RU2543487C2 - Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft - Google Patents
Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543487C2 RU2543487C2 RU2013118850/07A RU2013118850A RU2543487C2 RU 2543487 C2 RU2543487 C2 RU 2543487C2 RU 2013118850/07 A RU2013118850/07 A RU 2013118850/07A RU 2013118850 A RU2013118850 A RU 2013118850A RU 2543487 C2 RU2543487 C2 RU 2543487C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery
- temperature
- charge
- batteries
- logic
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL 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
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Landscapes
- Secondary Cells (AREA)
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) в автономных системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), функционирующих на низкой околоземной орбите.The present invention relates to the electrical industry and can be used in the operation of nickel-hydrogen storage batteries (AB) in autonomous power supply systems (BES) of spacecraft (SC), operating in low Earth orbit.
В процессе всего срока активного существования современных КА на низкой околоземной орбите производится 10000 и более зарядно-разрядных циклов АБ и подобный режим работы СЭП на сегодняшний день лучше всего обеспечивают никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ).During the entire period of active existence of modern spacecraft in low Earth orbit, 10,000 or more charge-discharge AB cycles are performed, and a similar mode of operation of solar cells is best provided by nickel-hydrogen storage batteries (NAB).
Особенностью НВАБ является то, что все последовательно соединенные аккумуляторы заряжаются и разряжаются одним и тем же количеством электрического заряда (А·ч). В идеальном случае, если начальное состояние аккумуляторов одинаково, не должно быть никаких изменений в их относительных степенях заряженности. Однако вследствие разницы в скорости саморазряда последовательно соединенные аккумуляторы приобретают различное состояние заряженности. Любое отклонение, вызванное дисперсией начальных характеристик саморазряда, градиентом температур внутри НВАБ и процессом старения, может увеличить разброс в степенях заряженности аккумуляторов, что приводит к деградации характеристик НВАБ, и более того, при отсутствии систем балансировки состояния заряда, может привести к снижению надежности работы НВАБ. Существует еще так называемый «эффект памяти», связанный с уменьшением емкости НВАБ при длительном цитировании на небольшую глубину - (10-20)%. Причиной уменьшения емкости НВАБ является кристаллизация некоторой части материала электродов аккумуляторов в силу отчуждения ее на длительное время от токообразующей химической реакции. Именно такая глубина цитирования выбирается при эксплуатации АБ на низких околоземных орбитах. Поэтому для выравнивания аккумуляторов по емкости, устранения так называемого «эффекта памяти» и оценки состояния АБ необходимо периодически проводить восстановительные (формовочные) циклы, которые представляют собой практически полный разряд и заряд АБ.A feature of NVAB is that all series-connected batteries are charged and discharged with the same amount of electric charge (Ah). In the ideal case, if the initial state of the batteries is the same, there should be no change in their relative degrees of charge. However, due to the difference in the self-discharge rate, the batteries connected in series acquire a different state of charge. Any deviation caused by the dispersion of the initial characteristics of the self-discharge, the temperature gradient inside the NVAB and the aging process can increase the spread in the degrees of charge of the batteries, which leads to the degradation of the characteristics of the NVAB, and moreover, in the absence of systems for balancing the state of charge, it can lead to a decrease in the reliability of the operation of the NVAB . There is also the so-called “memory effect” associated with a decrease in the capacity of NVAB with prolonged citation to a shallow depth of (10-20)%. The reason for the decrease in the capacity of NVAB is the crystallization of a certain part of the material of the electrodes of the batteries due to its alienation for a long time from the current-forming chemical reaction. It is precisely this citation depth that is chosen when operating the AB in low Earth orbits. Therefore, in order to equalize the batteries in terms of capacity, eliminate the so-called “memory effect” and evaluate the state of the battery, it is necessary to periodically conduct recovery (molding) cycles, which represent an almost complete discharge and charge of the battery.
На ресурс, а, следовательно, и на надежность ее функционирования НВАБ существенное влияние оказывает ее температурный режим. Так режим работы в условиях повышенной температуры приводит к повышенной деградации основных характеристик аккумуляторов, а в условиях низких температур - к увеличению внутреннего сопротивления НВАБ.On the resource, and, consequently, on the reliability of its functioning, the NWAB is significantly affected by its temperature regime. So, the operating mode at elevated temperatures leads to increased degradation of the main characteristics of the batteries, and at low temperatures, to an increase in the internal resistance of NVAB.
Температурный режим НВАБ зависит как от температуры теплоносителя, охлаждающего аккумуляторы, так и собственного тепловыделения. Наибольшее тепловыделение возникает при перезаряде НВАБ, когда заряд аккумуляторов осуществляется в области низких КПД с выделением кислорода (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981). Поэтому выбор оптимального с точки зрения минимума собственного тепловыделения режима функционирования НВАБ в составе системы электропитания КА является актуальной задачей.The temperature regime of NVAB depends both on the temperature of the coolant cooling the batteries and on its own heat. The greatest heat generation occurs when the NVAB is recharged, when the batteries are charged in the low-efficiency region with oxygen evolution (B.C. Bagotsky, A.M. Skundin. Chemical current sources. M: Energoizdat, 1981). Therefore, the selection of the optimal from the point of view of minimum own heat emission mode of operation of the NVAB as part of the spacecraft power system is an urgent task.
Известен способ эксплуатации аккумуляторной батареи по патенту RU №2289178 (аналог), заключающийся в том, что проводят заряд-разрядные циклы, осуществляют контроль напряжения каждого аккумулятора и батареи в целом, определяют текущую разрядную и зарядную емкости, а также ток заряда; заряд АБ проводят постоянным током до величины (0,6-0,8) номинальной емкости. Перед началом теневых участков геостационарной орбиты выполняют восстановительный разряд-зарядный цикл АБ, при этом АБ разряжают на разрядное сопротивление в течение 40-50 часов, причем заряд прекращают после снижения напряжения АБ до заданной величины, затем АБ заряжают, подключая ее в штатную схему СЭП.A known method of operating the battery according to patent RU No. 2289178 (analogue) is that charge-discharge cycles are carried out, the voltage of each battery and the battery as a whole are monitored, the current discharge and charging capacities are determined, as well as the charge current; the battery charge is carried out by direct current to a value (0.6-0.8) of the nominal capacity. Before the start of the shadow sections of the geostationary orbit, a recovery discharge-charge cycle of the batteries is performed, while the batteries are discharged to discharge resistance for 40-50 hours, and the charge is stopped after the battery voltage drops to a predetermined value, then the batteries are charged by connecting it to the standard BOT circuit.
Недостатком этого способа является также низкая надежность эксплуатации СЭП, в частности, и недостаточная живучесть КА в целом. Это связано с тем, что процесс проведения восстановительного разряд-заряда (формовочного цикла) занимает длительное время, и на это время аккумуляторная батарея выводится из штатной эксплуатации. Для геостационарных орбит это приемлемо, т.к. теневые орбиты занимают 90 суток в году, все остальное время КА находится на освещенном участке орбиты, электропитание осуществляется от солнечных батарей и вывод из эксплуатации одной АБ на длительное время практически не сказывается на живучести и надежности эксплуатации КА. Для низкоорбитальных космических аппаратов вывод из эксплуатации одной из батарей на длительное время может существенно снизить живучесть и надежность эксплуатации АБ, в частности, и КА в целом, т.к. теневые участки орбиты возникают каждые полтора часа.The disadvantage of this method is also the low reliability of the operation of the EPA, in particular, and the insufficient survivability of the spacecraft as a whole. This is due to the fact that the process of conducting a recovery discharge charge (molding cycle) takes a long time, and at this time the battery is taken out of normal operation. For geostationary orbits, this is acceptable because shadow orbits take 90 days a year, the rest of the spacecraft’s time is in the illuminated portion of the orbit, the power is supplied from solar panels and the decommissioning of one battery for a long time practically does not affect the survivability and reliability of the spacecraft. For low-orbit spacecraft, the decommissioning of one of the batteries for a long time can significantly reduce the survivability and reliability of operation of the AB, in particular, and the spacecraft as a whole, because shadow portions of the orbit occur every hour and a half.
Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи системы электропитания космического аппарата по патенту RU №2399122 (прототип), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой аккумуляторной батареи, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически проводят формовочные циклы АБ путем глубокого их разряда, оценивают состояние АБ, периодически, например, один раз в 6-9 месяцев, вводят запрет заряда для одной из АБ, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают в вольтах равным числу n либо (n+1) аккумуляторов в аккумуляторной батарее, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, включая тем самым ее в штатную работу, значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла, используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, при этом промежуток времени от завершения формовочного цикла одной АБ до начала формовочного цикла другой АБ выбирают, исходя из температурного режима отформованной АБ.A known method of operating a nickel-hydrogen storage battery of the spacecraft’s power supply system according to patent RU No. 2399122 (prototype), which consists in the fact that two or more batteries are cycled in a charge-discharge mode defined by the on-board automation of the power supply system, the degree of charge of the batteries is limited by the level of response of the pressure signal sensors located in the individual batteries of each battery, control the parameters of each battery, for example current electric capacity, voltage, temperature, periodically carry out AB molding cycles by deep discharge, evaluate the state of the AB, periodically, for example, once every 6-9 months, charge prohibition for one of the ABs is introduced, space-borne onboard equipment is used as a discharge load apparatus, the criterion for limiting the depth of the discharge is selected the value of the voltage AB, and the value of the boundary voltage level is set in volts equal to the number n or (n + 1) of batteries in the battery, when reaching They remove the ban on the battery charge, thereby including it in regular operation, the values of the charging capacity of the alarm pressure sensor and the maximum battery voltage when charging, determined during the completion of the molding cycle, used to assess the state of the battery and predict its degradation, repeat the same sequence of operations for the subsequent AB, while the period from the completion of the molding cycle of one AB to the start of the molding cycle of another AB is selected based on the temperature th mode molded AB.
Недостатком прототипа является относительно низкая надежность системы электропитания, связанная со снижением ресурса АБ при ее длительной эксплуатации в условиях повышенной температуры. Действительно проведение периодически формовочных циклов существенно повышает ресурс АБ и, как правило, надежность ее функционирования в составе СЭП КА. Однако при неправильной штатной эксплуатации, когда АБ отключается от заряда при достижении заданного уровня заряженности, соответствующего в области низких КПД, возможен ее перегрев, приводящий к существенному ограничению ресурса и, как следствие, к снижению надежности функционирования.The disadvantage of the prototype is the relatively low reliability of the power supply system associated with a decrease in battery life during its long-term operation at elevated temperatures. Indeed, conducting periodically molding cycles significantly increases the battery life and, as a rule, the reliability of its operation as part of the SEP spacecraft. However, in the case of improper normal operation, when the battery is disconnected from the charge when the specified charge level is reached, which is in the low efficiency range, it can overheat, leading to a significant limitation of the resource and, as a result, to a decrease in the reliability of operation.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности функционирования НВАБ путем увеличения ее ресурса, т.е. продолжительности штатной эксплуатации.The objective of the invention is to increase the reliability of the functioning of the NWAB by increasing its resource, i.e. duration of normal operation.
Поставленная задача достигается тем, что в способе эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) системы электропитания космического аппарата, заключающемся в том, что две или более аккумуляторные батареи циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания, контролируют параметры каждой аккумуляторной батареи, например текущую электрическую емкость, напряжение, температуру, периодически один раз в 6-9 месяцев вводят запрет заряда для одной из АБ для выполнения формовочного цикла, в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, критерием ограничения глубины разряда выбирают величину напряжения АБ, причем значение граничного уровня напряжения устанавливают в вольтах равным числу n либо (n+1) аккумуляторов в аккумуляторной батарее, при достижении которого снимают запрет заряда АБ, а определяемое в процессе завершения формовочного цикла значение максимального напряжения АБ при заряде используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, в котором степень заряда аккумуляторных батарей ограничивают или аппаратно по «жесткой» логике, или программно по «гибкой» логике, причем управление зарядом АБ по «гибкой» логике выбирают в качестве основного варианта, а по «жесткой» логике - в качестве резервного варианта, при этом отключение АБ от заряда по «жесткой» логике выполняют по признаку превышения давления газовой среды в АБ i-го порогового значения, выбранного в качестве рабочего из множества дискретных, заранее заданных пороговых значений давления, причем перевод на другое рабочее пороговое значение давления из данного множества осуществляют по разовой команде, исходя из величины температуры АБ, а отключением АБ от заряда по «гибкой» логике управляют дискретно при переходе из одного диапазона температур в другой и плавно внутри каждого диапазона, используя систему зависящих от ее температуры t линейных уравнений, справедливых соответственно в конкретном диапазоне изменения температуры АБ:This object is achieved by the fact that in the method of operating the nickel-hydrogen storage batteries (AB) of the spacecraft’s power supply system, which consists in the fact that two or more batteries are cycled in a charge-discharge mode specified by the on-board automation of the power supply system, the parameters of each battery are controlled , for example, the current electric capacity, voltage, temperature, periodically once every 6-9 months, a charge ban is introduced for one of the batteries to perform the molding cycle, in As a discharge load, the onboard equipment of the spacecraft is used, the voltage value of the battery is selected as a criterion for limiting the depth of the discharge, and the value of the boundary voltage level is set in volts equal to the number n or (n + 1) of batteries in the battery, upon reaching which the battery charge ban is removed, and in the process of completing the molding cycle, the value of the maximum battery voltage during charging is used to assess the state of the battery and predict its degradation, similar to the sequence of operations is repeated for the subsequent battery, in which the degree of charge of the batteries is limited either hardware by “hard” logic or software by “flexible” logic, and battery charge control by “flexible” logic is chosen as the main option, and by “hard” "Logic - as a backup option, while disconnecting the battery from the charge according to" hard "logic is performed on the basis of excess pressure of the gaseous medium in the battery of the i-th threshold value, selected as a working one from the set of discrete ones, in advance for data of pressure threshold values, and transferring to another working pressure threshold value from this set is carried out according to a one-time command, based on the temperature of the battery, and disconnecting the battery from the charge according to the "flexible" logic is controlled discretely when moving from one temperature range to another and smoothly inside of each range, using a system of linear equations depending on its temperature t, which are valid, respectively, in a specific range of changes in temperature AB:
Рпор.=α1(Р0 - k·t) в диапазоне t1≤t≤t2;R por. = α 1 (P 0 - k · t) in the range t 1 ≤t≤t 2 ;
Рпор.=α2(Р0 - k·t) в диапазоне t2≤t≤t3;R por. = α 2 (P 0 - k · t) in the range of t 2 ≤t≤t 3 ;
…………………………………………………………………………………………
Рпор.=αn-(P0 - k·t) в диапазоне tn<t≤tn+1;R por. = α n - (P 0 - k · t) in the range t n <t≤t n + 1 ;
tпор.≥· tкрит. в диапазоне t≥tкрит.,t then ≥ · t crit in the range t≥t crit. ,
где Рпор.- пороговое значение давления газовой среды в АБ, при котором АБ отключается от заряда, в МПа;where R pore. is the threshold value of the pressure of the gas medium in the battery, at which the battery is disconnected from the charge, in MPa;
Р0 - величина (паспортное значение) давления газовой среды в АБ при температуре 0°С;P 0 - value (nameplate value) of the pressure of the gas medium in the battery at a temperature of 0 ° C;
k - постоянный коэффициент, в МПа/град;k is a constant coefficient, in MPa / city;
t - температура АБ, в °С;t is the temperature of the battery, in ° C;
αi - постоянный безразмерный коэффициент, изменяющийся дискретно, например, от 1 до 0,6;α i is a constant dimensionless coefficient that varies discretely, for example, from 1 to 0.6;
tкрит. - критичная для функционирования температура, при которой АБ отключается от заряда независимо от давления газовой среды в АБ;t crit - temperature critical for functioning, at which the battery is disconnected from the charge regardless of the pressure of the gas medium in the battery;
α1>α2>·>αn;α 1 > α 2 >·> α n ;
ti<t2<·<tn<tкрит. t i <t 2 <· <t n <t crit.
Ha чертеже показана упрощенная блок-схема работы СЭП.The drawing shows a simplified block diagram of the operation of the EPA.
Система электропитания состоит из аккумуляторных батарей АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1, батареи фотоэлектрической (БФ) 2, комплекса автоматики и регулирования напряжения (КАС), включающего в себя разрядные устройства РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3, зарядные устройства ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4, стабилизатора напряжения и автоматики (СНА) 5. Бортовая аппаратура (БА) 6 может быть запитана от РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 или СНА 5, а также в процессе испытаний от наземного источника питания Еназ через дистанционный переключатель 7. Аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 перед стартом КА заряжаются вспомогательным зарядным устройством Езар. The power supply system consists of AB batteries (AB1, AB2, AB3) 1, a photovoltaic (BF) 2 battery, a complex of automation and voltage regulation (CAS), which includes RU (RU1, RU2, RU3) 3 discharge devices, charger chargers (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4, voltage stabilizer and automatics (СНА) 5. On-board equipment (БА) 6 can be powered from the RU (РУ1, РУ2, РУ3) 3 or СНА 5, as well as during testing from a ground power source E naz through the
В отдельных режимах функционирования системы электропитания РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 и СНА 5 могут питать электрической энергией совместно нагрузку, каковой является БА 6. При аномальной работе РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 или ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4 для изменения конфигурации СЭП может быть использована аварийная шина с коммутационной аппаратурой 8, например, при выходе из строя 3РУ1 аккумуляторная батарея АБ1 подключается параллельно АБ2 к 3РУ2 и т.д.In certain operating modes of the power supply system RU (RU1, RU2, RU3) 3 and СНА 5 can supply electrical energy together with the load, which is
Из бортового комплекса управления (БКУ) 9 можно при необходимости выдавать разовые команды (РК) для изменения режимов работы СЭП, в том числе такие РК, как «Запрет заряда ABi», «Восстановление КАС», «Отключение ABi», «Выключение 3PYi от аварийной шины». При штатной работе СЭП аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 заряжаются на световом участке орбиты КА, а на теневом участке АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 питают БА 6 стабилизированным РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 напряжением. Батарея фотоэлектрическая 2 на световом участке обеспечивает стабилизированным СНА 5 напряжением БА 6 и одновременно заряжает АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1.If necessary, one-time commands (RC) can be issued from the on-board control complex (BCU) 9 to change the operation modes of the electronic control system, including such control devices as “Prohibition of charge ABi”, “Recovery of CAS”, “Shutdown of ABi”, “Shutdown of 3PYi emergency bus. " During the normal operation of the solar cells, the batteries (AB1, AB2, AB3) 1 are charged in the light portion of the orbit of the spacecraft, and in the shadow portion of the batteries (AB1, AB2, AB3) 1 they feed the
Из фиг. видно, что «минусовые» шины АБ не коммутируются и гальванически связаны между собой, поэтому коммутационная аппаратура 8 аварийной шины обеспечивает изменение конфигурации СЭП только по «плюсовой» шине.From FIG. it can be seen that the “negative” AB buses are not switched and are galvanically connected to each other, therefore, the emergency
Так как существенная разбежка параметров аккумуляторов АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 происходит через 6-9 месяцев, то периодичность проведения формовочных циклов выбирается один раз в 6-9 месяцев. При этом конкретный срок их проведения в пределах 6-9 месяцев может быть установлен, исходя из других требований, например, в период минимальной длительности теневых участков орбиты КА и т.д. Формовочные циклы проводят по очереди на одной из АБ (АБ1, АБ2, АБ3) 1 в произвольном порядке, используя зарядно-разрядное устройство (3РУ) 10, состоящее из РУ (РУ1, РУ2, РУ3) 3 и ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3) 4, и аварийную шину с коммутационной аппаратурой 8 при необходимости. За сутки до проведения формовочного цикла при штатной работе системы электропитания осуществляют съем информации (на фиг. система телеметрического контроля КА не показана) о работе формуемой АБ (максимальное напряжение на заряде, минимальное напряжение при разряде, максимальную текущую емкость, максимальную температуру).Since a significant variation in the parameters of AB batteries (AB1, AB2, AB3) 1 occurs after 6–9 months, the frequency of molding cycles is selected once every 6–9 months. At the same time, a specific period of their holding within 6–9 months can be established based on other requirements, for example, during the period of the minimum duration of the shadow sections of the spacecraft’s orbit, etc. Molding cycles are carried out in turn on one of the ABs (AB1, AB2, AB3) 1 in an arbitrary order, using a charge-discharge device (3RU) 10, consisting of RU (RU1, RU2, RU3) 3 and ZU (ZU1, ZU2, ZU3 ) 4, and the emergency bus with
Запрет заряда формуемой АБ вводят путем выдачи из наземного комплекса управления (НКУ) через БКУ 8 РК «Запрет заряда АБ». В этом случае происходит разряд формуемой АБ на нагрузку (на бортовую аппаратуру 6) на теневых участках орбиты. Таким образом, запасенную в АБ энергию используют по прямому назначению. После выполнения необходимого глубокого разряда запрет заряда АБ снимают путем выдачи РК «Восстановление КАС» и формуемую АБ заряжают на фоне штатного функционирования СЭП на солнечных участках орбиты. Формовочный цикл считают завершенным, если формуемая АБ будет восполнена до заданного значения текущей емкости.Prohibition of charge by AB formable is introduced by issuing from the ground control complex (GCC) through
В предлагаемом способе эксплуатации НВАБ управление отключением АБ от заряда осуществляют, используя или «гибкую» логику (основной вариант), или «жесткую» логику (резервный вариант), не применяя сигнальных датчиков давления. Отключение АБ от заряда как по «гибкой» логике, так и по «жесткой» логике выполняют по расчетному или заданному пороговому значению давления газовой среды в НВАБ (далее по тексту порогового значения давления) соответственно, в качестве которой является водород, являющийся активным веществом аккумуляторов. В зависимости от степени заряженности давление газовой среды в НВАБ практически пропорционально изменяется, причем при заряде давление увеличивается, а при разряде уменьшается. (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока. М.: Энергоиздат, 1981).In the proposed method of operation of the NVAB, the battery disconnection from the charge is controlled using either “flexible” logic (the main option) or “hard” logic (the backup option) without using pressure signal sensors. The battery is disconnected from the charge according to both “flexible” logic and “hard” logic according to the calculated or specified threshold value of the pressure of the gaseous medium in the NVAB (hereinafter referred to as the threshold pressure value), respectively, which is hydrogen, which is the active substance of the batteries . Depending on the degree of charge, the pressure of the gaseous medium in the NVAB practically proportionally changes, moreover, when charging, the pressure increases, and when discharging, it decreases. (B.C. Bagotsky, A.M. Skundin. Chemical sources of current. M: Energoizdat, 1981).
«Гибкая» логика управления отключением АБ от заряда, основанная на автоматическом выборе порогового значения давления в зависимости от температуры, построена на следующих принципах:The "flexible" logic for controlling the battery disconnection from the charge, based on the automatic selection of the threshold pressure value depending on the temperature, is based on the following principles:
выбор массива диапазонов изменения температуры АБ;the choice of an array of ranges of changes in temperature AB;
выбор порогового значения давления при температуре t=0°С;selection of a threshold pressure value at a temperature of t = 0 ° C;
выбор массива постоянных коэффициентов для дискретного программного уменьшения порогового значения давления, в случае повышения температуры АБ и выхода ее за заданный i-ый диапазон;selection of an array of constant coefficients for a discrete programmed reduction of the threshold pressure value, in the case of an increase in the temperature of the battery and when it goes beyond the specified i-th range;
выбор аналитической линейной зависимости порогового значения давления от температуры внутри каждого i-го диапазона;the choice of an analytical linear dependence of the threshold pressure on temperature within each i-th range;
выбор критичной температуры, при которой АБ отключается от заряда независимо от величины ее текущей емкости.selection of the critical temperature at which the battery is disconnected from the charge, regardless of its current capacity.
Этим условиям полностью удовлетворяет система линейных уравнений вида:These conditions are fully satisfied by the system of linear equations of the form:
где Рпор. - пороговое значение давления газовой среды в АБ, при котором АБ отключается от заряда, в МПа;where P then. - the threshold value of the pressure of the gas medium in the battery, at which the battery is disconnected from the charge, in MPa;
Р0 - величина (паспортное значение) давления газовой среды в АБ при температуре 0°С;P 0 - value (nameplate value) of the pressure of the gas medium in the battery at a temperature of 0 ° C;
k - постоянный коэффициент, в МПа/град;k is a constant coefficient, in MPa / city;
t - температура АБ, в °С;t is the temperature of the battery, in ° C;
αi - постоянный безразмерный коэффициент, изменяющийся дискретно, например, в диапазоне от 1 до 0,6;α i is a constant dimensionless coefficient that varies discretely, for example, in the range from 1 to 0.6;
tкрит. - критичная для функционирования температура АБ, при которой АБ отключается от заряда независимо от давления газовой среды в АБ;t crit - the temperature critical for functioning of the battery, at which the battery is disconnected from the charge, regardless of the pressure of the gas medium in the battery;
α1>α2>·>αn;α 1 > α 2 >·> α n ;
ti<t2<·<tn<tкрит. t i <t 2 <· <t n <t crit.
Из системы уравнений (1) видно, что для каждого диапазона температур АБ задается соответствующий постоянный коэффициент αi, для дискретного изменения зависимости Рпор. от температуры t. В диапазоне от ti до ti+1 зависимость Рпор. от температуры t имеет линейный характер. Величина ц варьируется примерно от 1 до 0,6, т.е. уменьшение максимально возможной емкости при ее восполнении АБ может достигать до 50%, однако такой режим может возникать только в случае аномальной работы системы терморегулирования и не является штатным.From the system of equations (1) it can be seen that for each temperature range AB the corresponding constant coefficient α i is set , for a discrete change in the dependence of P then. on temperature t. In the range from t i to t i + 1, the dependence of P then. temperature t is linear. The value of q varies from about 1 to 0.6, i.e. the decrease in the maximum possible capacity during its replenishment of the battery can reach up to 50%, however, this mode can occur only in case of abnormal operation of the temperature control system and is not regular.
«Жесткая» логика управления отключением АБ от заряда предусматривает наличие нескольких заранее заданных пороговых значений давления. При достижении порогового значения давления, выбранного в качестве рабочего, вводится запрет заряда АБ. При необходимости перехода на другое рабочее пороговое значение давления из НКУ выдают соответствующую РК (на фиг. НКУ не показан). Выбор того или иного порогового значения давления, как правило, зависит от температурного режима АБ, при этом чем выше температура, тем ниже пороговое значение давления.The "rigid" logic for controlling the battery disconnection from the charge provides for the presence of several predetermined threshold pressure values. When the threshold value of the pressure selected as the working one is reached, a battery charge ban is introduced. If it is necessary to switch to another working threshold pressure value from the NKU, the corresponding RK is issued (not shown in the NKU). The choice of one or another threshold pressure value, as a rule, depends on the temperature regime of the battery, and the higher the temperature, the lower the threshold pressure value.
В системе электропитания КА предусматривают защиту от высокой температуры, критичной для функционирования АБ. Резкое повышение температуры, как правило, возникает при заряде АБ, когда происходит выделение кислорода, поэтому наиболее эффективным мероприятием по защите АБ от перегрева является отключение от заряда на время, достаточное для снижения ее температуры до безопасной величины.In the power supply system of the spacecraft, they provide protection against high temperature, which is critical for the functioning of the battery. A sharp increase in temperature usually occurs when the battery is charged, when oxygen is released, therefore, the most effective measure to protect the battery from overheating is to disconnect from the charge for a time sufficient to reduce its temperature to a safe value.
Повышение ресурса, следовательно, и надежности функционировании АБ достигается путем использования «гибкой» логики в качестве основного варианта и «жесткой» логики - в качестве резервного варианта.Increasing the resource, therefore, and the reliability of the battery’s functioning is achieved by using “flexible” logic as the main option and “hard” logic as the backup option.
Действительно используемая система уравнений (1) позволяет «гибко» отключать АБ от заряда: при этом в случае повышения температуры на некоторую величину уменьшается пропорционально пороговое значение давления и заряд АБ завершается в области высоких КПД и происходит уменьшение тепловыделения АБ, а затем, как следствие, снижение ее температуры. Дискретное изменение порогового значения давления при переходе из одного диапазона температур в другой существенно уменьшает вероятность отключения АБ от заряда в области низких КПД с большим тепловыделением.The really used system of equations (1) allows you to “flexibly” disconnect the battery from the charge: in this case, when the temperature rises by a certain amount, the threshold pressure decreases proportionally and the battery charge ends in the high efficiency region and the battery heat loss decreases, and then, as a result, decrease in its temperature. A discrete change in the threshold pressure value when moving from one temperature range to another significantly reduces the likelihood of the battery disconnecting from the charge in the region of low efficiency with high heat generation.
В случае отказа «гибкой» логики отключение АБ от заряда обеспечивается по «жесткой» логике. «Жесткая» логика практически не уступает по эффективности «гибкой» логике, а в некоторых случаях, когда температура АБ выходит за пределы штатных условий эксплуатации, она расширяет возможности управления режимом функционирования АБ. К недостаткам управления отключением АБ от заряда по «жесткой» логике следует отнести необходимость наличия большого количества РК и вмешательства в работу СЭП из НКУ.In case of failure of the “flexible” logic, the battery is disconnected from the charge by the “hard” logic. The “hard” logic is practically inferior in effectiveness to the “flexible” logic, and in some cases, when the temperature of the battery goes beyond the normal operating conditions, it expands the ability to control the operating mode of the battery. The disadvantages of controlling the disconnection of the battery from the battery according to the “hard” logic include the need for a large number of RCs and interference in the operation of the solar cells from the low-voltage switchgear.
Таким образом, применение предлагаемого способа эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата позволит повысить ресурс и, как следствие, надежность эксплуатации АБThus, the application of the proposed method for the operation of nickel-hydrogen storage batteries of the spacecraft’s power system will increase the resource and, as a result, the reliability of the battery
Claims (1)
Рпор.=α1·(Р0 - k·t) в диапазоне t1≤t≤t2;
Рпор.=α2·(Р0 - k·t) в диапазоне t2≤t≤t3;
Рпор.=αn·(P0 - k·t) в диапазоне tn<t≤tn+1;
tпор.≥·tкрит. в диапазоне t≥tкрит.,
где Рпор - пороговое значение давления газовой среды в АБ, при котором АБ отключается от заряда, в МПа;
Р0 - величина (паспортное значение) давления газовой среды в АБ при температуре 0°С;
k - постоянный коэффициент, в МПа/град;
t - температура АБ, в °С;
αi - постоянный безразмерный коэффициент, изменяющийся дискретно, например, от 1 до 0,6;
tкрит. - критичная для функционирования температура, при которой АБ отключается от заряда независимо от давления газовой среды в АБ;
α1>α2>·>αn;
ti<t2<·<tn<tкрит. A method of operating nickel-hydrogen storage batteries (AB) of the spacecraft’s power supply system, namely, that two or more batteries are cycled in a charge-discharge mode specified by the on-board automation of the power supply system, control the parameters of each battery, for example, current electric capacity, voltage , temperature, periodically once every 6-9 months a charge ban is introduced for one of the batteries to perform the molding cycle, the discharge board is used the spacecraft’s equipment, the AB voltage criterion is chosen as the criterion for limiting the depth of the discharge, and the value of the boundary voltage level is set in volts equal to the number n or (n + 1) of batteries in the battery, upon reaching which the ban on the charge of the battery is removed, and determined during molding of the cycle, the value of the maximum voltage of the battery when charging is used to assess the state of the battery and predict its degradation, a similar sequence of operations is repeated d I subsequent battery, characterized in that the degree of charge of the batteries is limited either hardware by “hard” logic, or software by “flexible” logic, and battery charge control by “flexible” logic is chosen as the main option, and by “hard” logic - as a backup option, in this case, the battery is disconnected from the charge according to “hard” logic by the sign of excess of the gas pressure in the battery of the i-th threshold value selected as a working one from a set of discrete, predetermined threshold values ny, and the transfer to another working threshold pressure value from this set is carried out according to a one-time command, based on the temperature of the battery, and the battery is disconnected from the charge according to the "flexible" logic discretely when switching from one temperature range to another and smoothly inside each range, using a system of linear equations depending on its temperature t, which are valid respectively in a specific range of changes in temperature AB:
R por. = α 1 · (P 0 - k · t) in the range t 1 ≤t≤t 2 ;
R por. = α 2 · (P 0 - k · t) in the range of t 2 ≤t≤t 3 ;
R por. = α n · (P 0 - k · t) in the range t n <t≤t n + 1 ;
t then ≥ · t crit in the range t≥t crit. ,
where R then is the threshold value of the pressure of the gas medium in the battery, at which the battery is disconnected from the charge, in MPa;
P 0 - value (nameplate value) of the pressure of the gas medium in the battery at a temperature of 0 ° C;
k is a constant coefficient, in MPa / city;
t is the temperature of the battery, in ° C;
α i is a constant dimensionless coefficient that varies discretely, for example, from 1 to 0.6;
t crit - temperature critical for functioning, at which the battery is disconnected from the charge regardless of the pressure of the gas medium in the battery;
α 1 > α 2 >·> α n ;
t i <t 2 <· <t n <t crit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013118850/07A RU2543487C2 (en) | 2013-04-23 | 2013-04-23 | Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013118850/07A RU2543487C2 (en) | 2013-04-23 | 2013-04-23 | Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013118850A RU2013118850A (en) | 2014-10-27 |
RU2543487C2 true RU2543487C2 (en) | 2015-03-10 |
Family
ID=53290447
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013118850/07A RU2543487C2 (en) | 2013-04-23 | 2013-04-23 | Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2543487C2 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2619058C2 (en) * | 2015-09-17 | 2017-05-11 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") | Method and device for load power supply from electrochemical current sources |
RU2661340C1 (en) * | 2017-09-15 | 2018-07-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of operation of nickel-hydrogen accumulatory batteries of spacecraft power supply system |
RU2723302C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-06-09 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of operation of nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107275696B (en) * | 2017-05-05 | 2019-09-17 | 上海空间电源研究所 | The in-orbit charging/discharging thereof for subtracting memory effect of spacecraft Cadmium Nickel Battery |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4880050A (en) * | 1988-06-20 | 1989-11-14 | The Boeing Company | Thermal management system |
US5036905A (en) * | 1989-10-26 | 1991-08-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | High efficiency heat exchanger |
RU2313160C1 (en) * | 2006-03-22 | 2007-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" | Method for making nickel-hydrogen storage battery ready for full-time service in power supply system of artificial earth satellite |
RU2329572C1 (en) * | 2007-01-22 | 2008-07-20 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "Научно-производственное объединение прикладной механики им. акадекмика М.Ф. Решетнева" | Method of operation of nickel-hydrogen accumulator battery |
RU2366041C1 (en) * | 2008-06-04 | 2009-08-27 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" им. академика М.Ф. Решетнева" | Method of using nickel-hydrogen accumulator battery and accumulator battery for its realisation |
RU2399122C1 (en) * | 2009-05-12 | 2010-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") | Method for operation of nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system |
-
2013
- 2013-04-23 RU RU2013118850/07A patent/RU2543487C2/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4880050A (en) * | 1988-06-20 | 1989-11-14 | The Boeing Company | Thermal management system |
US5036905A (en) * | 1989-10-26 | 1991-08-06 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | High efficiency heat exchanger |
RU2313160C1 (en) * | 2006-03-22 | 2007-12-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева" | Method for making nickel-hydrogen storage battery ready for full-time service in power supply system of artificial earth satellite |
RU2329572C1 (en) * | 2007-01-22 | 2008-07-20 | ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ "Научно-производственное объединение прикладной механики им. акадекмика М.Ф. Решетнева" | Method of operation of nickel-hydrogen accumulator battery |
RU2366041C1 (en) * | 2008-06-04 | 2009-08-27 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" им. академика М.Ф. Решетнева" | Method of using nickel-hydrogen accumulator battery and accumulator battery for its realisation |
RU2399122C1 (en) * | 2009-05-12 | 2010-09-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") | Method for operation of nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2619058C2 (en) * | 2015-09-17 | 2017-05-11 | Акционерное общество "Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" (АО "ГНЦ РФ ТРИНИТИ") | Method and device for load power supply from electrochemical current sources |
RU2661340C1 (en) * | 2017-09-15 | 2018-07-16 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of operation of nickel-hydrogen accumulatory batteries of spacecraft power supply system |
RU2723302C1 (en) * | 2019-05-07 | 2020-06-09 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации | Method of operation of nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013118850A (en) | 2014-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2399122C1 (en) | Method for operation of nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system | |
ES2910011T3 (en) | electrical energy storage device | |
ES2975858T3 (en) | Systems and methods of charging and forming batteries in series | |
US8183818B2 (en) | Switching time control multiplexer system | |
RU2461102C1 (en) | Method for operation of lithium-ion accumulator battery in autonomous power supply system | |
EP2629396B1 (en) | Charging apparatus | |
JP2008283853A (en) | Method for charging battery of autonomic system | |
JPS605740A (en) | Automatic load isolating control system for satellite power source system | |
RU2543487C2 (en) | Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft | |
RU2611568C1 (en) | Method of nickel-hydrogen accumulator batteries operation in power supply system of spacecraft with large service life | |
Hussein et al. | Design considerations and performance evaluation of outdoor PV battery chargers | |
RU2483400C2 (en) | Method to operate nickel-hydrogen accumulator batteries of spacecraft power supply system (versions) | |
RU2661187C1 (en) | Method of ground environment of spacecraft power supply system accumulator batteries | |
JP5861063B2 (en) | Power storage device and power supply system | |
RU2585171C1 (en) | Method for operating nickel-hydrogen batteries of modular power supply system (versions) | |
Suyanto et al. | Study on Optimization of System Management Battery for Lithium Batteries and Lead Acid Batteries at the New and Renewable Energy Research Center IT PLN | |
US8237413B2 (en) | Method for battery charging management | |
US6246217B1 (en) | Non-aqueous electrolytic battery module for artificial satellite | |
RU2621694C2 (en) | Method for operating nickel-hydrogen accumulator batteries of aircraft electric power system | |
US20190140324A1 (en) | Battery charging method | |
RU2586172C2 (en) | Method of controlling parameters of nickel-hydrogen accumulator batteries in power supply system of spacecraft (versions) | |
RU2661340C1 (en) | Method of operation of nickel-hydrogen accumulatory batteries of spacecraft power supply system | |
CN108695926B (en) | High-orbit satellite lithium ion storage battery pack control method | |
JP2010259261A (en) | Apparatus and method for charging | |
RU2321105C1 (en) | Method for equalizing capacity of nickel-hydrogen storage battery incorporated in space vehicle |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner |