа являются низкие функциональные возможности и эффективность процесса выравнивания. Процесс выравнивания требует существенных затрат времени. При этом для его проведения необходимо отключение аккумуляторной батареи от внешней цепи, что в составе ИСЗ возможно только при наличии резервных аккумуляторных батарей.The disadvantage of this method is the low functionality and efficiency of the alignment process. The alignment process is time consuming. Moreover, to conduct it, it is necessary to disconnect the battery from the external circuit, which as part of the satellite is possible only with backup batteries.

Кроме того, в процессе такого выравнивания некоторые аккумуляторы могут достигать напряжения, близкого к нулю, что, особенно при повышенной температуре, приводит к переходу активной массы из активной фазы α-Ni(OH)₂ в неактивную фазу β-Ni(OH)₂. В итоге это приводит к снижению емкости аккумуляторной батареи (см. S.W.Donley and D.C.Verrier (TRW Space and Technology Group). Study of Nikel Hydrogen Battery Discharge Performange After Charge and Stand at Warm Temperature - Исследование разрядных характеристик никель-водородной батареи после заряда и выдержки при повышенной температуре). В целом это снижает эффективность и функциональные возможности известного способа.In addition, during this alignment, some batteries can reach a voltage close to zero, which, especially at elevated temperatures, leads to the transition of the active mass from the active phase of α-Ni (OH) ₂ to the inactive phase of β-Ni (OH) ₂ . As a result, this leads to a decrease in battery capacity (see SWDonley and DCVerrier (TRW Space and Technology Group). Study of Nikel Hydrogen Battery Discharge Performange After Charge and Stand at Warm Temperature - Study of discharge characteristics of a nickel-hydrogen battery after charging and holding at elevated temperature). In general, this reduces the efficiency and functionality of the known method.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности и функциональных возможностей способа выравнивания емкости аккумуляторов никель-водородной аккумуляторной батареи.The task of the invention is to increase the efficiency and functionality of the method of leveling the battery capacity of a nickel-hydrogen storage battery.

Поставленная задача решается тем, что при проведении нагрева до температуры не выше допустимого уровня, хранения, с последующим охлаждением до рабочего уровня температуры, и заряда номинальным током нагрев проводят путем заряда до достижения температуры установленного верхнего уровня, кроме того, дополнительно контролируют степень выравнивания аккумуляторов по емкости и, при необходимости, повторяют процедуру выравнивания до достижения требующейся степени выравнивания.The problem is solved in that when heating to a temperature not higher than the permissible level, storage, followed by cooling to a working temperature level, and charging with a rated current, heating is carried out by charging until the temperature reaches the set upper level, in addition, the degree of alignment of the batteries is additionally controlled by containers and, if necessary, repeat the alignment procedure until the desired level of alignment is achieved.

Действительно, нагрев всех аккумуляторов до одного уровня температуры обуславливает примерно равный для всех аккумуляторов саморазряд. Процесс выравнивания при этом идет достаточно медленно. При этом аккумуляторы, имеющие меньшую начальную емкость, первыми полностью саморазряжаются и подвергаются хранению в разряженном состоянии в неблагоприятных температурных условиях.Indeed, the heating of all batteries to one temperature level causes self-discharge approximately equal for all batteries. The alignment process is rather slow. At the same time, batteries with a lower initial capacity are the first to fully self-discharge and are stored in a discharged state in adverse temperature conditions.

Предлагаемый же способ нагрева аккумуляторной батареи однозначно ведет к тому, что аккумуляторы нагреваются тем больше, чем они более заряжены. Следовательно, токи саморазряда аккумуляторов будут изначально прямо пропорциональны степени их заряженности. Этот факт позволяет устранить (полностью или частично) исходную разбалансировку аккумуляторов по емкости на этапе охлаждения аккумуляторной батареи до рабочего уровня температуры.The proposed method of heating the battery unambiguously leads to the fact that the batteries heat up the more they are more charged. Therefore, the self-discharge currents of the batteries will initially be directly proportional to the degree of their charge. This fact allows us to eliminate (in whole or in part) the initial unbalance of the batteries in terms of capacity at the stage of cooling the battery to the operating temperature level.

Следует отметить, что максимально допустимый уровень температуры для современного никель-водородного аккумулятора в состоянии хранения составляет 50°C, при проведении разряда - 45°C, а при проведении заряда - (30-35)°C. При этом рабочий диапазон температур составляет (5-15)°C. Приведенные значения температур с учетом статьи (Б.И.Центер, А.И.Служевский. "Исследование кинетики саморазряда герметичного никель-водородного аккумулятора", журнал прикладной химии №11, 1981 г.) свидетельствуют о том, что разница в температурах аккумуляторов будет способствовать выравниванию их по емкости.It should be noted that the maximum allowable temperature level for a modern nickel-hydrogen battery in storage is 50 ° C, during discharge - 45 ° C, and during charge - (30-35) ° C. Furthermore, working temperature range is (5-15) ° C. The temperature values given taking into account the article (B.I. Tsenter, A.I.Sluzhevsky. "Study of the self-discharge kinetics of a sealed nickel-hydrogen battery", Journal of Applied Chemistry No. 11, 1981) indicate that the difference in battery temperatures will be to help align their capacity.

Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является то, что в процессе проведения выравнивания аккумуляторов по емкости аккумуляторная батарея непрерывно имеет достаточно большую текущую емкость, что позволяет проводить выравнивание не имея резервной аккумуляторной батареи.An additional advantage of the proposed method is that in the process of aligning the batteries by capacity, the battery continuously has a sufficiently large current capacity, which allows alignment without having a backup battery.

Известно, что степень разбалансировки аккумуляторов по емкости можно оценить по текущему давлению или по разрядному напряжению аккумуляторов. Наличие разбалансировки аккумуляторов в аккумуляторной батарее косвенно можно определить по конечному разрядному напряжению аккумуляторной батареи.It is known that the degree of imbalance of batteries by capacity can be estimated by the current pressure or by the discharge voltage of the batteries. The presence of unbalance of the batteries in the battery can be indirectly determined by the final discharge voltage of the battery.

Исходя из прямых или косвенных признаков степени текущей разбалансировки, можно принять решение о необходимости повтора процедуры выравнивания до достижения требующейся степени выравнивания.Based on direct or indirect signs of the degree of current imbalance, you can decide whether to repeat the leveling procedure until the desired level of leveling is achieved.

Реализацию предлагаемого способа можно пояснить на примере геостационарного связного КА.The implementation of the proposed method can be illustrated by the example of a geostationary connected spacecraft.

Для геостационарных КА характерно наличие «теневых» участков орбиты с максимальной длительностью тени 72 минуты в за одни сутки. При этом длительность периода с теневыми участками орбиты составляет 45 суток в течение полугода. Все это позволят проводить выравнивание аккумуляторов по емкости в аккумуляторной батареи практически, при необходимости, ежесуточно.Geostationary spacecraft are characterized by the presence of “shadow” sections of the orbit with a maximum shadow duration of 72 minutes in one day. The duration of the period with shadow portions of the orbit is 45 days for six months. All this will allow aligning the batteries according to capacity in the battery almost daily, if necessary.

Запускать операцию выравнивания на исполнение можно по радиокомандам с Земли либо от бортовой ЭВМ, по заранее заложенной программе.You can start the alignment operation for execution by radio commands from the Earth or from the onboard computer, according to a predefined program.

Таким образом, предлагаемый способ выравнивания емкости аккумуляторов никель-водородной аккумуляторной батареи позволяет проводить эффективное выравнивание емкости аккумуляторов в аккумуляторной батарее без каких-либо ограничений, при предельной простоте и практически отсутствии дополнительных затрат на его реализацию. Предлагаемый способ предлагается использовать в разработках КА.Thus, the proposed method for leveling the battery capacity of a nickel-hydrogen storage battery allows efficient battery leveling in the battery without any restrictions, with extreme simplicity and virtually no additional costs for its implementation. The proposed method is proposed to be used in the development of the spacecraft.

Claims

1. The method of leveling the battery capacity of the Nickel-hydrogen battery, which consists in heating it to a temperature not higher than the permissible level, storage, followed by cooling to the operating temperature level and charging with a rated current, characterized in that the heating is carried out by charging until the temperature of the battery installed top level.

2. The method according to claim 1, characterized in that they further control the degree of alignment of the batteries in terms of capacity and, if necessary, repeat the alignment procedure until the desired degree of alignment is achieved.