RU2586171C2

RU2586171C2 - Method of controlling parameters of nickel-hydrogen accumulator batteries in power supply system of spacecraft

Info

Publication number: RU2586171C2
Application number: RU2014133402/02A
Authority: RU
Inventors: Сергей Иванович Миненко; Виктор Николаевич Фомакин; Людмила Владимировна Безбородова
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Федеральное космическое агентство; Акционерное общество "Ракетно-космический центр "Прогресс" ( АО "РКЦ "Прогресс")
Priority date: 2014-08-13
Filing date: 2014-08-13
Publication date: 2016-06-10
Also published as: RU2014133402A

Abstract

FIELD: engines.

SUBSTANCE: invention relates to operation of nickel-hydrogen accumulator batteries in autonomous power supply systems (PSS) of spacecrafts (SC), operating at low Earth orbit. In compliance with permanently controlled unbalance parameters AB accumulators, using data of at least three analog pressure sensors located in different cells of each AB to calculate equivalent current capacitance. Treating dependence of equivalent capacitance of time at given time interval set maximum charge level of AB, using calculation algorithm PSS. Compared values of equivalent capacitance of AB and capacity, measured telemetering sensor prior to AB forming cycle, and for performing comparative analysis are selected at specified light section of SC orbit of current value capacitance and maximum value of equivalent capacitance of AB, value of relative spread of values of capacitance of AB degree of unbalance of accumulators as to capacity.

EFFECT: invention ensures increased service life of storage batteries, as well as survivability of PSS.

1 cl, 2 dwg

Description

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 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 активного срока существования современных КА на низкой околоземной орбите производится 10000 и более зарядно-разрядных циклов АБ и подобный режим работы СЭП лучше всего обеспечивают никель-водородные аккумуляторные батареи (НВАБ).During the entire active life of modern spacecraft in low Earth orbit, 10,000 or more charge-discharge AB cycles are performed and a similar mode of operation of the solar cells is best provided by nickel-hydrogen storage batteries (NVAB).

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 циклирования выбирается при эксплуатации АБ на низких околоземных орбитах (B.C. Багоцкий, A.M. Скундин. Химические источники тока, М., Энергоиздат, 1981, раздел 8). 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 rate of self-discharge, series-connected batteries 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 such a cycling depth that is selected when operating the AB in low Earth orbits (B.C. Bagotsky, A.M. Skundin. Chemical current sources, M., Energoizdat, 1981, section 8). 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.

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 и после восполнения подключают 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 areas of the geostationary orbit, a recovery discharge-charge cycle of the battery is performed, while the battery is discharged to discharge resistance for 40-50 hours, and the charge is stopped after the battery voltage drops to a predetermined value, then the battery is charged and after replenishment it is connected to the standard circuit BOT.

Недостатком этого способа является низкая надежность эксплуатации СЭП в частности и недостаточная живучесть КА в целом. Это связано с тем, что процесс проведения восстановительного разрядно-зарядного (формовочного) цикла занимает длительное время (от трех до пяти суток), и на это время аккумуляторная батарея выводится из штатной эксплуатации. Для геостационарных орбит это приемлемо, так как 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 ограниченное время практически не сказывается на живучести и надежности эксплуатации КА. Для низкоорбитальных космических аппаратов вывод из эксплуатации одной из батарей на несколько суток может существенно снизить живучесть и надежность эксплуатации КА, поскольку теневые участки орбиты возникают практически на каждом витке.The disadvantage of this method is the low reliability of the operation of the BOT 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 (from three to five days), and at this time the battery is taken out of normal operation. For geostationary orbits, this is acceptable, since 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 limited time practically does not affect the survivability and reliability of the spacecraft. For low-orbit spacecraft, the decommissioning of one of the batteries for several days can significantly reduce the survivability and reliability of the spacecraft, since shadow portions of the orbit appear on almost every turn.

Известен способ эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата по патенту RU №2399122 (аналог), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи (АБ) циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания; степень заряда АБ ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой АБ; контролируют параметры каждой АБ, 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 АБ, 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 nickel-hydrogen storage batteries of a power supply system of a spacecraft according to patent RU No. 2399122 (analogue), which consists in the fact that two or more storage batteries (AB) 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 signal pressure sensors located in separate batteries of each battery; control the parameters of each battery, for example, the current electrical capacitance, voltage, temperature; periodically carry out AB molding cycles by deep discharge; assess the status of AB; periodically, for example, once every 6-9 months, a charge ban is introduced for one of the batteries; as a discharge load, the onboard equipment of the spacecraft is used; the criterion for limiting the depth of the discharge is the value of the voltage of the battery, and the value of the boundary voltage level is set in volts equal to the number n, or (n + 1) of the batteries in the battery, upon reaching which the ban on the charge of the battery is lifted, thereby including it in regular operation; the values of the charging capacity of the alarm pressure sensor and the maximum voltage of the battery when charging, determined during the completion of the molding cycle, are used to assess the condition of the battery and predict its degradation; a similar sequence of operations is repeated for subsequent AB; the time interval 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 regime of the molded AB.

Недостатком аналога является относительно низкая надежность системы электропитания в частности и живучесть КА в целом при возникновении ситуаций, связанных с аномальной работой одного зарядно-разрядного устройства или одной (нескольких) АБ.The disadvantage of the analogue is the relatively low reliability of the power supply system in particular and the survivability of the spacecraft as a whole in the event of situations associated with the abnormal operation of one charge-discharge device or one (several) batteries.

К аномальной работе ЗРУ относится режим его функционирования (не функционирования) при отказе его зарядного устройства (ЗУ) или разрядного устройства (РУ). При этом в случае отказа ЗУ в режиме разряда ЗРУ система электропитания функционирует штатно, аналогично, в случае отказа РУ в режиме заряда ЗРУ система электропитания функционирует штатно.Anomalous operation of the switchgear includes the mode of its functioning (non-functioning) in case of failure of its charging device (charger) or discharge device (RU). Moreover, in the event of a failure of the charger in the discharge mode of the switchgear, the power supply system functions normally, similarly, in the event of a failure of the switchgear in the charge mode of the switchgear, the power supply system functions normally.

К аномальной работе АБ относится режим ее функционирования, когда уровень срабатывания сигнального датчика давления существенно уменьшается, например, на 10 и более процентов от уровня срабатывания, определенного после проведения предыдущего ФЦ данной АБ. Это свидетельствует о том, что имеет место значительный разбаланс аккумуляторов АБ по емкости и напряжению. При использовании указанного способа эксплуатации НВАБ не всегда достигается желаемый эффект. Следовательно, в случае эксплуатации в составе СЭП подобных аккумуляторных батарей надежность и долговечность их работы не гарантируется.An AB’s abnormal operation is related to its functioning mode when the response level of the signal pressure sensor significantly decreases, for example, by 10 or more percent of the response level determined after the previous FC of this AB. This indicates that there is a significant imbalance in the battery capacity and voltage. When using the specified method of operation of the NWAB, the desired effect is not always achieved. Consequently, in the case of operation of such storage batteries in the BOT, the reliability and durability of their operation is not guaranteed.

Известен способ эксплуатации никель-водородной аккумуляторной батареи системы электропитания космического аппарата (варианты) по патенту RU №2483400 (прототип), заключающийся в том, что две или более аккумуляторные батареи (АБ) циклируют в режиме заряда-разряда, задаваемом бортовой автоматикой системы электропитания; степень заряда АБ ограничивают по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой АБ; контролируют параметры каждой АБ, 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 равной n либо (n+1)B, где n - число аккумуляторов в АБ; значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла, используют для оценки состояния АБ и прогнозирования ее деградации; аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, а при аномальной работе зарядно-разрядного устройства (ЗРУ), связанной с отказом только зарядного устройства, для проведения формовочного цикла АБ используют аварийную шину коммутационной аппаратуры, управляемой по разовым командам из наземного комплекса управления; заряд формуемой АБ проводят путем подключения ее к любому зарядному устройству работоспособного ЗРУ, образующего с «собственной» АБ подсистему, при этом отключают от данной подсистемы «собственную» АБ с переводом ее в режим «саморазряда» на время восполнения формуемой АБ до срабатывания сигнального датчика давления, а после восполнения формуемую АБ подсоединяют коммутационной аппаратурой аварийной шины к одному из работоспособных ЗРУ параллельно АБ этой подсистемы для дальнейшего функционирования системы электропитания.A known method of operating a nickel-hydrogen storage battery of the spacecraft’s power supply system (options) according to RU patent No. 2483400 (prototype), which consists in the fact that two or more rechargeable batteries (AB) are cycled in a charge-discharge mode specified 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 signal pressure sensors located in separate batteries of each battery; control the parameters of each battery, for example, the current electrical capacitance, voltage, temperature; periodically once every 6-9 months, a charge ban is introduced for one of the batteries to perform the molding cycle; as a discharge load, the onboard equipment of the spacecraft is used; the criterion for limiting the depth of the discharge is the value of the battery voltage equal to n or (n + 1) B, where n is the number of batteries in the battery; the values of the charging capacity of the alarm pressure sensor and the maximum voltage of the battery when charging, determined during the completion of the molding cycle, are used to assess the status of the battery and predict its degradation; the same sequence of operations is repeated for the subsequent AB, and in case of an abnormal operation of the charge-discharge device (ZRU) associated with the failure of the charger only, an emergency bus of switching equipment controlled by one-time commands from the ground control complex is used to conduct the AB molding cycle; the charge of the molded battery is carried out by connecting it to any charger of a functioning switchgear, which forms a subsystem from the “own” battery, while the “own” battery is disconnected from this subsystem, and it is transferred to the "self-discharge" mode for the time it is replenished by the formed battery until the pressure sensor is triggered , and after replenishment, the formable AB is connected by emergency bus switching equipment to one of the operational switchgear parallel to the AB of this subsystem for further functioning of the power supply system.

Недостатком прототипа является относительно низкая надежность системы электропитания при возникновении ситуаций, связанных с аномальной работой одной или нескольких АБ, поскольку ресурс НВАБ зависит от своевременного определения разбаланса параметров аккумуляторов и проведения соответствующего непланового формовочного цикла.The disadvantage of the prototype is the relatively low reliability of the power system in the event of situations associated with the abnormal operation of one or more batteries, since the life of the battery depends on the timely determination of the imbalance of the parameters of the batteries and the corresponding unplanned molding cycle.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение ресурса эксплуатации НВАБ, а также живучести СЭП без ухудшения ее технических характеристик как при штатной работе СЭП, так и аномальной работе одного ЗРУ или АБ.The objective of the invention is to increase the service life of the NSA, as well as the survivability of the BOT without deterioration of its technical characteristics during normal operation of the BOT, and the abnormal operation of one indoor switchgear or battery.

Поставленная задача решается тем, что в способе управления параметрами аккумуляторов никель-водородных аккумуляторных батарей (АБ) системы электропитания (СЭП) космического аппарата (КА), в котором аккумуляторные батареи в количестве m штук циклируют в режиме заряда-разряда задаваемой бортовой автоматикой системы электропитания, включающий ограничение степени заряда АБ по уровню срабатывания сигнальных датчиков давления, размещенных в отдельных аккумуляторах каждой АБ, контролирование с помощью телеметрических датчиков параметров каждой АБ, включающих текущую электрическую емкость и напряжение, и периодическое проведение формовочных циклов АБ путем глубокого их разряда, причем периодически один раз в 6-9 месяцев вводят запрет заряда для одной из АБ и в качестве разрядной нагрузки используют бортовую аппаратуру космического аппарата, а значения зарядной емкости срабатывания сигнального датчика давления и максимального напряжения АБ при заряде, определяемые в процессе завершения формовочного цикла (ФЦ), используют для оценки состояния аккумуляторной батареи и прогнозирования ее деградации, и аналогичную последовательность операций повторяют для последующей АБ, при этом снабжают СЭП аварийной шиной с управляемой по разовым командам коммутационной аппаратурой для изменения, при необходимости, ее конфигурации путем подсоединения АБ в случае аномального функционирования зарядно-разрядного устройства ЗРУ после проведения ФЦ к исправному ЗРУ параллельно АБ для дальнейшего штатного функционирования СЭП, причем постоянно контролируют степень разбаланса параметров аккумуляторов АБ путем дополнительного использования данных измерения не менее трех аналоговых датчиков давления, расположенных в различных аккумуляторах каждой АБ, причем по полученным данным, зафиксированным аналоговыми датчиками, рассчитывают эквивалентную текущую электрическую емкость, и обрабатывая зависимость эквивалентной электрической емкости от времени на заданном промежутке времени устанавливают максимум уровня заряженности АБ, используя вычислительный алгоритм СЭП, сравнивают между собой значения эквивалентной емкости АБ и емкости, измеренной телеметрическим датчиком до начала ФЦ АБ; при этом для выполнения сравнительного анализа выбирают на заданном световом участке орбиты КА значение текущей электрической емкости, зафиксированное телеметрическим датчиком в момент срабатывания сигнального датчика давления, и максимальное значение эквивалентной электрической емкости АБ по величине относительного разброса значений электрической емкости АБ определяют степень разбаланса аккумуляторов по емкости; эту последовательность операций повторяют после завершения ФЦ АБ, а необходимость выравнивания параметров аккумуляторов АБ определяют путем сравнения величин относительного разброса текущей электрической емкости до и после проведения ФЦ АБ.The problem is solved in that in the method of controlling the parameters of the batteries of nickel-hydrogen storage batteries (AB) of the power supply system (BOT) of the spacecraft (SC), in which the batteries in the amount of m pieces are cycled in charge-discharge mode specified by the on-board automation of the power system, including limiting the degree of charge of the battery according to the level of response of the signal pressure sensors located in separate batteries of each battery, monitoring with the help of telemetric sensors parameters each battery, including the current electric capacitance and voltage, and the periodic conduct of the molding cycles of the battery by deep discharge, and periodically once every 6-9 months, a charge ban is introduced for one of the batteries and space vehicle onboard equipment is used as the discharge load, and the values the charging capacity of the alarm pressure sensor and the maximum voltage of the battery when charging, determined during the completion of the molding cycle (FC), is used to assess the condition of the battery and nosification of its degradation, and a similar sequence of operations is repeated for a subsequent battery, while the SES is equipped with an emergency bus with switching equipment controlled by one-time commands to change, if necessary, its configuration by connecting the battery in the event of an abnormal functioning of a charge-discharge switchgear after conducting an FC a healthy switchgear in parallel with the battery for further regular operation of the solar cells, and constantly monitor the degree of imbalance in the parameters of the battery by adding To use the measurement data of at least three analog pressure sensors located in different batteries of each battery, moreover, according to the data recorded by analog sensors, the equivalent current capacitance is calculated, and processing the dependence of the equivalent electric capacitance on time for a given period of time sets the maximum charge level of the battery Using the computational algorithm of the SES, the values of the equivalent battery capacity and the capacity measured by the body are compared with an optical sensor before the start of FC AB; in order to perform a comparative analysis, the value of the current electric capacitance recorded by the telemetry sensor at the moment the pressure signal transducer is triggered and the maximum value of the equivalent electric capacity of the battery are determined from the relative dispersion of the values of the electric capacity of the battery to determine the degree of unbalance of the batteries in terms of capacity; this sequence of operations is repeated after the completion of the AB battery, and the need to equalize the parameters of the battery AB is determined by comparing the relative scatter of the current electric capacity before and after the AB battery.

На фиг. 1 показаны идеализированные циклограммы изменения текущей емкости для формуемой АБ и АБ, функционирующей штатно. Формуемая АБ циклично разряжается, достигая в конечном итоге состояния глубокого разряда; затем она заряжается в зависимости от освещенности солнечной батареи и потребляемой бортовой аппаратурой мощности. Функционирующая штатно АБ имеет периодически изменяющуюся циклограмму.In FIG. Figure 1 shows idealized cyclograms of changes in the current capacity for the formable AB and AB functioning normally. The formed AB discharges cyclically, eventually reaching the state of deep discharge; then it is charged depending on the illumination of the solar battery and the power consumed by the on-board equipment. A properly functioning battery has a periodically changing cyclogram.

На фиг. 2 показана упрощенная блок-схема работы СЭП.In FIG. 2 shows a simplified block diagram of the operation of the EPA.

Аккумуляторные батареи в количестве m штук циклируют в режиме заряда-разряда в соответствии с логикой функционирования СЭП в составе m подсистем, образованных путем последовательного включения между собой одной аккумуляторной батареи и одного зарядно-разрядного устройства (ЗРУ).Rechargeable batteries in the amount of m pieces are cycled in a charge-discharge mode in accordance with the logic of the operation of the BOT in the composition of m subsystems formed by sequentially connecting one battery and one charging-discharge device (ZRU).

Система электропитания состоит из аккумуляторных батарей АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1, оснащенных сигнальными датчиками давления для отключения АБ от заряда и, как минимум, четырьмя аналоговыми датчиками давления (один из которых является телеметрическим датчиком) для измерения текущей емкости (сигнальные и аналоговые датчики давления на фиг. 2 не показаны), батареи фотоэлектрической (БФ) 2, комплекса автоматики и стабилизации напряжения (КАС), включающего в себя разрядные устройства РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3, зарядные устройства ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, …, ЗУm) 4, стабилизатора напряжения и автоматики (СНА) 5. Бортовая аппаратура (БА) 6 может быть запитана от РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 или СНА 5, а также в процессе испытаний от наземного источника питания Е_наз через дистанционный переключатель 7. Аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 перед стартом КА заряжаются вспомогательным зарядным устройством Е_зар. The power supply system consists of AB batteries (AB1, AB2, ..., ABm) 1, equipped with pressure signal sensors to disconnect the battery from the charge and at least four analog pressure sensors (one of which is a telemetry sensor) for measuring the current capacity (signal and analog pressure sensors in Fig. 2 are not shown), photovoltaic (BF) 2 batteries, automation and voltage stabilization complex (CAS), which includes RU (RU1, RU2, ..., PUm) 3 discharge devices, charger chargers (ЗУ1 , ZU2, ..., ZUm) 4, stable voltage mash and Automation (SNA) 5. The onboard apparatus (BA) 6 can be powered by RU (RU1, RU2, ..., PUm) CHA 3 or 5, and also during the test from a ground power source E _called via a remote switch 7. AB batteries (AB1, AB2, ..., ABm) 1 before starting the spacecraft are charged with an auxiliary charger E _charge .

В отдельных режимах работы СЭП РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 и СНА 5 могут питать электрической энергией совместно нагрузку, каковой является БА 6. При аномальной работе ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, …, ЗУm) 4 для изменения конфигурации СЭП может быть использована аварийная шина 8 управляемая коммутационной аппаратурой. 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 АБi», «Восстановление КАС», «Отключение АБi», «Выключение ЗРУi от аварийной шины» 8. При штатной работе СЭП аккумуляторные батареи АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 заряжаются на световом участке орбиты КА, а на теневом участке АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 питают БА 6 стабилизированным РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 напряжением. Батарея фотоэлектрическая 2 на световом участке обеспечивает стабилизированным СНА 5 напряжением БА 6 и одновременно заряжает АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1. Из фиг. 2 видно, что «минусовые» шины АБ не коммутируются и гальванически связаны между собой, при этом аварийные шины 8 обеспечивают изменение конфигурации СЭП только по «плюсовой» шине.In individual operating modes, the SEP RU (RU1, RU2, ..., PUm) 3 and SNA 5 can supply electrical energy together with the load, which is BA 6. In the case of abnormal operation of the charger (ЗУ1, ЗУ2, ..., ЗУm) 4, it can change the configuration of the SEP emergency bus 8 controlled by switching equipment should be used. If necessary, one-time commands (RC) can be issued from the on-board control complex (BCC) 9 to change the operation modes of the solar cells, including such batteries as “Prohibiting the charge of the battery”, “Recovery of the CAS”, “Shutting down the battery”, “Shutting down the switchgear from emergency bus "8. During the normal operation of the BOT, the batteries AB (AB1, AB2, ..., ABm) 1 are charged in the light portion of the orbit of the spacecraft, and in the shadow portion of the AB (AB1, AB2, ..., ABm) 1 they feed the BA 6 with stabilized RC ( РУ1, РУ2, ..., ПУm) 3 voltage. Photovoltaic battery 2 in the light section provides stabilized SNA 5 with voltage BA 6 and at the same time charges AB (AB1, AB2, ..., ABm) 1. From FIG. 2 it can be seen that the “negative” AB buses are not switched and galvanically connected to each other, while the emergency buses 8 provide for the change of the EPA configuration only on the “plus” bus.

При этом через ЗРУi и АБi обозначены соответственно одни из m зарядно-разрядных устройств и аккумуляторной батареи, находящихся в режиме формовочного цикла.At the same time, one of the m charge-discharge devices and the battery, which are in the molding cycle mode, are designated through ZRUi and ABi, respectively.

Так как существенная разбежка параметров аккумуляторов АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 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 минимальных длительностей теневых участков орбиты КА и т.д.Since a significant variation in the parameters of AB batteries (AB1, AB2, ..., ABm) 1 occurs after 6–9 months, the frequency of molding cycles is selected once every 6–9 months. At the same time, the specific period of their holding within 6–9 months can be established on the basis of other requirements, for example, during the period of minimum durations of shadow sections of the spacecraft’s orbit, etc.

Формовочные циклы проводят по очереди на одной из АБ (АБ1, АБ2, …, АБm) 1 в произвольном порядке, используя зарядно-разрядное устройство (ЗРУ) 10, состоящее из РУ (РУ1, РУ2, …, PУm) 3 и ЗУ (ЗУ1, ЗУ2, …, ЗУm) 4, и аварийную шину 8 при необходимости. За сутки до проведения формовочного цикла при штатной работе системы электропитания осуществляют съем телеметрической информации (на фиг. 2 система телеметрического контроля КА не показана) о работе формуемой АБ (максимальное напряжение на заряде, минимальное напряжение при разряде, максимальную текущую емкость при срабатывании датчика давления).Molding cycles are carried out in turn on one of the batteries (AB1, AB2, ..., ABm) 1 in random order, using a charge-discharge device (ZRU) 10, consisting of RU (RU1, RU2, ..., PUm) 3 and memory (ZU1 , ЗУ2, ..., ЗУm) 4, and emergency bus 8, if necessary. The day before the molding cycle, during normal operation of the power supply system, telemetry information is taken (the spacecraft telemetry control system is not shown in Fig. 2) about the operation of the formable battery (maximum charge voltage, minimum discharge voltage, maximum current capacity when the pressure sensor is triggered) .

Запрет заряда формуемой АБ вводят путем выдачи из наземного комплекса управления (НКУ) через БКУ 9 РК «Запрет заряда АБ» с указанием номера аккумуляторной батареи. 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. Разряд формуемой АБ происходит циклично (фиг. 1), так как действие РК «Запрет заряда АБ» не снимается до достижения заданного минимального напряжения на АБ. В этом случае происходит полное выравнивание характеристик аккумуляторов формуемой АБ. Признак глубокого разряда формуемой АБ определяют по величине ее напряжения при разряде. 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 заряжена полностью до срабатывания сигнального датчика давления (на фиг. 2 сигнальный датчик давления не показан).Prohibition of charge by AB formable is introduced by issuing from the ground control complex (GCC) through BKU 9 of the Republic of Kazakhstan "Prohibition of charge of AB" with the indication of the battery number. In this case, there is a discharge of the formable AB to the load (on-board equipment 6) in the shadow areas of the orbit. Thus, the energy stored in the battery is used for its intended purpose. The discharge of the formable AB occurs cyclically (Fig. 1), since the action of the RK “Prohibition of the charge of AB” is not removed until the specified minimum voltage on the AB is reached. In this case, there is a complete alignment of the characteristics of the batteries formed AB. The sign of a deep discharge formed by AB is determined by the magnitude of its voltage during discharge. After the necessary deep discharge has been performed, the AB charge ban is lifted by issuing the “CAS Recovery” RK and the molded AB is charged against the background of the regular operation of the solar cells in the solar orbit. The molding cycle is considered complete if the moldable battery is fully charged before the alarm pressure sensor is triggered (the signal pressure sensor is not shown in Fig. 2).

Эффективность формовочного цикла оценивают путем сравнения характеристик АБ, полученных до и после проведения формовочных циклов. Достаточно, приближенно, и качественно ФЦ АБ считают эффективным, если после их проведения значения максимального напряжения при заряде, и максимальной емкости, при которой происходит срабатывание сигнального датчика давления, увеличились при прочих равных условиях. Изменение указанных параметров в сторону их увеличения свидетельствует о выравнивании напряжений аккумуляторов и, как следствие, увеличение величины текущей емкости, при которой срабатывает сигнальный датчик давления. Снижение уровня срабатывания сигнального датчика давления по сравнению с аналогичным параметром предыдущего формовочного цикла указывает о деградации электродвижущей силы (ЭДС) отдельных аккумуляторов и АБ в целом.The effectiveness of the molding cycle is assessed by comparing the characteristics of AB obtained before and after molding cycles. Sufficiently, approximately, and qualitatively, FC ABs are considered effective if, after their implementation, the values of the maximum voltage during charging and the maximum capacitance at which the alarm pressure sensor is triggered increase, all other things being equal. A change in these parameters in the direction of their increase indicates the equalization of the voltage of the batteries and, as a result, an increase in the value of the current capacity at which the alarm pressure sensor is triggered. A decrease in the level of response of the signal pressure sensor compared to the same parameter of the previous molding cycle indicates the degradation of the electromotive force (EMF) of individual batteries and the battery as a whole.

Повышение надежности эксплуатации никель-водородных аккумуляторных батарей достигается, прежде всего, за счет проведения формовочного цикла через каждые 6-9 месяцев. Живучесть системы электропитания и КА в целом увеличивается за счет использования бортовой аппаратуры в качестве нагрузки для формуемой АБ, поскольку только в этом случае формуемая АБ не выводится из состава системы электропитания и поддерживает заданный уровень надежности СЭП.Improving the reliability of operation of nickel-hydrogen batteries is achieved, first of all, due to the molding cycle every 6-9 months. The survivability of the power supply system and the spacecraft as a whole increases due to the use of on-board equipment as a load for the formable battery, since only in this case the formable battery is not removed from the power supply system and maintains a predetermined level of reliability of the EPA.

Сроки активного существования современных КА составляют пять и более лет, и имеется определенная вероятность отказа зарядного устройства ЗРУ. При этом все работоспособные АБ целесообразно использовать в составе СЭП. Для этой цели может быть использована аварийная шина 8 управляемая по разовым командам коммутационной аппаратурой. Наличие аварийной шины 8 коммутационной аппаратурой позволяет проводить формовочный цикл АБ из состава подсистемы, содержащей аномально работающее ЗРУ, тем самым повышать надежность СЭП и живучесть КА в целом.The active life of modern spacecraft is five or more years, and there is a certain likelihood of a failure of the ZRU charger. At the same time, it is advisable to use all operable batteries in the BOT. For this purpose, an emergency bus 8 controlled by one-time commands of switching equipment can be used. The presence of an emergency bus 8 with switching equipment allows the AB molding cycle to be carried out from a subsystem containing an abnormally operating switchgear, thereby increasing the reliability of the EPA and the survivability of the spacecraft as a whole.

Пример реализации способа управления параметрами аккумуляторов никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата при ее аномальной работе, выражающейся в отказе ЗУ или РУ одного ЗРУ.An example of the implementation of the method for controlling the parameters of the batteries of nickel-hydrogen storage batteries of the spacecraft’s power supply system during its abnormal operation, which is expressed in the failure of the charger or switchgear of one switchgear.

Допустим произошел отказ РУ ЗРУ подсистемы 1 (ЗРУ1 + АБ1). После идентификации отказа РУ1 ЗРУ1 аккумуляторная батарея АБ1 подключается, например, параллельно АБ2 к ЗРУ2. В такой конфигурации СЭП функционирует штатно. Для проведения формовочного цикла АБ1 выдают РК «Восстановление КАС», так как РУ1 ЗРУ1 неработоспособно. При этом АБ1 подключается к ЗРУ1 и функционирует только в режиме заряда, так как имеется отказ РУ1 ЗРУ1. Затем выдают последовательно РК: «Отключение АБ1», РК «Выключение ЗРУ1 от аварийной шины» 8, РК «Отключение АБ2». По РК «Отключение АБ1» происходит отключение АБ1 от ЗРУ1 (размыкание контакта S1-1) и подключение ЗРУ1 к аварийной шине 8 (замыкание контакта S1-2), по РК «Выключение ЗРУ1 от аварийной шины» 8 ЗРУ1 отключается от аварийной шины (размыкается контакт S1-3), а АБ1 подключается к аварийной шине 8 (замыкается контакт S1-4), по РК «Отключение АБ2» к аварийной шине 8 подключается ЗРУ2 (замыкается контакт S2-2), а АБ2 отключается от ЗРУ2 (размыкается контакт S2-1). Получается конфигурация СЭП, когда АБ2 переведена в режим «саморазряда», а АБ1 подключена к ЗРУ2 для штатного функционирования. Затем выдают РК «Запрет заряда АБ2» (размыкается контакт S2-3, замыкается контакт S2-4). При этом АБ1 через ЗРУ2 разряжается до напряжения 29 В, т.е. происходит формовочный цикл АБ1. После завершения глубокого разряда выдают РК «Восстановление КАС». При этом происходит только заряд АБ1, так как РУ1 неработоспособно, а АБ2 подключается к ЗРУ2 и функционирует штатно. После восполнения АБ1 путем штатного циклирования до срабатывания сигнального датчика выдают последовательно РК «Отключение АБ1», РК «Выключение ЗРУ1 от аварийной шины» 8 и РК «Выключение ЗРУ2 от аварийной шины» 8, что приводит к подключению АБ1 к ЗРУ2 параллельно АБ2 для дальнейшей штатной работы.Suppose there was a failure of the switchgear switchgear of the switchgear subsystem 1 (switchgear 1 + AB1). After identifying the failure of RU1 ZRU1, the battery AB1 is connected, for example, in parallel with AB2 to ZRU2. In this configuration, the EPA operates normally. To conduct the molding cycle AB1 issue RK "Recovery of UAS", since RU1 ZRU1 is inoperative. In this case, AB1 is connected to ZRU1 and operates only in the charge mode, since there is a failure of RU1 of ZRU1. Then they give out sequentially the RK: “Disconnect AB1”, the RK “Turn off ZRU1 from the emergency bus” 8, the RK “Disconnect AB2”. In RK “Disconnecting AB1”, AB1 is disconnected from ZRU1 (opening S1-1 contact) and ZRU1 is connected to emergency bus 8 (closing S1-2), according to RK “Disconnecting ZRU1 from emergency bus” 8 ZRU1 is disconnected from the emergency bus (opens contact S1-3), and AB1 is connected to emergency bus 8 (contact S1-4 closes), according to the RK “Disabling AB2”, emergency switch bus 8 is connected to ZRU2 (contact S2-2 is closed), and AB2 is disconnected from switchgear2 (contact S2 is opened -one). The SES configuration is obtained when AB2 is switched to the “self-discharge” mode, and AB1 is connected to ZRU2 for normal operation. Then give RK “Prohibition of charge AB2" (contact S2-3 opens, contact S2-4 closes). In this case, AB1 is discharged through ZRU2 to a voltage of 29 V, i.e. molding cycle AB1 takes place. After completion of the deep discharge, the RK “UAN Recovery” is issued. In this case, only AB1 charge occurs, since RU1 is inoperative, and AB2 is connected to the switchgear and operates normally. After replenishing AB1 by means of regular cycling until the alarm sensor is triggered, they give successively RK “Disconnect AB1”, RK “Turn off ZRU1 from the emergency bus” 8 and RK “Turn off ZRU2 from the emergency bus” 8, which leads to the connection of AB1 to ZRU2 in parallel with AB2 for further standard work.

Следует особо отметить, что своевременное определение степени разбаланса аккумуляторов и проведение при необходимости непланового формовочного цикла АБ в целом позволяет надежно их эксплуатировать в течение длительного времени. Для постоянного контроля степени разбаланса аккумуляторов АБ по емкости используют дополнительно показания (данные измерения) не менее трех аналоговых датчиков давления, расположенных в различных аккумуляторах каждой АБ. При этом по полученным показаниям рассчитывают эквивалентную текущую электрическую емкость, например, их среднее арифметическое значение, и обрабатывают зависимость эквивалентной электрической емкости от времени на заданном промежутке времени для установления максимума (минимума) уровня заряженности АБi, для чего используют вычислительный алгоритм СЭП. Затем сравнивают между собой значения эквивалентной емкости АБi и емкости, измеренной телеметрическим датчиком, до начала ФЦ АБi; при этом для сравнения выбирают на заданном световом участке орбиты КА значение текущей электрической емкости, зафиксированное телеметрическим датчиком в момент срабатывания сигнального датчика давления, и максимальное значение эквивалентной электрической емкости АБi. По величине относительного разброса значений электрической емкости АБi судят о степени разбаланса аккумуляторов по емкости. Аналогичную последовательность операций повторяют после завершения ФЦ АБi, а достаточность выравнивания (необходимость повторного ФЦ АБi) емкостей аккумуляторов ABi определяют путем сравнения величин относительного разброса текущей электрической емкости до и после проведения ФЦ АБi.It should be specially noted that the timely determination of the degree of unbalance of the batteries and the unplanned molding cycle of the battery, if necessary, as a whole, allows them to be used reliably for a long time. For continuous monitoring of the degree of imbalance of AB batteries by capacity, additional readings (measurement data) of at least three analog pressure sensors located in different batteries of each AB are used. In this case, according to the obtained readings, the equivalent current electric capacity is calculated, for example, their average arithmetic value, and the dependence of the equivalent electric capacity on time is processed for a specified period of time to establish the maximum (minimum) of the charge level ABi, for which the SEP computational algorithm is used. Then, the equivalent capacitance ABi and the capacitance measured by the telemetric sensor are compared with each other before the start of the FC ABi; at the same time, for comparison, the value of the current electric capacity recorded by the telemetry sensor at the moment the pressure sensor is triggered and the maximum value of the equivalent electric capacity ABi are selected at a given light portion of the spacecraft orbit. By the value of the relative variation in the values of the electric capacity, ABi judges the degree of imbalance of the batteries in terms of capacity. A similar sequence of operations is repeated after the completion of the FC ABi, and the adequacy of alignment (the need for a second FC ABi) of the battery capacities ABi is determined by comparing the relative scatter of the current electric capacitance before and after the FC ABi.

Таким образом, применение предлагаемого способа управления параметрами аккумуляторов никель-водородных аккумуляторных батарей системы электропитания космического аппарата позволит повысить ресурс эксплуатации НВАБ, а также живучесть СЭП без ухудшения ее технических характеристик как при штатной работе СЭП, так и аномальной работе одного ЗРУ или одной (нескольких) АБ.Thus, the application of the proposed method for controlling the parameters of the batteries of nickel-hydrogen storage batteries of the spacecraft’s power supply system will increase the life of the NVAB, as well as the survivability of the BOT without deterioration of its technical characteristics during normal operation of the BOT, and the abnormal operation of one switchgear or one (several) AB

Claims

A method for controlling the parameters of batteries of nickel-hydrogen storage batteries (AB) of the spacecraft’s power supply system (BOT), in which m batteries are cycled in charge-discharge mode by the on-board automation system of the power supply system, including limiting the degree of battery charge in terms of level triggering of alarm pressure sensors located in separate batteries of each battery, monitoring with the help of telemetric sensors of the parameters of each battery, including the current electric capacity and voltage, and periodic conducting of AB molding cycles by deep discharge, and periodically once every 6-9 months, a charge ban is introduced for one of the ABs and spacecraft onboard equipment is used as the discharge load, and the values of the charging capacity of the signal sensor pressure and maximum battery voltage during charging, determined during the completion of the molding cycle (FC), is used to assess the state of the battery and predict its degradation, and similar the sequence of operations is repeated for the subsequent AB, while the EMB is equipped with an emergency bus with switching equipment controlled by one-time commands to change, if necessary, its configuration by connecting the AB in case of an abnormal functioning of the charge-discharge device (ZRU) after the FC is connected to a functioning ZRU parallel to the AB for further full-time operation of the EPA, characterized in that they constantly monitor the degree of imbalance in the parameters of the batteries of the battery through additional use yes measurements of at least three analog pressure sensors located in different batteries of each battery, and according to the data recorded by analog sensors, the equivalent current capacitance is calculated, and processing the dependence of the equivalent electric capacitance on time for a given period of time, the maximum charge level of the battery is established using SEP computational algorithm, compare the values of the equivalent AB capacity and the capacitance measured by the telemetry sensor to n At the same time, in order to carry out a comparative analysis, in order to perform a comparative analysis, the value of the current electric capacitance recorded by the telemetry sensor at the moment the alarm pressure sensor was triggered, and the maximum value of the equivalent electric capacitance of AB determine the degree of unbalance on the given light section of the spacecraft orbit batteries by capacity, while the above sequence of operations is repeated after completion of the FC AB, and the need to equalize Changes in the parameters of AB batteries are determined by comparing the relative scatter of the current electric capacity before and after the FC AB.