RU2430860C1 - Method of operating lithium-ion storage battery incorporated with unpressurised spaceship with radiant cooling and spaceship to this end - Google Patents
Method of operating lithium-ion storage battery incorporated with unpressurised spaceship with radiant cooling and spaceship to this end Download PDFInfo
- Publication number
- RU2430860C1 RU2430860C1 RU2010120822/11A RU2010120822A RU2430860C1 RU 2430860 C1 RU2430860 C1 RU 2430860C1 RU 2010120822/11 A RU2010120822/11 A RU 2010120822/11A RU 2010120822 A RU2010120822 A RU 2010120822A RU 2430860 C1 RU2430860 C1 RU 2430860C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery
- batteries
- voltage
- temperature
- spacecraft
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано при проектировании космических аппаратов (КА) негерметичного исполнения с радиационным охлаждением.The invention relates to the field of space technology and can be used in the design of spacecraft (SC) leaky performance with radiation cooling.
Космический аппарат представляет собой (см. Космические аппараты. Под общей редакцией К.П.Феоктистова, М.: Воениздат, 1993, [1]) техническое устройство, состоящее из целевой аппаратуры и обеспечивающих систем.A spacecraft is a (see Spacecraft. Under the general editorship of KP Feoktistov, M .: Military Publishing House, 1993, [1]) a technical device consisting of target equipment and supporting systems.
В качестве целевой аппаратуры используется преимущественно связная аппаратура. В число обеспечивающих систем входят: система электропитания (СЭП), система ориентации КА, бортовой комплекс управления, система терморегулирования и другие системы в зависимости от типа и назначения КА.As the target equipment, mainly communication equipment is used. Supporting systems include: power supply system (BOT), spacecraft orientation system, onboard control complex, temperature control system and other systems depending on the type and purpose of the spacecraft.
К числу систем современных КА, по сути определяющих срок активного существования КА, относится в первую очередь система электропитания, у которой наиболее критичным звеном являются аккумуляторные батареи (АБ).Among the systems of modern spacecraft that essentially determine the period of active existence of a spacecraft is, first of all, the power supply system, in which the most critical link is rechargeable batteries (AB).
Для обеспечения длительного срока службы (ресурса) АБ очень важно проводить непрерывный мониторинг текущего технического состояния аккумуляторов АБ, своевременно проводить различные профилактические мероприятия для восстановления энергетических характеристик и обеспечивать комфортные температурные условия эксплуатации.To ensure a long battery life (resource), it is very important to continuously monitor the current technical condition of batteries, to conduct timely preventive measures to restore energy performance and ensure comfortable operating temperature conditions.
На КА негерметичного исполнения с радиационным охлаждением потенциально существует техническая возможность поддержания температуры АБ в более узком диапазоне, в отличие от КА с герметичным контейнером, в котором установлены АБ вместе с другой аппаратурой (преимущественно - радиоэлектронной) или КА, имеющий жидкостной контур охлаждения, который охватывает вместе с АБ другую аппаратуру. Предпосылкой этому служит то, что при таком построении КА термостатирование АБ может быть реализовано индивидуальным, независимым от другой аппаратуры КА.On an airtight spacecraft with radiation cooling, there is potentially the technical possibility of maintaining the battery temperature in a narrower range, in contrast to a spacecraft with a sealed container, in which the battery is installed together with other equipment (mainly radio-electronic) or a spacecraft with a liquid cooling circuit that covers together with AB other equipment. A prerequisite for this is that with such a construction of the spacecraft, AB thermostating can be implemented individually, independent of other spacecraft equipment.
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способы их эксплуатации, заключающиеся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов, описанные в кн.: Д.А. Хрусталев. Аккумуляторы. М.: Изумруд, 2003 г., глава 4. В данной работе отмечается очень низкое внутреннее сопротивление аккумуляторов и возможность управления процессами заряда-разряда только по текущим значениям напряжений аккумуляторов. При этом отмечается, что перезаряд и переразряд аккумуляторов категорически недопустим и в аккумуляторных батареях должны быть предусмотрены средства защиты. Известная информация касается в основном наземного применения литий-ионных аккумуляторных батарей в мобильных телефонах и компьютерной технике и не решает вопросов надежной эксплуатации в течение длительного ресурса в составе КА.Known lithium-ion batteries and methods of their operation, consisting in conducting charge-discharge cycles and monitoring the voltage of the batteries, described in the book: D.A. Khrustalev. Batteries M .: Emerald, 2003,
Известны литий-ионные аккумуляторные батареи и способ их эксплуатации, в том числе и в составе КА, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения аккумуляторов, описанные в кн.: А.А.Таганова, Ю.И.Бубнов, С.Б.Орлов. Герметичные химические источники тока. Санкт-Петербург: Химиздат, 2005 г., глава 5. В данной работе рассмотрены причины деградации аккумуляторов по емкости и по мощности, отражены технологические приемы защиты от перезаряда и переразряда аккумуляторов, однако также нет конкретных рекомендаций по надежной эксплуатации АБ в течение длительного ресурса в составе КА.Known lithium-ion batteries and the method of their operation, including as part of the spacecraft, which consists in conducting charge-discharge cycles and monitoring the voltage of the batteries, described in the book: A.A. Taganova, Yu.I. Bubnov, S. B.Orlov. Sealed chemical current sources. St. Petersburg: Khimizdat, 2005,
Известен способ эксплуатации литий-ионной аккумуляторной батареи, заключающийся в проведении заряд-разрядных циклов, контроле напряжения аккумуляторов и проведении в процессе эксплуатации балансировки аккумуляторов по напряжению путем подразряда аккумуляторов на резисторы до достижения их напряжением величины напряжения наиболее разряженного (наименее заряженного) аккумулятора («Батарея 6ЛИ-25, ЖЦПИ.563561.002 ПС», разработки и изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар).A known method of operating a lithium-ion battery is to conduct charge-discharge cycles, control the voltage of the batteries and carry out the balancing of the batteries in voltage during operation by sub-discharging the batteries into resistors until the voltage reaches the voltage value of the most discharged (least charged) battery (“Battery 6LI-25, ZhTsPI.563561.002 Substation ”, developed and manufactured by the company Saturn OJSC, Krasnodar).
В известной литий-ионной аккумуляторной батарее 6ЛИ-25, согласно ЖЦПИ.563561.002 ПС, периодически контролируют напряжение аккумуляторов и, если разность поэлементных напряжений наиболее заряженного и наименее заряженного аккумуляторов превышает 25 мВ, проводят выравнивание аккумуляторов по емкости путем разряда более заряженных аккумуляторов на балансировочные резисторы до снижения разницы в напряжениях аккумуляторов не более 10 мВ. Этот способ эксплуатации аккумуляторной батареи принят за прототип.In the well-known lithium-ion rechargeable battery 6LI-25, according to ZhTsPI.563561.002 PS, the voltage of the batteries is periodically monitored and, if the difference in the cell-by-cell voltages of the most charged and least charged batteries exceeds 25 mV, the batteries are aligned by capacity by discharging more charged batteries to balancing resistors to reduce the difference in battery voltage not more than 10 mV. This method of operating the battery is taken as a prototype.
Недостатком известного способа выравнивания аккумуляторов по емкости, реализованного известной аккумуляторной батареей является то, что процесс выравнивания может быть достаточно длительным, что ограничивает функциональные возможности КА.A disadvantage of the known method of aligning the batteries by capacity, implemented by the known battery is that the alignment process can be quite long, which limits the functionality of the spacecraft.
Известен КА (патент RU №2227108), содержащий устройства и приборы, установленные на обшивках сотовых панелей со встроенным жидкостным коллектором и имеющие входы и выходы, соединенные между собой трубопроводами.Known KA (patent RU No. 2227108) containing devices and devices mounted on the skin of honeycomb panels with a built-in liquid collector and having inputs and outputs interconnected by pipelines.
Недостатком известного КА является то, что в нем термостатирование обеспечивается одним жидкостным контуром с усредненным для всей аппаратуры КА значением температуры, что не позволяет эффективно регулировать теплосъем с какой-либо конкретной аппаратуры, например, с аккумуляторной батареи.A disadvantage of the known spacecraft is that in it thermostating is provided by one liquid circuit with a temperature value averaged over the entire spacecraft equipment, which does not allow efficient heat control from any specific equipment, for example, from a battery.
Известен КА (патент RU №2164881), содержащий отсек с целевой аппаратурой, герметичный приборный отсек, агрегатный отсек с комплексной двигательной установкой, систему терморегулирования с гидравлическими контурами и приборами для отбора, подвода и сброса тепла, в том числе выполненными в виде термоплат со штатными и технологическими гидравлическими каналами, систему электропитания, состоящую из солнечной батареи, установленного в приборном отсеке комплекса автоматики и стабилизации напряжения, размещенных в агрегатном отсеке никель-водородных аккумуляторных батарей, установленных внутри каждой батареи датчиков давления, чувствительных к изменению текущей электрической емкости батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, причем указанные датчики давления через устройства преобразования сигнала включены в канал обмена информацией между указанными комплексом автоматики и стабилизации напряжения и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей режим работы аппарата в зависимости от глубины разряда аккумуляторных батарей и определяющей суммарную глубину разряда.Known KA (patent RU No. 2164881), containing a compartment with target equipment, a sealed instrument compartment, an aggregate compartment with an integrated propulsion system, a temperature control system with hydraulic circuits and devices for the selection, supply and discharge of heat, including those made in the form of thermal plates with standard and technological hydraulic channels, a power supply system consisting of a solar battery installed in the instrument compartment of the automation and voltage stabilization complex, located in the nickel-water aggregate compartment one rechargeable batteries installed inside each battery of pressure sensors sensitive to changes in the current electric capacity of the batteries, as well as an onboard control complex with an onboard computer, and these pressure sensors through signal conversion devices are included in the information exchange channel between the indicated automation and voltage stabilization complex and an on-board computer, which is equipped with a program that corrects the operation mode of the device depending on the depth of discharge a accumulator batteries and determining the total depth of discharge.
Недостатком известного КА является то, что в нем не учитывается текущее тепловыделение аккумуляторных батарей, что приводит к расширению температурного диапазона их эксплуатации и, соответственно, к снижению эффективности использования аккумуляторных батарей.A disadvantage of the known spacecraft is that it does not take into account the current heat generation of the batteries, which leads to an expansion of the temperature range of their operation and, consequently, to a decrease in the efficiency of using batteries.
Наиболее близким по технической сущности заявляемому КА, является КА, описанный в патенте RU №2371361. Способ эксплуатации аккумуляторной батареи в составе космического аппарата негерметичного исполнения с радиационным охлаждением и космический аппарат для его реализации, заключающийся в проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, контроле давления и температуры аккумуляторов и обеспечении температурного режима батареи, при этом определяют текущее тепловыделение аккумуляторной батареи, которое посредством локальных нагревателей регулируют исходя из соотношения:Closest to the technical nature of the claimed spacecraft, is the spacecraft described in patent RU No. 2371361. The method of operating the battery as part of an unpressurized spacecraft with radiation cooling and the spacecraft for its implementation, which consists in carrying out charges, discharges, storage in a charged state, monitoring the pressure and temperature of the batteries and ensuring the temperature of the battery, while determining the current heat generation of the battery , which is controlled by local heaters based on the ratio:
Qнагр+Qaб-Qpo=const,Qnag + Qab-Qpo = const,
где Qнагр - текущее интегральное тепловыделение нагревателей;where Qnagr is the current integral heat emission of heaters;
Qaб - текущее тепловыделение аккумуляторной батареи;Qab - the current heat of the battery;
Qpo - теплоотдача посредством радиационного охлаждения;Qpo - heat transfer through radiation cooling;
const - установленное значение разницы расчетного тепловыделения и теплоотдачи, которое при запуске космического аппарата выбирают равным нулю, а в процессе эксплуатации космического аппарата автоматически либо по командам с Земли корректируют в большую или меньшую сторону, исходя из условия нахождения температуры аккумуляторной батареи в пределах установленных граничных значений. При этом КА содержит приборный блок, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, устройства и приборы, установленные на внутренних сторонах параллелепипеда приборного блока, в том числе систему терморегулирования для подвода и сброса тепла, содержащую локальные нагреватели и радиаторы-излучатели, систему электропитания, состоящую из солнечной батареи, стабилизированного преобразователя напряжения, никель-водородных аккумуляторных батарей, с установленными на аккумуляторах аналоговыми датчиками давления и температуры, устройства контроля аккумуляторных батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, отличающийся тем, что указанные аналоговые датчики давления и температуры через устройство контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и их температуры. Этот КА принят за прототип.const is the set value of the difference between the calculated heat release and heat transfer, which is chosen to be zero when the spacecraft is launched, and during the operation of the spacecraft, it is automatically adjusted to a greater or lesser extent based on the condition that the battery temperature is within the established boundary values during operation of the spacecraft . In this case, the spacecraft contains a device block made in the form of a rectangular parallelepiped, devices and devices installed on the inner sides of the box parallelepiped, including a temperature control system for supplying and discharging heat, containing local heaters and radiators, radiators, and a power supply system consisting of a solar a battery, a stabilized voltage converter, nickel-hydrogen storage batteries, with analogue pressure and temperature sensors installed on the batteries, battery monitoring, as well as an on-board control system with an on-board computer, characterized in that the analogue pressure and temperature sensors are connected to the information exchange channel between the indicated stabilized voltage converter, thermostatic control system and the on-board computer, which is equipped with an onboard battery monitoring device a program that corrects the operation of local heaters of batteries of the temperature control system in dependent STI on the state of charge and operating modes batteries and temperature. This spacecraft is adopted as a prototype.
Известный способ и КА позволяют эксплуатировать аккумуляторную батарею в более узком температурном диапазоне. Это благотворно влияет на ее ресурсные возможности. Однако он не решает задач технологии проведения профилактических работ с АБ в процессе ее эксплуатации, а технология обеспечения температурного режима АБ требует при эксплуатации КА начальной и ресурсной подстройки. Это снижает эффективность использования аккумуляторных батарей.The known method and spacecraft allow you to operate the battery in a narrower temperature range. This has a beneficial effect on its resource capabilities. However, it does not solve the problems of the technology for carrying out preventive maintenance with the battery during its operation, and the technology for ensuring the temperature regime of the battery requires initial and resource adjustment during the spacecraft operation. This reduces battery efficiency.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и улучшение удельных энергетических и ресурсных характеристик системы электропитания и КА в целом.The task of the invention is to increase the efficiency of use of rechargeable batteries and improve the specific energy and resource characteristics of the power supply system and spacecraft as a whole.
Поставленная задача достигается тем, что при проведении зарядов, разрядов, хранении в заряженном состоянии, балансировке аккумуляторов по напряжению, контроле температуры и обеспечении температурного режима аккумуляторной батареи посредством локальных нагревателей и радиаторов-излучателей обеспечение температурного режима проводят посредством регулирования мощности локальных нагревателей в зависимости от текущей температуры аккумуляторной батареи, балансировку аккумуляторов по напряжению проводят в зависимости от степени заряженности (напряжения) аккумуляторов и режима работы аккумуляторной батареи при отсутствии ее тока разряда. При этом регулирование мощности локальных нагревателей проводят в зависимости от дифференциала по времени текущей температуры аккумуляторной батареи. Кроме того, хранение в заряженном состоянии проводят при стабилизации на аккумуляторной батарее напряжения, не превышающего величину фактического конечного зарядного напряжения аккумуляторной батареи, но не менее: [(Uз акк-ΔUдоп)·(n-1)+Uз акк], В, гдеThis object is achieved by the fact that when carrying out charges, discharges, storage in a charged state, balancing the batteries by voltage, controlling the temperature and ensuring the temperature of the battery through local heaters and radiators, radiators, the temperature regime is carried out by adjusting the power of local heaters depending on the current temperature of the battery, balancing the voltage of the batteries is carried out depending on the degree of charge voltage (voltage) of the batteries and the operating mode of the battery in the absence of its discharge current. At the same time, the power control of local heaters is carried out depending on the time differential of the current battery temperature. In addition, storage in a charged state is carried out when the voltage on the battery is stabilized, not exceeding the value of the actual final charging voltage of the battery, but not less than: [(Uz acc-ΔUdop) · (n-1) + Uz acc], V, where
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора;Uз ak - maximum charging voltage of a lithium-ion battery;
n - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;n is the number of batteries in the battery;
ΔUдоп - допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению.ΔUdop - permissible voltage imbalance of the batteries.
При этом, космический аппарат негерметичного исполнения с радиационным охлаждением для реализации способа, содержащий приборный блок, выполненный в виде прямоугольного параллелепипеда, устройства и приборы, установленные на внутренних сторонах параллелепипеда приборного блока, в том числе бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, система терморегулирования, содержащая локальные нагреватели и радиаторы-излучатели, система электропитания, состоящая из солнечной батареи, стабилизированного преобразователя напряжения, с зарядными и разрядными преобразователями, аккумуляторных батарей, с аналоговыми датчиками температуры, устройства контроля аккумуляторных батарей, при этом указанные аналоговые датчики температуры через устройство контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования, в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и их температуры, отличается тем, что стабилизированный преобразователь напряжения с зарядными и разрядными преобразователями дополнительно содержит аналоговые датчики токов заряда и разряда аккумуляторных батарей, а устройство контроля аккумуляторных батарей дополнительно связано с аккумуляторами аккумуляторных батарей, в качестве аккумуляторных батарей используются литий-ионные аккумуляторные батареи, каждая из которых выполнена в виде «n» последовательно соединенных аккумуляторов, с установленными на аккумуляторах схемами балансировки их по напряжению, причем количество аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи выбрано, исходя из соотношения:At the same time, a spacecraft of a leakproof design with radiation cooling for implementing the method, comprising a device block made in the form of a rectangular parallelepiped, devices and devices installed on the inside of the device box parallelepiped, including an onboard control complex with an onboard computer, a temperature control system, containing local heaters and radiators, radiators, a power supply system consisting of a solar battery, a stabilized converter voltage, with charge and discharge converters, rechargeable batteries, with analog temperature sensors, battery control devices, and these analog temperature sensors through the battery control device are included in the information exchange channel between the indicated stabilized voltage converter, temperature control system and on-board computer, which is equipped with a program that corrects the operation of local battery heaters of the thermor system regulation, depending on the degree of charge and the mode of operation of the batteries and their temperature, characterized in that the stabilized voltage converter with charging and discharge converters additionally contains analog sensors of currents of charge and discharge of the batteries, and the battery monitoring device is additionally connected with the batteries , lithium-ion batteries are used as rechargeable batteries, each of which is made in the form of n »series connected batteries, with the batteries installed on the circuits of the balancing voltage, the number of batteries in each battery selected proceeding from the relation:
n<Uвx/Uз акк, где:n <Uвx / Uзacc, where:
Uвx - минимальное входное напряжение стабилизированного преобразователя на освещенном участке орбиты;Uвx is the minimum input voltage of the stabilized converter in the illuminated portion of the orbit;
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора,Uз ack - the maximum charging voltage of a lithium-ion battery,
при этом указанные аналоговые датчики токов заряда-разряда аккумуляторных батарей также включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, кроме того, напряжения аккумуляторных батарей и аккумуляторов через устройство контроля аккумуляторных батарей также включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу зарядных преобразователей, локальных нагревателей и схем балансировки аккумуляторов аккумуляторных батарей.wherein said analogue sensors of charge-discharge currents of storage batteries are also included in an information exchange channel between said stabilized voltage converter, a temperature control system and an on-board computer, in addition, voltage of storage batteries and batteries through a battery monitoring device are also included in an information exchange channel between indicated stabilized voltage Converter, thermal control system and on-board computer, which is equipped with a program that corrects the operation of charging converters, local heaters and battery balancing circuits.
Действительно, текущая температура аккумуляторной батареи, соотнесенная с некой «идеальной» температурой, позволяет проводить регулирование текущей мощности локальных нагревателей для непрерывного приближения к «идеальному» значению температуры. При этом регулирование мощности локальных нагревателей в зависимости от дифференциала по времени текущей температуры аккумуляторной батареи позволяет демпфировать перерегулирование и сузить диапазон температуры. Это положительно повлияет на ресурсные характеристики аккумуляторной батареи.Indeed, the current temperature of the battery, correlated with a certain "ideal" temperature, allows you to adjust the current power of local heaters to continuously approach the "ideal" temperature value. At the same time, the power control of local heaters, depending on the time differential of the current temperature of the battery, allows damping the overshoot and narrowing the temperature range. This will positively affect the resource characteristics of the battery.
Проведение балансировки аккумуляторов по напряжению при отсутствии ее токов разряда и в зависимости от степени заряженности (напряжения) аккумуляторов позволяет проводить этот процесс без потери функциональной эффективной мощности аккумуляторной батареи. Иными словами, процесс потенциального снижения напряжения АБ из-за подразряда отдельных аккумуляторов будет проведен тогда, когда разряда нет. При этом проведение балансировки аккумуляторов в процессе заряда АБ или при ее хранении в режиме стабилизации на ней напряжения не приводит к снижению ее текущих энергетических характеристик, так как напряжение на аккумуляторной батарее не снижается.Balancing the batteries by voltage in the absence of its discharge currents and depending on the degree of charge (voltage) of the batteries allows this process to be carried out without losing the functional effective power of the battery. In other words, the process of potential reduction in battery voltage due to the subdischarge of individual batteries will be carried out when there is no discharge. At the same time, balancing the batteries in the process of charging the battery or when it is stored in the voltage stabilization mode does not lead to a decrease in its current energy characteristics, since the voltage on the battery does not decrease.
При хранении заряженных аккумуляторных батарей в составе КА, когда вход в «теневые» участки орбиты (для геостационарных КА "теневые" участки орбиты составляют примерно 2%) эпизодичен, аккумуляторы длительное время подвергаются саморазряду. При этом существующий технологический разброс в их токах саморазряда приводит к разбалансу аккумуляторов по емкости (напряжению), что требует периодического проведения (в процессе хранения аккумуляторной батареи) балансировки аккумуляторов. Предлагается исключить (или сократить) проведение операций балансировки в процессе хранения заряженных аккумуляторных батарей. Для этого хранение в заряженном состоянии проводят при стабилизации на аккумуляторной батарее напряжения, не превышающего величину фактического конечного зарядного напряжения аккумуляторной батареи, но не менееWhen storing charged batteries in the spacecraft, when the entrance to the “shadow” sections of the orbit (for geostationary spacecraft the “shadow” sections of the orbit is about 2%) is episodic, the batteries undergo self-discharge for a long time. Moreover, the existing technological spread in their self-discharge currents leads to an imbalance of the batteries in terms of capacity (voltage), which requires periodic balancing of the batteries (during storage of the battery). It is proposed to exclude (or reduce) balancing operations during storage of charged batteries. To do this, storage in a charged state is carried out when the voltage stabilizing on the battery is not higher than the actual final charging voltage of the battery, but not less
[Uз акк·n-ΔUдоп·(n-1)], В, где[Uz acc · n-ΔUdop · (n-1)], B, where
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора;Uз ak - maximum charging voltage of a lithium-ion battery;
n - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;n is the number of batteries in the battery;
ΔUдоп - допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению.ΔUdop - permissible voltage imbalance of the batteries.
Нижний уровень стабилизируемого напряжения ограничивается теоретически вероятной ситуацией, когда все аккумуляторы, за исключением одного, ниже по напряжению величины максимального зарядного напряжения Uз акк на допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению ΔUдоп.The lower level of the stabilized voltage is limited by the theoretically probable situation when all the batteries, with the exception of one, are lower in voltage than the maximum charging voltage Uz acc to the permissible battery unbalance in voltage ΔUdop.
Поддержание указанного напряжения снизит либо исключит вовсе процесс саморазряда аккумуляторов.Maintaining the indicated voltage will reduce or completely eliminate the process of self-discharge of batteries.
Для реализации такого режима зарядный преобразователь стабилизированного преобразователя напряжения должен быть выполнен с прямоугольной выходной характеристикой, где переход на ветвь стабилизации напряжения происходит либо при достижении определенного напряжения (например [(Uз акк-ΔUдоп)·(n-1)+Uз акк], В), либо по факту достижения каким-либо аккумулятором максимального зарядного напряжения.To implement this mode, the charging converter of the stabilized voltage converter must be made with a rectangular output characteristic, where the transition to the voltage stabilization branch occurs either when a certain voltage is reached (for example, [(Uz acc-ΔUop) · (n-1) + Uz acc], V ), or upon the fact that any battery reaches its maximum charging voltage.
На чертеже фиг.1 показано предлагаемое устройство КА негерметичного исполнения с радиационным охлаждением для работы на геостационарной орбите.The drawing of figure 1 shows the proposed device of the spacecraft leak-tight with radiation cooling for operation in a geostationary orbit.
При этом введены нижеследующие обозначения:The following notation is introduced:
1 - приборный блок КА;1 - instrument unit KA;
2 - солнечные батареи КА;2 - spacecraft solar panels;
3 - радиатор-излучатель.3 - radiator-emitter.
Приборный блок КА 1 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда состоящего из "южной" и "северной" сотопанелей радиаторов и «восточной» и «западной», а также нижних и верхних торцевых панелей упрощенной конструкции.The
Внутри приборного блока (на внутренней стороне сотопанелей и панелей упрощенной конструкции) установлены устройства и приборы КА, в том числе система терморегулирования, содержащая локальные нагреватели (локальные нагреватели могут устанавливаться непосредственно в какой-либо аппаратуре) и термоплаты с тепловыми трубами и радиаторами-излучателями, система электропитания, состоящая из стабилизированного преобразователя напряжения, литий-ионных аккумуляторных батарей, с установленными аналоговыми датчиками температуры аккумуляторов, устройств контроля аккумуляторных батарей, а также бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной, при этом указанные аналоговые датчики температуры и напряжение каждого аккумулятора через устройства контроля аккумуляторных батарей включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу локальных нагревателей аккумуляторных батарей системы терморегулирования в зависимости от степени заряженности и режима работы аккумуляторных батарей и дифференциала их текущей температуры во времени.Inside the instrument block (on the inner side of honeycomb panels and panels of a simplified design), spacecraft devices and devices are installed, including a temperature control system containing local heaters (local heaters can be installed directly in any equipment) and thermal boards with heat pipes and radiators, radiators, power supply system consisting of a stabilized voltage converter, lithium-ion batteries, with installed analog temperature sensors, the battery c, battery control devices, as well as an on-board control complex with an on-board computer, wherein said analog temperature sensors and voltage of each battery through the battery control devices are included in the information exchange channel between the indicated stabilized voltage converter, thermal control system and the on-board computer, which is equipped with a program that corrects the operation of local heaters of the thermal control system battery depending on the degree of charge and the mode of operation of the batteries and the differential of their current temperature over time.
Солнечные батареи 2 установлены вдоль продольной оси Z КА, перпендикулярной плоскости орбиты КА, со стороны "южной" и "северной" сотопанелей радиаторов.
Радиатор-излучатель 3 установлен в плоскости "северной" или "южной" сотопанели радиатора.The radiator-emitter 3 is installed in the plane of the "northern" or "southern" sotopaneli radiator.
Основная тепловыделяющая аппаратура размещается на "северных" и "южных" сотопанелях. При этом аппаратура имеет, как правило, обогреватели для подвода тепла к отдельным узлам и агрегатам для исключения их переохлаждения.The main heat-generating equipment is located on the "northern" and "southern" honeycomb panels. At the same time, the equipment has, as a rule, heaters for supplying heat to individual units and assemblies to prevent their overcooling.
Заявляемое изобретение не касается конструкции теплоотводящих элементов (тепловых труб), поэтому пример конкретной реализации в этой части в материалах настоящей заявки не рассматривается.The claimed invention does not relate to the design of heat-removing elements (heat pipes), therefore, an example of a specific implementation in this part is not considered in the materials of this application.
На фиг.2 приведен пример функциональной схемы электрических и интерфейсных связей КА для реализации конкретных задач заявляемого изобретения. В рассматриваемом варианте используется одна аккумуляторная батарея и соответствующее количество зарядных и разрядных преобразователей.Figure 2 shows an example of a functional diagram of the electrical and interface communications of the spacecraft for the implementation of specific tasks of the claimed invention. In this embodiment, one battery is used and the corresponding number of charge and discharge converters.
При этом дополнительно введены нижеследующие обозначения:In addition, the following notation is introduced:
4 - стабилизированный преобразователь напряжения;4 - stabilized voltage converter;
4-1 - зарядный преобразователь;4-1 - charging converter;
4-2 - разрядный преобразователь;4-2 - bit converter;
4-3 - измерительный шунт в цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи (для формирования входного сигнала аналоговых датчиков тока заряда и разряда аккумуляторной батареи, не показанных на чертеже);4-3 - measuring shunt in the charge-discharge circuit of the battery (for generating an input signal of analog sensors of the charge current and discharge of the battery, not shown in the drawing);
5 - устройства и приборы КА;5 - spacecraft devices and devices;
6 - блок управления системы терморегулирования;6 - control unit of the temperature control system;
7 - бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной;7 - on-board control system with on-board computer;
8 - устройство контроля аккумуляторной батареи;8 - battery control device;
9 - литий-ионная аккумуляторная батарея;9 - lithium-ion battery;
10 - аккумуляторы;10 - batteries;
10-1 - схемы балансировки аккумуляторов;10-1 - battery balancing circuits;
11 - аналоговые датчики температуры;11 - analog temperature sensors;
12 - локальный (встроенный) нагреватель.12 - local (built-in) heater.
Количество аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи выбрано исходя из соотношения:The number of batteries of each battery is selected based on the ratio:
n<Uвx/Uз акк, где:n <Uвx / Uзacc, where:
Uвx - минимальное входное напряжение стабилизированного преобразователя на освещенном участке орбиты;Uвx is the minimum input voltage of the stabilized converter in the illuminated portion of the orbit;
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора.Uз ak - the maximum charging voltage of a lithium-ion battery.
Выполнение данного условия исключает необходимость формирования вольтодобавки в зарядном преобразователе, что улучшает удельные энергетические характеристики последнего, системы электропитания и КА в целом.Fulfillment of this condition eliminates the need for the formation of voltage boost in the charging converter, which improves the specific energy characteristics of the latter, the power supply system and the spacecraft as a whole.
Для управления КА и выполнения других функций служит бортовой комплекс управления с бортовой вычислительной машиной 7. В качестве аккумуляторной батареи 9 использованы литий-ионные АБ из последовательно соединенных аккумуляторов 10, которые оснащены датчиками температуры 11.To control the spacecraft and perform other functions, an onboard control system with an onboard computer is used 7. As the
Датчики температуры 11 запитаны от устройства контроля аккумуляторной батареи 8, содержащего устройства контроля напряжения аккумуляторов 10 аккумуляторной батареи 9, для передачи текущей информации в бортовой комплекс управления 7 (с бортовой вычислительной машиной), в который поступает также информация о режиме работы аккумуляторной батареи 9 (заряд, разряд, хранение), величине токов заряда-разряда из стабилизированного преобразователя напряжения 4. Бортовая вычислительная машина оснащена программой, формирующей управляющие команды в блок управления системы терморегулирования 6 для управления работой локального нагревателя 12 и стабилизированный преобразователь напряжения 4 для управления работой зарядного преобразователя 4-1. При необходимости, указанная программа в процессе эксплуатации КА может меняться.The
Повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и улучшение ресурсных характеристик СЭП и КА в целом при его штатной работе осуществляется следующим образом.Improving the efficiency of use of rechargeable batteries and improving the resource characteristics of a solar cell and spacecraft as a whole during its regular operation is carried out as follows.
Бортовое программное обеспечение дифференцирует во времени текущую температуру каждой аккумуляторной батареи 9 и исходя из входных данных по режиму работы (заряд, разряд, хранение) величины токов заряда-разряда, степени заряженности и температуры и задает режим работы локальных нагревателей 12 аккумуляторных батарей 9 через систему терморегулирования 6.The on-board software differentiates in time the current temperature of each
В процессе заряда контролируется напряжение аккумуляторов и аккумуляторной батареи. При достижении напряжения какого-либо аккумулятора величины максимального зарядного напряжения (Uз акк) зарядный преобразователь переключается в режим стабилизации напряжения в диапазоне от текущей величины до [(Uз акк-ΔUдоп)·(n-1)+Uз акк], В).During the charge, the voltage of the batteries and the battery is monitored. When the voltage of any battery reaches the maximum charging voltage (Uz acc), the charging converter switches to voltage stabilization mode in the range from the current value to [(Uz acc-ΔUop) · (n-1) + Uz acc], V).
Если в процессе эксплуатации АБ разница в напряжениях аккумуляторов превысит допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению (ΔUдоп), контролируется отсутствие тока разряда и включается режим балансировки аккумуляторов по напряжению. В простейшем виде, это подключение ко всем аккумуляторам, кроме имеющего наименьшее напряжение, разрядных резисторов с последующим их последовательным отключением по мере достижения напряжения каждого аккумулятора текущей величины напряжения аккумулятора, не подвергающегося подразряду.If during operation of the battery, the difference in battery voltage exceeds the permissible battery voltage imbalance (ΔUdop), the absence of discharge current is controlled and the battery voltage balancing mode is activated. In its simplest form, this is a connection to all batteries, except the one with the lowest voltage, of discharge resistors with their subsequent sequential disconnection as the voltage of each battery reaches the current value of the battery voltage, which is not subject to discharging.
Таким образом, использование заявляемого изобретения позволяет повысить эффективность использования аккумуляторных батарей и улучшить удельные энергетические и ресурсные характеристики СЭП и КА в целом при его штатной эксплуатации.Thus, the use of the claimed invention allows to increase the efficiency of use of rechargeable batteries and to improve the specific energy and resource characteristics of the EPA and the spacecraft as a whole during its normal operation.
Claims (4)
где Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора;
n - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;
ΔU доп - допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению.3. The method according to claim 1, characterized in that the storage in a charged state is carried out when the voltage on the battery is stabilized, not exceeding the value of the actual final charging voltage of the battery, but not less than (Uz acc-ΔUop) · (n-1) + Uz acc [V],
where Uз ack is the maximum charging voltage of a lithium-ion battery;
n is the number of batteries in the battery;
ΔU add - allowable battery imbalance in voltage.
n<Uвx/Uз акк,
где Uвx - минимальное входное напряжение стабилизированного преобразователя на освещенном участке орбиты;
Uз акк - максимальное зарядное напряжение литий-ионного аккумулятора, при этом указанные аналоговые датчики токов заряда-разряда аккумуляторных батарей также включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, причем напряжения аккумуляторных батарей и аккумуляторов через устройство контроля аккумуляторных батарей также включены в канал обмена информацией между указанными стабилизированным преобразователем напряжения, системой терморегулирования и бортовой вычислительной машиной, которая снабжена программой, корректирующей работу зарядных преобразователей, локальных нагревателей и схем балансировки аккумуляторов аккумуляторных батарей. 4. A leaky spacecraft with radiation cooling for implementing the method according to claim 1, comprising a device block made in the form of a rectangular parallelepiped, devices and devices mounted on the inside of the device box parallelepiped, including an onboard control complex with an onboard computer, a temperature control system containing local heaters and radiators, radiators, an electrical power system consisting of a solar battery, a stabilized voltage converter with charging and discharge converters, rechargeable batteries with analog temperature sensors, battery monitoring devices, while the indicated analog temperature sensors are connected through the battery monitoring device to the information exchange channel between the indicated stabilized voltage converter, thermal control system and the on-board computer, which equipped with a program that corrects the operation of local heaters of thermoreg system batteries depending on the degree of charging, operating mode and temperature of the batteries, characterized in that the stabilized voltage converter with charge and discharge converters further comprises analogue sensors for charge and discharge currents of the batteries, and the battery monitoring device is additionally connected to the batteries, and lithium-ion batteries are used as rechargeable batteries, each of which is made in the form of n connected batteries been consistent with balancing circuits of the voltage established on batteries, the number of batteries in each battery is selected from the relation:
n <Uвx / Uзacc,
where Uвx is the minimum input voltage of the stabilized converter in the illuminated portion of the orbit;
Uз ack is the maximum charging voltage of a lithium-ion battery, while the indicated analog sensors of charge-discharge currents of batteries are also included in the information exchange channel between the indicated stabilized voltage converter, thermal control system and on-board computer, moreover, the voltage of the batteries and batteries through the control device batteries are also included in the communication channel between the specified stabilized voltage Converter , a temperature control system and an on-board computer, which is equipped with a program that corrects the operation of charging converters, local heaters and battery balancing circuits.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010120822/11A RU2430860C1 (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Method of operating lithium-ion storage battery incorporated with unpressurised spaceship with radiant cooling and spaceship to this end |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010120822/11A RU2430860C1 (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Method of operating lithium-ion storage battery incorporated with unpressurised spaceship with radiant cooling and spaceship to this end |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2430860C1 true RU2430860C1 (en) | 2011-10-10 |
Family
ID=44805046
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010120822/11A RU2430860C1 (en) | 2010-05-24 | 2010-05-24 | Method of operating lithium-ion storage battery incorporated with unpressurised spaceship with radiant cooling and spaceship to this end |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2430860C1 (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496189C2 (en) * | 2011-11-10 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Operating method of lithium-ion storage battery |
| RU2574475C2 (en) * | 2014-02-04 | 2016-02-10 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Electric power supply method for space vehicle |
| RU2637585C2 (en) * | 2016-01-20 | 2017-12-05 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Method of operation of lithium-ion secondary battery as part of non-sealed space vehicle |
| US10110000B2 (en) | 2017-02-27 | 2018-10-23 | Hamilton Sundstrand Corporation | Power management and distribution architecture for a space vehicle |
| RU2689887C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-05-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" | Method for increasing service life of storage batteries on spacecrafts |
| US10486836B2 (en) | 2016-11-10 | 2019-11-26 | Hamilton Sundstrand Corporaration | Solar powered spacecraft power system |
-
2010
- 2010-05-24 RU RU2010120822/11A patent/RU2430860C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2496189C2 (en) * | 2011-11-10 | 2013-10-20 | Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" | Operating method of lithium-ion storage battery |
| RU2574475C2 (en) * | 2014-02-04 | 2016-02-10 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Electric power supply method for space vehicle |
| RU2637585C2 (en) * | 2016-01-20 | 2017-12-05 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Method of operation of lithium-ion secondary battery as part of non-sealed space vehicle |
| US10486836B2 (en) | 2016-11-10 | 2019-11-26 | Hamilton Sundstrand Corporaration | Solar powered spacecraft power system |
| US10110000B2 (en) | 2017-02-27 | 2018-10-23 | Hamilton Sundstrand Corporation | Power management and distribution architecture for a space vehicle |
| RU2689887C1 (en) * | 2018-06-22 | 2019-05-29 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт электромеханики" | Method for increasing service life of storage batteries on spacecrafts |
| RU2819232C1 (en) * | 2024-01-22 | 2024-05-15 | Акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнёва" | Spacecraft |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6043629A (en) | Modular control electronics for batteries | |
| US20120047386A1 (en) | Control apparatus and control method | |
| RU2430860C1 (en) | Method of operating lithium-ion storage battery incorporated with unpressurised spaceship with radiant cooling and spaceship to this end | |
| US20090234598A1 (en) | Temperature Controller | |
| RU2461102C1 (en) | Method for operation of lithium-ion accumulator battery in autonomous power supply system | |
| RU2371361C2 (en) | Method of operating nickel-hydrogen storage battery incorporated with untight spacecraft with radiation cooling and spacecraft to this effect | |
| US20170373509A1 (en) | Virtual Power Plant | |
| RU2337452C1 (en) | Method of load supply with direct current in composition of autonomous system of earth power supply and autonomous power supply system for its implementation | |
| US9735601B2 (en) | Systems and techniques for energy storage regulation | |
| RU2479894C2 (en) | METHOD TO CHARGE LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERY FROM n SERIALLY CONNECTED ACCUMULATORS WITH BALANCING RESISTORS CONNECTED TO THEM VIA SWITCHBOARDS | |
| KR20160110474A (en) | Method and system for managing a plurality of energy storage assemblies | |
| US6541940B1 (en) | Load follower using batteries exhibiting memory | |
| WO2007102758A1 (en) | Power compensator | |
| RU2698638C1 (en) | Method of operating a lithium-ion accumulator battery in a unpressurized spacecraft with radiation cooling | |
| RU2164881C1 (en) | Spacecraft | |
| RU2543487C2 (en) | Operating method for nickel-hydrogen batteries in power supply system of spacecraft | |
| RU2510105C2 (en) | Method to charge set of accumulator batteries within autonomous system of spacecraft power supply | |
| RU2637585C2 (en) | Method of operation of lithium-ion secondary battery as part of non-sealed space vehicle | |
| RU2464675C2 (en) | METHOD TO CHARGE SET OF "n" LITHIUM-ION ACCUMULATOR BATTERIES WITHIN GEOSTATIONARY MAN-MADE EARTH SATELLITE | |
| RU2689887C1 (en) | Method for increasing service life of storage batteries on spacecrafts | |
| RU2509691C2 (en) | Spacecraft | |
| RU2625173C1 (en) | Method of operation of the lithium-ion accumulator battery in the composition of a space apparatus for non-tight execution | |
| RU2339551C1 (en) | Battery electric power module for spacecraft | |
| RU2294581C1 (en) | Method for exploiting hermetic nickel-hydrogen accumulator battery in autonomous system of electric power of earth satellite | |
| JP2921475B2 (en) | Satellite-mounted battery temperature control circuit |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170525 |