Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться при эксплуатации металл-водородного аккумулятора (МВА) для его проверки на герметичность. Сущность изобретения состоит в том, что при осуществлении способа контроля герметичности МВА, включающего измерения давлений внутри его корпуса и температур на корпусе, сравнение измеренных значений с предельно допустимыми и определение герметичности по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне согласно изобретению, измеряют объем газовой полости МВА, определяют коэффициенты расширения корпуса МВА для указанных измеренных значений температур и давлений, определяют для контроля герметичности МВА диапазон значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение водорода при заряде МВА, производят первичный заряд МВА в диапазоне значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение только водорода, и измеряют номинальный зарядный ток, при этом производят контрольную течь водорода из объема газовой полости МВА и по ее значению определяют тарировочную добавочную величину зарядного тока, компенсирующую абсолютную статистическую погрешность вышеуказанных измеряемых параметров МВА и зарядного тока, по выходу из диапазона контроля герметичности прекращают производить контрольную течь и производят разряд МВА, далее, в процессе повторных зарядов МВА номинальным током в диапазоне значений степени заряженности МВА, в пределах которого происходит выделение только водорода при его заряде, производят термостатирования МВА, аналогичные первичному его заряду, определяют среднеобъемные значения температур водорода в МВА для указанного диапазона и по значениям токов заряда, измеряемых при каждом повторном заряде и поправке на тарировочную величину тока заряда, а также определенным значением среднеобъемных температур водорода, определяют электрохимический поток водорода в аккумуляторе (Q_эх), одновременно в том же диапазоне, для тех же измеренных значений температур и давлений, что и при первичном заряде, а также определенным значениям коэффициентов расширения корпуса МВА для указанных измеренных значений температур и давлений в диапазоне значений степени заряженности МВА, в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде МВА, определяют барометрический поток водорода в МВА (Q_бар) и о герметичности МВА судят по выполнению условия Q_эх-Q_бар<Q_доп, где Q_доп - допустимая величина негерметичности МВА. Технический результат от использования данного изобретения состоит в обеспечении текущего контроля гермегичности МВА при его эксплуатации по утечке водорода в пределах чувствительности на уровне допустимой для аккумулятора величины. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться при эксплуатации металл-водородного аккумулятора (МВА) для его проверки на герметичность.

Известен способ контроля герметичности пневмогидросистем [1], используемый в космической технике и принятый за аналог.

Суть способа заключается в том, что космический аппарат (КА) помещают в вакуумную камеру, соединенную с течеискателем, при этом объем вакуумной камеры сообщается с внутренней полостью отсека. Вакуумируют камеру и отсек средствами откачки до предельного остаточного давления в вакуумной камере. Затем туда подают тарированный поток контрольного газа заданной величины. Измеряют отличие концентрации контрольного газа в вакуумной камере от тарированного потока. После измерений прекращают подачу тарированного потока контрольного газа в вакуумную камеру. Заправляют пневмогидросистему контрольным газом. Измеряют изменение концентрации контрольного газа в вакуумной камере от микронеплотностей в агрегатах и магистралях пневмогидросистемы и по соотношению измеренных изменений концентрации контрольного газа судят о герметичности пневмогидросистемы.

Применять указанный способ контроля для МВА можно лишь в том случае, когда он находится в нерабочем состоянии, и только для контроля герметичности корпуса (сосуда), не находящегося под рабочим давлением. При этом в качестве контрольного газа можно применять только водород, который для подобных испытаний в вакуумной технике, в силу своей взрывоопасности, не применяется. Применение для подобных целей других газов, в том числе и нейтральных (например, гелия), не может в дальнейшем гарантировать штатную работу электрохимической батареи (ЭХБ) МВА, так как остатки контрольного газа могут в дальнейшем препятствовать основным электрохимическим процессам, протекающим в аккумуляторе.

Известно, что для управления МВА при эксплуатации наиболее применяемыми являются параметры давления, температуры и напряжения [2, стр.266]. Указанные параметры применяются и для контроля герметичности МВА. Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающий измерение давлений внутри его корпуса и температуры на корпусе аккумулятора, сравнение измеренных значений с предельно допустимыми и определение герметичности по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне, принимается за прототип [2, стр.265-266].

По допустимым градиентам роста или падения давления внутри корпуса аккумулятора можно судить о его герметичности. При негерметичности происходит выход за указанные допуска, вплоть до механического разрыва сосуда. Однако такой способ контроля является довольно грубым, а ситуация связанная с разрывом сосуда предотвращается выбором запаса прочности материала при изготовлении корпусов [2, стр.266].

Наиболее вероятная причина негерметичности МВА заключается в утечке водорода из аккумулятора как через его корпус, так и через места сборки дополнительных конструктивных элементов, входящих в состав аккумулятора. Контроль по утечке водорода можно осуществлять по напряжению аккумулятора и по температуре на его корпусе [2, стр. 265]. Факт частичной потери водорода устанавливается по падению напряжения при заряде. На никель-водородном аккумуляторе, например, падение напряжения составляет от 1,4...1,6 В до 0,5...0,6 В.

Кроме того, МВА сильно разогревается, так как практически вся подводимая к нему мощность переходит в теплоту.

Основные недостатки способа-прототипа заключаются в нижеследующем. Контролировать герметичность МВА по падению давления внутри корпуса на микроутечки практически невозможно, это связано с тем, что процесс преобразования химической энергии непосредственно в электрическую в аккумуляторе сопровождается изменениями давления, связанными не только с протекающими термодинамическими процессами, но и с электрохимическими процессами. Поэтому, кроме давлений и температур в замкнутом объеме аккумулятора, необходимо учитывать для контроля расхода выделяемых газов (кислорода и водорода) и величины токов аккумулятора. Во многом процесс газовыделения зависит и от конструкции самого аккумулятора, построения его ЭХБ, схемы отвода избыточного тепла аккумулятора и других особенностей.

Параметрическое многообразие, характеризующее работу МВА, вносит погрешность в процесс контроля его герметичности по давлению, при этом величина указанной погрешности не позволяет довести чувствительность способа для контроля величин малых утечек (˜0,1 мкм рт.ст.·л/с).

Контроль герметичности по температуре на корпусе аккумулятора также имеет существенный недостаток, так как контролируется не сам процесс утечки из аккумулятора, а последствия указанной утечки. Таким образом учесть негативный процесс в стратегии эксплуатации МВА не удается и приходится реагировать только на последствия данной утечки.

Кроме того, для МВА с общим газовым коллектором [3] и с установленными последовательно включенными элементами вести контроль по температуре и напряжению на отдельном элементе не представляется возможным, так как напряжение на ЭХБ, измеряемое как сумма напряжений каждого элемента, в целом можно оценивать по-разному. С одной стороны при его падении может произойти отказ одного из элементов, с другой - падение напряжения на каждом из элементов, связанное с утечкой водорода из корпуса аккумулятора. А система термостатирования (СТР) ЭХБ, например с помощью тепловых труб, замкнутых на радиаторы-теплообменники (РТО) [3], может обеспечить необходимый сброс тепла из МВА.

Таким образом, как и в случае с давлением, о негерметичности можно будет судить при значительной деградации аккумулятора в целом, когда нагрузка на СТР будет расти не пропорционально теплопроизводительности аккумулятора, связанной с его штатной работой.

Задачей, стоящей перед предлагаемым способом, является обеспечение текущего контроля герметичности металл-водородного аккумулятора при его эксплуатации по утечке водорода в пределах чувствительности на уровне допустимой для аккумулятора величины.

Поставленная задача решается тем, что в способе контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающем измерения давлений внутри его корпуса и температур на корпусе, сравнение измеренных значений с предельно допустимыми и определение герметичности по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне, измеряют объем газовой полости металл-водородного аккумулятора, определяют коэффициенты расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений, определяют для контроля герметичности металл-водородного аккумулятора диапазон значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, производят первичный заряд металл-водородного аккумулятора в диапазоне значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение только водорода и измеряют номинальный зарядный ток, при этом производят контрольную течь водорода из объема газовой полости металл-водородного аккумулятора и по ее значению определяют тарировочную добавочную величину зарядного тока, компенсирующую абсолютную статистическую погрешность вышеуказанных измеряемых параметров металл-водородного аккумулятора и зарядного тока, по выходу из диапазона контроля герметичности прекращают производить контрольную течь и производят разряд металл-водородного аккумулятора, далее, в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора номинальным током в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при его заряде, производят термостатирования металл-водородного аккумулятора, аналогичные первичному его заряду, определяют среднеобъемные значения температур водорода в металл-водородном аккумуляторе для указанного диапазона и по значениям токов заряда, измеряемых при каждом повторном заряде и поправке на тарировочную величину тока заряда, а также определенным значением среднеобъемных температур водорода, определяют электрохимический поток водорода в аккумуляторе (Q_эх), одновременно в том же диапазоне, для тех же измеренных значений температур и давлений, что и при первичном заряде, а также определенным значениям коэффициентов расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, определяют барометрический поток водорода в металл-водородном аккумуляторе (Q_бар) и о герметичности металл-водородного аккумулятора судят по выполнению условия

Q_эх-Q_бар<Q_доп

Q_доп - допустимая величина негерметичности металл-водородного аккумулятора.

Кроме того, в указанном способе контроля герметичности металл-водородного аккумулятора контрольный сброс водорода в процессе первичного его заряда производят на величину Q_доп для различных условий термостатирования металл-водородного аккумулятора в пределах допустимых значений температур, определяют по каждому сбросу тарировочную добавочную величину зарядного тока, которую учитывают при определении Q_эх для аналогичных условий термостатирования в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора.

Для описания предлагаемого способа введены фиг.1... фиг.5, на которых представлены:

фиг.1 - устройство никель-водородной аккумуляторной батареи с общим газовым коллектором;

фиг.2 - размещение тоководов на корпусе никель-водородной аккумуляторной батареи с общим газовым коллектором;

фиг.3 - размещение датчиков давления на корпусе никель-водородной аккумуляторной батареи с общим газовым коллектором;

фиг.4 - графики измеренных телеметрических параметров никель-водородной аккумуляторной батареи при проведении зарядного теста;

фиг.5 - динамические погрешности измеренных и расчетных параметров никель-водородной аккумуляторной батареи.

Для объяснения сути предлагаемого технического решения рассмотрим в качестве примера никель-водородную аккумуляторную батарею (НВАБ), предназначенную для прямого преобразования электрической энергии в химическую энергию реакции взаимодействия гидроокиси никеля и водорода, хранение ее в таком виде необходимое время и обратного прямого преобразования химической энергии реагентов в электрическую энергию.

Устройство НВАБ представлено на фиг.1-фиг.3, где введены условные обозначения:

1 - ЭХБ;

2, 3 - части силового корпуса: первая и вторая полусферы соответственно;

4 - датчики давления (всего три);

5 - тоководы с герморазъемами (всего два);

6 - штуцер заправки водородом;

7 - посадочное место установки тепловых труб;

8 - гайка;

9 - центральная шпилька;

10 - переходник центральной шпильки;

11 - токовод;

12 - силовые клеммы тоководов;

13 - цилиндрическая вставка.

ЭХБ 1, находящаяся в заваренном силовом корпусе, состоящем из двух частей 2 и 3 сферической формы и цилиндрической вставки 13, выполняет функции преобразователя энергии.

В собранном виде корпус представляет собой баллон высокого давления, который заполняется водородом. На баллоне установлены три датчика давления 4, обеспечивающие измерение давления внутри корпуса НВАБ и управляющие работой ЭХБ 1, два токовода с герморазъемами 5, позволяющие подводить и снимать с ЭХБ 1 электрическую энергию, и штуцер 6 для проведения испытаний и заправки водородом НВАБ.

Кроме этого, производят измерение температур на корпусе НВАБ, устанавливая (наклеивая) в разных местах на поверхности корпуса от трех до шести температурных датчиков. Такие же датчики устанавливают на тепловых трубах [3].

В осевой части НВАБ предусмотрены два посадочных места 7 цилиндрической формы для установки испарительной части двух тепловых труб [3], обеспечивающих передачу тепла от ЭХБ 1 к тепловым трубам. Для повышения теплопередачи зазор между конструкцией ЭХБ 1 и посадочными местами для установки тепловых труб 7 заполняют теплопроводной пастой.

Крепление ЭХБ 1 к первой полусфере 2 производится с помощью гайки 8 с последующей сваркой стыков между центральной шпилькой 9 и переходником центральной шпильки корпуса 10.

Вторая точка опоры ЭХБ 1 во второй полусфере 3 является скользящей, обеспечивающей перемещение корпуса вдоль шпильки при изменении давления и температуры внутри корпуса. После установки ЭХБ в полусфере 2, к шинам "+" и "-" ЭХБ присоединяются соответствующие силовые клеммы 12 тоководов 11.

НВАБ выполнена с общим газовым коллектором, что позволяет обеспечить высокую запасаемую энергию на единицу массы (не менее 50 Вт·ч/кг) и объема (не менее 100 Вт·ч/л), высокую надежность и безопасность работы.

ЭХБ 1 содержит в себе электрические группы, состоящие из отрицательного водородного газодиффузионного электрода, выполненного в виде металлической позолоченной никелевой сетки с внедренным в нее катализатором (платина с фторопластом), положительного окисно-никелевого электрода (ОНЭ), представляющего собой высокопористую никелевую структуру, заполненную гидроокисью никеля.

Толщина положительного электрода (масса) определяет суммарно запасенную энергию аккумулятора и электроносителя.

Электролитом является водный раствор щелочи (КОН), который содержится в специальной пористой матрице.

При заряде водород восстанавливается на водородном электроде и заполняет общий объем аккумуляторной батареи, при этом давление в емкости (бародинамическая зависимость НВАБ) увеличивается приблизительно пропорционально заряжаемой емкости аккумулятора. Каждому значению температуры, измеренной на корпусе НВАБ соответствует свой график допустимого роста давления внутри корпуса батареи при номинальном зарядном токе [2, рис. XI.5 стр. 259].

Сравнивая измеренные значения с предельно допустимыми значениями, по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне можно определять герметичность корпуса.

При разряде водород ионизируется и происходит электрохимическое образование Ni(ОН)₂, при этом давление водорода снижается приблизительно пропорционально расходуемой емкости аккумулятора. Средний потенциал одного элемента при разряде составляет ˜1,25...1,3 В.

Для примера возьмем ЭХБ1 в виде пакета [3], состоящего из восемнадцати последовательно соединенных между собой аккумуляторных ячеек, объединяющих в себе электрические группы.

Примем также для контроля герметичности аккумулятор, находящийся в зарядном цикле. Указанный цикл наиболее опасный по нагрузке корпуса внутренним давлением газа, рост которого может составлять в процессе заряда десятки атмосфер вплоть до максимального значения, составляющего ˜60 кгс/см².

Распишем систему уравнений, описывающую расчет нормы негерметичности НВАБ.

1) Электрохимический расход водорода (обобщенный закон Фарадея в дифференциальной форме - [4], стр. 388).

где

μ_H2=2 - киломольная масса водорода, [кг/кмоль];

n=18 - количество последовательно соединенных ячеек в НВАБ, [-];

Z_Н2=2 - валентность водорода, [-];

F=9,6485·10⁷ - число Фарадея, [А·с/кмоль];

I(τ) - измеренное значение тока в зарядно-разрядных циклах НВАБ, [А];

η=η(С/С_HOM, Т_ЭХБ, I; n_Ц) - рассчитываемое значение кпд по току в режиме заряда (сложная эмпирическая функция многих переменных), [-];

С/С_HOM - рассчитываемая степень заряженности НВАБ, [-];

Т_ЭХБ - рассчитываемая среднеобъемная температура электрохимической батареи (ЭХБ), [°С];

n_Ц - количество зарядно-разрядных циклов на текущий момент ресурсной эксплуатации НВАБ, [-].

2) Барометрический расход водорода (уравнение Менделеева-Клапейрона в дифференциальном виде - [4], стр. 151).

где

V_H2(Р, Т_K) - рассчитываемый объем, занимаемый газообразным водородом в НВАБ (техническая система измерений), [л];

R_O=8314 - универсальная газовая постоянная, [Дж/(кмоль·К)];

Р(τ) - измеренное давление водорода в НВАБ (техническая система измерений), [кгс/см²];

Т_H2(τ) - рассчитываемая среднеобъемная температура водорода в НВАБ, [°С];

Т_K(τ) - измеренная температура корпуса НВАБ, [°С];

k_P=9,81·10 - переводной коэффициент для измерения давления в системе СИ, [(Н/м²)кгс/см²)];

k_V=10^-3 - переводной коэффициент для измерения объема в системе СИ, [м³/л].

3) Расход водорода (течь) через газопроницаемую оболочку корпуса НВАБ и уплотнительные элементы конструкции (баланс расходов).

4) Расчетное значение средней (интегральной) температуры по внутреннему объему НВАБ ([5], стр. 31) в общем виде

В частном виде для цилиндрических слоев ЭХБ и газовой полости имеем:

где

T(r) - рассчитываемое распределение температуры по радиусу в цилиндрических слоях НВАБ;

r₀, r₁, r₂ - радиусы внутренней поверхности ЭХБ, наружной поверхности ЭХБ и внутренней поверхности корпуса НВАБ соответственно.

5) Рассчитываемый объем газообразного водорода с учетом "дыхания" сферического корпуса НВАБ от факторов температуры и давления.

где

V₀ - измеренный объем газовой полости НВАБ при приемно-сдаточных испытаниях с температурой Т₀ и давлением Р₀ окружающей среды, (значение объема занесено в формуляр), [л];

ΔV_T - приращение объема от фактора температуры, [л];

ΔV_P - приращение объема от фактора давления, [л];

β_T - температурный коэффициент линейного расширения материала корпуса, [1/°С];

- рассчитываемый коэффициент расширения корпуса от фактора давления, [кгс/см²]^-1;

Δt=(Т_K-Т₀) - изменение температуры корпуса, [°С];

ΔР=(Р-Р₀) - изменение давления водорода, [кгс/см²];

Т₀, Р₀ - измеренные параметры окружающей среды при определении объема V₀ для газовой полости НВАБ (значения параметров заносятся в формуляр);

Р_К - избыточное испытательное давление для определения коэффициента β_P при Т_K=Т₀=Const;

ΔL_K - измеренное линейное удлинение окружности корпуса под действием фактора испытательного давления Р_K, [мм];

D₀ - измеренный диаметр корпуса НВАБ при параметрах Т₀ и Р₀, [мм].

6) Норма негерметичности (течи).

Уравнение {3} описывает материальный баланс расходов газа, выраженных в единицах массы. В вакуумной технике для измерения течи используется рассчитываемый поток газа, выраженный в условных единицах потока определяемых выражением, справедливым при постоянной температуре (рассчитываемый газовый поток течи - [6, стр. 156]):

где

- рассчитываемое среднее значение температуры водорода в НВАБ за время реализации способа контроля, [К];

τ₁ и τ₂ - измеренное время начала и окончания способа контроля негерметичности соответственно, [с];

Δτ=(τ₂-τ1) - продолжительность способа контроля герметичности, [с];

k_П=7,5·10³ - переводной коэффициент для измерения газовых потоков в технической системе измерения, [(мкм рт. ст.·л/с)/(Вт)].

Рассмотрим подробно схему применения предлагаемого способа контроля герметичности металл-водородного (никель-водородного) аккумулятора.

Перед началом эксплуатации аккумулятора измеряем объем газовой полости V₀.

Для этого используется технологический штуцер 6 (см.фиг.1). Через него, например, заправляют аккумулятор тарированной массой водорода. Далее по известной массе водорода, измеренным значением температур на корпусе и давления внутри корпуса измеряют объем газовой полости аккумулятора.

Определяем коэффициенты β_т и β_p (см. {6}), при этом учитываем рабочий диапазон температур и давлений аккумулятора, получаемых при его эксплуатации. Определяем диапазон значений степени заряженности аккумулятора (С/С_ном), в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде аккумулятора. Для этого используем известные зависимости по изменению давления в функции относительной зарядной емкости (степени заряженности) при различных температурах, (см.[2], стр. 259).

Из указанных зависимостей определяем области только для выделения водорода, характеризуемые постоянным градиентом изменения давления. Например, в диапазоне С/С_ном от 0,1 до 0,5 (см.[2], рис.XI.5, стр. 259) водород выделяется при температуре от 0° до 40°С.

Для указанной области степени заряженности гарантированно реализуется практически постоянное значение η≈1. Это существенно упрощает определение G_ЭХ по измеренному зарядному току при заряде аккумулятора в пределах указанного диапазона. Кроме того, выбор области выделения водорода приводит к увеличению точности способа контроля, так как указанная область характеризуется минимальным собственным тепловыделением НВАБ и, как следствие этого, стабильностью и равномерностью распределения температуры по конструкции аккумулятора, что позволяет с достаточной точностью заменить расчетное значение среднеобъемной температуры водорода Т_H2 на измеренное значение температуры корпуса Т_K.

Исходя из указанных предпосылок, на фиг.4 произведен выбор указанной области для НВАБ, установленной на КА "Ямал-100" и находящейся в зарядном цикле.

На фиг.4 дополнительно введены обозначения:

Т_TT - температура тепловых труб в зоне их установки на РТО (см. [3]);

W - текущие значения уровня заряженности НВАБ, определяемые по выражению:

где к - коэффициент пропорциональности;

Р₀ - давление в НВАБ в конце полного разряда, [кгс/см²];

Р - рабочее давление в НВАБ, [кгс/см²].

Для реализации способа принято значение относительной заряженности W=(0,1...03) W_НОМ) на интервале времени Δτ≈1,5 ч.

Область практической реализации выделена прямоугольником. Как видно из фрагментов графиков, принадлежащих области, наблюдается линейный рост Р и W при I≈const, Т_K≈const и Т_TT≈const.

Таким образом, указанная область ограничена пределами для выделяющегося водорода в процессе заряда, при этом η≈1.

Для представленной области определения, с учетом сделанных допущений, после преобразования представленной выше системы уравнений {1}...{8}, окончательное выражение для рассчитываемой текущей нормы негерметичности имеет вид:

где

определенное значение потока водорода в аккумуляторе от электрохимической реакции;

определенное значение барометрического потока водорода в аккумуляторе.

Определяем среднее значение температуры водорода за время реализации способа для Q_ЭХ:

где

Т_K(τ) - измеренная температура корпуса;

τ₁ и τ₂ - измеренное время начала и окончания способа контроля негерметичности соответственно, [ч].

Определяем среднее значение рассчитанного градиента давления (с учетом "дыхания" корпуса от факторов температуры и давления) за время реализации способа для Q_БАР:

где

Р(τ) - измеренное давление водорода;

- аналитическая зависимость относительного объема водорода от текущих параметров давления водорода и температуры корпуса;

Δt=Т_K(τ)-Т₀ - текущая разность температур, [°С];

ΔР=Р(τ)-Р_О - текущая разность давления, [кгс/см²];

τ₁ и τ₂ - измеренное время начала и окончания способа контроля негерметичности соответственно, [ч].

Определяем среднее измеренное значение зарядного тока за время реализации способа для Q_ЭЛ:

где I_i - текущие измеренные значения зарядного тока в области реализации

Сравнение текущей и допустимой норм негерметичности:

В случае выполнения условия {19} можно судить о герметичности МВА. Для увеличения чувствительности способа контроля предлагается дополнительно согласованная тарировка измеряемых параметров I, P, Т_K на соответствие фактической норме негерметичности к моменту начала штатной (ресурсной) эксплуатации в целях устранения статической абсолютной погрешности измерения.

Производится тарировка нижеследующим образом.

На штуцер 6 (см. фиг.1) устанавливается перепускной клапан с тарированной насадкой на контрольную течь (Q_ТАР) и в процессе первичного заряда аккумулятора в пределах рассмотренного ранее диапазона с выделением только водорода открывают клапан. Таким образом производят контрольную течь водорода из объема газовой полости аккумулятора. При этом измеряют зарядный ток (I_ИЗМ).

Тарировочная добавка ΔI_ТАР для зарядного тока, компенсирующая абсолютную статистическую погрешность комплекса измеряемых параметров, определяется по фактически измеряемым и расчетным параметрам, полученным в процессе первичного заряда из тождественного уравнения {10} с подстановкой {11, 12} для фактической нормы негерметичности (Q_ТАР):

После проведения указанного первичного заряда аккумулятор разряжаем. При этом потерями водорода из объема газовой полости, в виду их малости, пренебрегаем.

Далее вводим значение оттарированного среднего значения зарядного тока (I_CP) для реализации способа:

Из выражения {20} следует, что указанная тарировочная величина будет наиболее соответствовать температуре (температурному диапазону) Т_ср, для которого проводились испытания. Поэтому, в процессе повторных зарядов аккумулятора номинальным током в диапазоне значений степени заряженности аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода, производим термостатирование аккумулятора, аналогичные первичному его заряду.

Указанное термостатирование производится при помощи средств СТР как самого аккумулятора (см. [3]), так и, например, отсека КА, в котором МВА находится.

В процессе повторных зарядов аккумулятора, выражение {10} с подстановкой {11, 12, 21} для рассчитываемой текущей нормы негерметичности будет иметь вид:

где Q_ЭХ - поток водорода в аккумуляторе от электрохимической реакции с учетом поправки на тарировочную величину тока заряда.

А сравнение текущей и допустимой норм негерметичности необходимо производить по выражению

В случае выполнения условия {19} можно судить о герметичности МВА. Пример расчета степени герметичности НВАБ КА "Ямал-100" с учетом ΔI_TAP приведен на фиг.5.

При этом приняты нижеследующие расчетные значения:

Q_ТАР=Q_ДОП=0,08 [мкм рт.ст.·л/с];

I_ИЗМ =8,320534, [А];

Т_CP=8,977064, [С];

(Р·θ)Δτ=5,5144, [(кгс/см²)ч]; V₀=16, [л].

Подставив указанные значения в расчетное выражение {20}, получим

ΔI_TAP=2,674078 [А].

Указанное значение было получено в процессе наземных испытаний

НВАБ для температурного отрезка [T'_CP]≈[8...30 °C].

Далее по выражению {22}, подставив измеренные значения, полученные в выделенной области практической реализации способа (см. фиг.4):

I_ИЗМ=8,49138, [А];

Т_CP=13,1667, [°С]; Т_CP∈[Т^' _CP]

(Р·θ)Δτ=5,6833, [(кгс/см²)ч],

получим значение Q_ТЕЧИ=0,0672 мкм рт.ст.·л/с. Сравниваем полученное значение с допустимым и производим заключение о герметичности НВАБ.

Для повышения точности в определении фактической нормы негерметичности, осуществлялось сглаживание "динамического уровня шума" измеряемых параметров.

Наибольший уровень динамической погрешности измеренных параметров отмечается для зарядного тока. Поэтому в качестве I_ИЗМ принято отработанное измеренное текущее значение зарядного тока Ii, с учетом величины достоверности апроксимации (R²). Сглаживание "динамического уровня шума" производилось с использованием математического аппарата по методу наименьших квадратов.

Величину контрольной течи аккумулятора Q_tap можно выбирать по-разному, исходя из последующей плановой стратегии эксплуатации аккумулятора. Например, в случае доступности периодического контроля при помощи внешних средств контроля (масс-спектрометров, образцовых мановакууметров и т.д.), не установленных на самом аккумуляторе, чувствительность способа можно уменьшить путем увеличения Q_tap, до выполнения условия

Указанный подход может позволить снизить несколько требования к точности измерений параметров I, Р, Т_K, Δτ. Снять требование к проведению индивидуальных тарировочных испытаний для каждой НВАБ (например, для большой партии для удешевления процесса испытаний) и т.д.

В случае повышенных требований, для выполнения условия

требования к измерительной аппаратуре возрастают, усложняются алгоритмы контроля в плане математической обработки измеряемых параметров (апроксимация и сглаживание в целях устранения динамической погрешности). Может понадобиться проведение нескольких тарировочных испытаний ("первичных зарядов") для статистической обработки полученных результатов (например, с последующей дозаправкой аккумулятора водородом и т.д., что увеличит стоимость испытаний и эксплуатации МВА.

С точки зрения оптимизации соотношение цены и качества предлагается исходить из необходимой достаточности контроля и контрольную течь водорода в процессе первичного заряда аккумулятора производить на величину

для различных условий термостатирования аккумулятора в пределах допустимых значений температур. Далее определять для каждого из условий тарировочную добавочную величину зарядного тока, которую затем учитывать при определении Q_ЭХ для аналогичных условий термостатирования в процессе повторных зарядов аккумулятора.

Необходимая точность и сертификация способа контроля герметичности НВАБ при наземной подготовке и штатной эксплуатации достигается при выполнении нижеследующих мероприятий:

- комплектации НВАБ точной измерительной аппаратурой с учетом вторичного преобразования выходного аналогового сигнала в бортовом алгоритме управления, в том числе для следующих параметров: I, Р, Т, Δτ;

- проведение индивидуальных тарировочных испытаний для каждой НВАБ в части определения технических характеристик с занесением их в формуляр, в том числе для следующих параметров: V_o, Т_о, Р_о, β_р, β_т, η;

- разработки алгоритма для определения расчетных параметров в части распределения температуры Т (г) по радиусу в цилиндрических слоях НВАБ по входным измеряемым параметрам;

- математической обработки (апроксимации и сглаживания) измеряемых параметров I, P, Т_K в целях устранения динамической погрешности от электромагнитных наводок в системе вторичного преобразования сигналов - сглаживание "уровня шума". Работоспособность МВА во многом зависит от целостности и герметичности конструкции ее корпуса. Разрушение конструкции корпуса приводит к полной потере работоспособности. Возможные необратимые утечки рабочего тела при повышенной норме негерметичности приводят к ускоренной деградации ее технических характеристик в процессе штатной (ресурсной) эксплуатации. При этом темп деградации напрямую зависит от величины этих утечек. В случае негерметичности МВА соответствующим образом должна меняться стратегия дальнейшей его эксплуатации при неизбежном снижении технических характеристик аккумулятора по сравнению с нормами технических условий на эксплуатацию.

При проектировании и разработке МВА, применяемых на КА, устанавливаются необходимые нормы негерметичности, позволяющие обеспечить технические характеристики в течение заданного ресурса эксплуатации аккумулятора. В наземной отработке и при проведении приемосдаточных испытаний используются различные нормативные методы определения и подтверждения проектной нормы герметичности с использованием специального дорогостоящего наземного оборудования и арматуры (вакуумные стенды, образцовые мановакууметры, масс-спектрометр и т.д.). Однако применяемые при этом способы контроля не подходят для штатной эксплуатации КА в условиях космического полета.

При длительной штатной эксплуатации МВА в составе КА возникает необходимость проверки фактической нормы герметичности с использованием простых средств измерения параметров аккумулятора, входящих в его состав. Такая проверка необходима для правильной оценки технического состояния МВА и подтверждения его электрических ресурсных характеристик при соблюдении условия допустимой герметичности ампулизированного объема с газообразным рабочим телом (водородом).

Известный способ-прототип контроля фактической нормы негерметичности по спаду давления не приемлем для штатной эксплуатации МВА в условиях переменной температуры термостатирования и различных режимов работы аккумулятора.

Предлагаемый способ позволяет в условиях космического полета осуществлять текущий (оперативный) контроль герметичности МВА по чувствительности соизмеримый с указанными методами наземного контроля.

Наличие информации о герметичности позволяет строить соответствующую стратегию управления аккумуляторами. Так в случае наличия утечки водорода выше допустимой величины негерметичности, для продления срока службы аккумулятора, необходимо увеличивать продолжительность его хранения в разряженном состоянии и заряжать в случаях прогнозируемой востребованности электроэнергии от вторичных источников питания. Например, перед прохождением "теневых" участков орбиты КА и до окончания указанных участков производится заряд аккумулятора, далее - хранение в разряженном состоянии. Возможны и другие варианты в стратегии эксплуатации МВА.

В случае наличия резервных аккумуляторов необходимо осуществлять переход на них, использовав при этом до конца ресурс негерметичного аккумулятора, а также пересмотреть энергобаланс КА в сторону введения режимов экономии электроэнергии, перевода электроэнергии в другие формы энергии - тепловую, механическую, энергию сжатых газов и т.д., а на участках полета с избытком генерируемой энергии на борту аппарата и тем самым снизив затраты электроэнергии аккумулятора на критических участках его работы (уменьшить электропотребление на разогрев конструкции, газов и др.). Указанные меры позволяют продлить срок службы аппарата. Таким образом представленный способ фактически решает задачу продления сроков службы КА, в случае утечки газа (водорода) с установленных на аппаратах МВА.

Литература

1. Липняк Л.В., Панов Н.Г., Щербаков Э.В. Способ контроля герметичности пневмогидросистем. Патент РФ 2086941.

2. Центер Б.И., Лызлов Н.Ю. Металл водородные электрохимические системы. Ленинград "Химия", Ленинградское отделение. 1989.

3. Челяев В.Ф., Никитин В.А., Матренин В.И., Цедилкин А.П. Батарея с металлогазовыми элементами. Патент РФ 2118873.

4. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. Издательство "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, Москва. 1979.

5. А.В.Лыков. Теория теплопроводности. Издательство "Высшая школа", Москва. 1967.

6. Л.Н.Розанов. Вакуумная техника. Издательство "Высшая школа", Москва. 1982.

1. Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора, включающий измерения давлений внутри его корпуса и температур на корпусе, сравнение измеренных значений с предельно допустимыми и определение герметичности по нахождению измеренных параметров в допустимом диапазоне, отличающийся тем, что измеряют объем газовой полости металл-водородного аккумулятора, определяют коэффициенты расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений, определяют для контроля герметичности металл-водородного аккумулятора диапазон значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, производят первичный заряд металл-водородного аккумулятора в диапазоне значений степени его заряженности, в пределах которого происходит выделение только водорода и измеряют номинальный зарядный ток, при этом производят контрольную течь водорода из объема газовой полости металл-водородного аккумулятора и по ее значению определяют тарировочную добавочную величину зарядного тока, компенсирующую абсолютную статистическую погрешность вышеуказанных измеряемых параметров металл-водородного аккумулятора и зарядного тока, по выходу из диапазона контроля герметичности прекращают производить контрольную течь и производят разряд металл-водородного аккумулятора, далее в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора номинальным током в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при его заряде, производят термостатирования металл-водородного аккумулятора, аналогичные первичному его заряду, определяют среднеобъемные значения температур водорода в металл-водородном аккумуляторе для указанного диапазона и по значениям токов заряда, измеряемых при каждом повторном заряде и поправке на тарировочную величину тока заряда, а также определенным значением среднеобъемных температур водорода, определяют электрохимический поток водорода в аккумуляторе (Q_эх) одновременно в том же диапазоне, для тех же измеренных значений температур и давлений, что и при первичном заряде, а также определенным значениям коэффициентов расширения корпуса металл-водородного аккумулятора для указанных измеренных значений температур и давлений в диапазоне значений степени заряженности металл-водородного аккумулятора, в пределах которого происходит выделение только водорода при заряде металл-водородного аккумулятора, определяют барометрический поток водорода в металл-водородном аккумуляторе (Q_бар) и о герметичности металл-водородного аккумулятора судят по выполнению условия

Q_эх-Q_бар<Q_доп,

Q_доп - допустимая величина негерметичности металл-водородного аккумулятора.

2. Способ контроля герметичности металл-водородного аккумулятора по п.1, отличающийся тем, что контрольный сброс водорода в процессе первичного его заряда производят на величину Q_доп для различных условий термостатирования металл-водородного аккумулятора в пределах допустимых значений температур, определяют по каждому сбросу тарировачную добавочную величину зарядного тока, которую учитывают при определении Q_эх для аналогичных условий термостатирования в процессе повторных зарядов металл-водородного аккумулятора.