Авторефераты» Технические науки » Двигатели и энергетические установи » Метод ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов

Метод ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов

Ширинский С.В. Метод ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.03 – Двигатели и энергетические установки. – Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Харьков, 2010 г.

Диссертация посвящена созданию метода ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов, длительно эксплуатирующихся в составе энергоустановок ракетно-космического назначения.

Предложенный метод основан на анализе режимов эксплуатации, выявлении особенностей деградации аккумуляторов и искусственном ускорении деградации. Составной частью предложенного метода является метод форсированных ресурсных испытаний.

В диссертации проведено исследование механизмов деградации электрохимических аккумуляторов и влияния различных факторов на скорость деградации. В результате этого исследования выработаны рекомендации по выбору способа ускорения деградации и получены количественные зависимости, основанные на природе деградационных процессов и описывающие изменение характеристик аккумулятора с наработкой и с учетом воздействия ускоряющего фактора.

Исследования проводились применительно к аккумуляторам никель-кадмиевой электрохимической системы, поскольку аккумуляторы этого типа наиболее широко применяются в энергоустановках объектов ракетно-космической техники.

Разработаны обобщенная структура и методика построения ресурсных математических моделей электрохимических аккумуляторов для любых конкретных режимов эксплуатации. Построены математические модели для определения ресурса аккумуляторов, эксплуатирующихся в дежурном режиме без подзаряда и в режиме зарядно-разрядного циклирования.

Для проведения экспериментальных исследований и ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов было создано экспериментальное оборудование, позволяющее проводить исследования и испытания аккумуляторов и батарей различных электрохимических систем емкостью до 200 А·ч и в количестве до 30 аккумуляторов в батарее в режиме автоматизированных испытаний с параллельным измерением параметров с высокой скоростью, повышенной информативностью и точностью, параллельным и взаимно независимым зарядом-разрядом аккумуляторов в составе батареи.

Проведенные в работе исследования показали, что наибольшая степень ускорения деградации электрохимических аккумуляторов достигается под воздействием повышенных температур.

Экспериментальная отработка метода на аккумуляторах пяти типоразмеров эксплуатирующихся в дежурном режиме и в режиме зарядно-разрядного циклирования показала высокую эффективность метода. Применение предложенного метода позволяет сократить продолжительность ресурсных испытаний в десятки и сотни раз для различных режимов эксплуатации.

Созданное методическое и информационное обеспечение было применено для определения остаточного ресурса батареи 27НКП-90 энергоустановки ракеты «Днепр» после ее длительной эксплуатации.

Предложенный метод ускоренных ресурсных испытаний может быть использован для определения ресурса аккумуляторов энергоустановок, как вновь разрабатываемых, так и уже эксплуатируемых ракетно-космических летательных аппаратов.

Национальный аэрокосмический университет

им.М.Е.Жуковского

«Харьковский авиационный институт»

Ширинский Семен Владимирович

УДК 629.7.064.52

МЕТОД ускоренные ресурсные ИСПЫТАНИЙ электрохимический аккумулятор энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратах

Специальность 05.05.03 — Двигатели и энергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Харьков — 2010

Актуальность темы.

Работа выполненана кафедре двигателей и энергоустановок летательных аппаратов Национального аэрокосмического университета им. М.Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт» Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель:          доктор технических наук, профессор

Безручко Константин Васильевич,

Национальный аэрокосмический университет им. М.Е. Жуковского «ХАИ», проректор.

Официальные оппоненты:         доктор технических наук, профессор

Габринець Владимир Алексеевич,

Днепропетровский Национальный университет имени Олеся Гончара, профессор кафедры двигателестроения;

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Бурилово Наталья Валентиновна

Институт транспортных систем и технологий Национальной академии наук Украины, старший научный сотрудник.

Защита состоится « 23 »   апреля    2010 г. в 15 00  часов на заседании диссертационного совета Д 64.062.02 в Национальном аэрокосмическом университете им.М.Е. Жуковского «ХАИ» по адресу: 61070, г. Харьков-70, ул. Чкалова, 17, ауд. № 307 главного корпуса

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального аэрокосмического университета им. М.Е. Жуковского «ХАИ» по адресу: 61070, г. Харьков-70, ул. Чкалова, 17.

Автореферат разослан « 18 »  марта  2010

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 64.062.02 Базыма Л.А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы.Задача определения ресурса электрохимических аккумуляторов (АК) возникают на всех стадиях их жизненного цикла. Современные аккумуляторы способны выдержать сотни и даже тысячи циклов заряда-разряда и могут эксплуатироваться в течение десятков лет без замены. Большинство современных космических аппаратов (КА) имеют срок эксплуатации в пределах от 1 до 7 лет (в ряде проектов 10 … 15 лет). Гарантированный срок службы стратегических ракет, находящихся на боевом дежурстве, составляет 15 … 20 лет. Ракетные комплексы, снимают с вооружения, могут быть использованы для выведения на низкую околоземную орбиту КА различного назначения. Так ракета-носитель «Днепр», который является модификацией ракеты А18М, способна выводить на околоземную орбиту полезные грузы от 500 кг до 2 тонн.

Для обеспечения возможности эксплуатации ракетных комплексов, срок эксплуатации которых продолжается, а также комплексов, которые предполагается использовать для вывода КА на околоземные орбиты, необходимо разработать эффективные методики определения остаточного ресурса систем комплекса, в том числе и энергоустановок (ЭУ). Несмотря на то, что в ЭУ современных ракетно-космических летательных аппаратов применяются АК никель-кадмиевой электрохимической системы (имеет значительно больший ресурс по сравнению с другими электрохимическими системами), элементом, ограничивающим ресурс ЭУ, в большинстве случаев, является батарея электрохимических АК. Большой срок службы создает значительные трудности при экспериментальном определении ресурса аккумуляторов.

Практически отсутствуют новые публикации, касающиеся вопросов определения ресурса электрохимических аккумуляторов, применяемых в состав ЭУ ракетно-космического назначения. Общепринятые экспериментальные методы определения ресурсных характеристик предполагают испытания в масштабе реального времени, продолжительность которых, применительно к аккумуляторов аэрокосмического назначения, неоправданно велика. Таким образом, задача создания метода ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов является актуальной.

Связь работы с научными программами, планами, темами.Материалы диссертации подготовлены в ходе НИР и НИОКР, проведенных в отделении энергетики Межотраслевого научно-технического центра космической энергетики и двигателей при Национальном аэрокосмическом университете им. Н. Е. Жуковского «ХАИ».

Данное направление исследований непосредственно связан с госбюджетным темам Д402-29/03 «Создание теоретических основ, методов и средств экспериментальной отработки и испытаний автономных энергетических установок космических аппаратов нового поколения»; Д402-29/06 «Принципы построения перспективных систем энергообеспечения ракетно-космических комплексов », Д402-14/2009« Создание научно-технических основ обеспечения длительного ресурса и гарантированного энергоснабжения аэрокосмической техники и наземного транспорта », которые выполнялись и выполняются по заказу Министерства образования и науки Украины.

Результаты работы использованы при выполнении хоздоговорных НИОКР по теме «Заряд бьет-2-18М-1»: № 402-7-16/04, № 402-7-8/05, № 402-7-16/06, № 402 -7-7/07, № 402-7-14/08, № 402-7-9/2009 «Проведение работ по обоснованию возможности продления сроков эксплуатации изделия 15Н1456 на основании ускоренных испытаний», по заказу ГП «КБ« Южное », г. Днепропетровск. (Акт о внедрении результатов № 8 от 13 ноября 2008 года)

Цель и задачи исследования.Целью диссертационной работы является создание метода ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов на основе искусственного ускорения деградационных процессов в этих аккумуляторах.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Исследование существующих методов определения ресурса электрохимических аккумуляторов.

2. Теоретическое описание деградационных процессов, определяющих ресурс аккумуляторов.

3. Исследование способов искусственного ускорения основных деградационных процессов в аккумуляторах.

4. Разработка ресурсных математических моделей электрохимических аккумуляторов для определения взаимосвязи между продолжительностью ускоренной деградации и ресурсом.

5. Создание оборудования для проведения ускоренных ресурсных испытаний аккумуляторов.

6. Экспериментальная проверка предложенного метода ускоренных ресурсных испытаний аккумуляторов.

7. Применение предложенного метода ускоренных ресурсных испытаний для определения ресурса штатных батарей ракетно-космического назначения.

Объектом исследования  являются электрохимические аккумуляторы энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов.

Предмет исследования  - ускоренные ресурсные испытания электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов на основе искусственного ускорения деградационных процессов в этих аккумуляторах.

Методы исследования : методы физического и математического моделирования электрических, электроэнергетических и ресурсных характеристик электрохимических аккумуляторов, а также статистические методы оценки качества математических моделей, определение погрешности и др..

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые предложен метод ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов, основанный на анализе режимов эксплуатации аккумуляторов и деградационных процессов в аккумуляторах, а также искусственном ускорении этих процессов.

2. Впервые предложены способы искусственного ускорения деградации при различных режимах эксплуатации аккумуляторов и определена эффективность этих способов.

3. Усовершенствована обобщенную структуру и методику построения математических моделей электрохимических аккумуляторов для определения их ресурса отличаются от известных ранее тем, учитывающие особенности режимов эксплуатации аккумуляторов.

4. Впервые предложены математические модели электрохимических аккумуляторов, основанные на фундаментальных теоретических представлениях о деградации аккумуляторов, позволяющих определять ресурс аккумуляторов при их эксплуатации в дежурном режиме и в режиме зарядно-разрядного циклирования.

Практическое значение полученных результатов:

1. Предложенный метод ускоренных ресурсных испытаний может быть использован для определения ресурса аккумуляторов энергоустановок разрабатываемых или уже эксплуатируются в составе ракетно-космических летательных аппаратов.

2. Разработан и создан универсальное автоматизированное стендовое оборудование, что позволяет проводить ресурсные испытания электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов с повышенной информативностью, точностью и надежностью.

3. Разработаны и доведены до практического применения методики ускоренных ресурсных испытаний никель-кадмиевых аккумуляторов для определения ресурса аккумуляторов в широком диапазоне типоразмеров (от 2 до 200А · ч).

4. Создано методическое и информационное обеспечение, разработаны технические, алгоритмические и программные средства, методы и методики использованы в ходе определения остаточного ресурса химической батареи 27НКП-90 ракеты 15А18М для определения возможности продления срока службы этой батареи.

Практическое значение полученных результатов подтверждается актом внедрения результатов диссертации в НИОКР ведущего предприятия ракетно-космической отрасли Украины ГП «КБ« Южное »им. М. К. Янгеля ».

Личный вклад соискателя.Научные положения и результаты диссертации, выносимые на защиту, получены лично соискателем.

Для определения ресурса электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов лично автором разработан метод определения ресурса, основанный на управляемом ускорении процессов деградации характеристик аккумуляторов [1-3].

Разработаны методики ускоренных ресурсных испытаний аккумуляторов НКП-6 и батарей 6НКГ-160 и 27НКП-90 на основе предложенного автором метода [4,5].

Автором лично сформулированы задачи исследований способов ускорения деградации характеристик электрохимических аккумуляторов, выполнено планирование работ, разработаны математические модели, рассчитаны основные параметры и режимы, а затем при его непосредственном участии разработан комплекс экспериментальных средств, обеспечивающих возможность исследования методов и алгоритмов диагностики, ускорение деградации характеристик и оценки их эффективности [6-10].

Апробация результатов диссертации.Основные результаты работы обсуждались на научно-технических семинарах кафедры двигателей и энергоустановок летательных аппаратов Национального аэрокосмического университета им. М.Е. Жуковского «ХАИ», а также:

- Международных научно-практических конференциях «Человек и космос» (НЦАОМУ, г. Днепропетровск, 2004, 2005, 2006, 2007, 2008 и 2009 г.);

- Международных научно-технических конференциях «Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении» (ХАИ, г. Харьков, 2004, 2006, 2008г.)

- Международных конгрессах двигателестроителей (ХАИ, с. Рыбачье, Крым, 2007, 2009 г.);

Публикации.По материалам диссертации опубликовано 10 научных статей (2 из них без соавторов) в профильных изданиях, входящих в Перечень ВАК, а также 11 тезисов докладов в сборниках материалов конференций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложений. Общий объем диссертации составляет 159 страниц, в том числе: основной текст на 110 стр.., 75 иллюстраций и 16 таблиц на 36 с., Список использованных источников из 104 наименований на 11 стр. и 1 приложение на 2 стр.

Основное содержание работы

Во введении  обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы, определены научная новизна, практическая ценность и личный вклад автора.

В первом разделе  проведены обзор и анализ особенностей применения электрохимических аккумуляторов в ЭУ ракетно-космического назначения, характерных сроков службы и существующих методов определения ресурса этих аккумуляторов.

Электрохимические аккумуляторы в значительной степени определяют технический ресурс энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов. Таким образом, определение ресурса электрохимических аккумуляторов имеет решающее значение при рассмотрении задач, связанных с ресурсными характеристиками энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов. Современные КА имеют ресурс от 1 до 7 лет (в ряде проектов 10 … 15 лет). Гарантированный срок службы стратегических ракет, находящихся на боевом дежурстве, составляет 15 … 20 лет. Для экспериментального определения ресурса электрохимических АК ЭУ ракетно-космических летательных аппаратов необходимо создать метод ускоренных ресурсных испытаний электрохимических АК.

Проведенный в первой главе обзор и анализ вопросов, связанных с эксплуатацией и испытаниями электрохимических аккумуляторов энергоустановок ракетно-космических летательных аппаратов, показал, что в настоящее время существуют следующие нерешенные задачи в области ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов:

а) отсутствуют экспериментальные способы определения длительных ресурсов аккумуляторов при различных режимах их эксплуатации в составе энергоустановок ракетно-космического назначения;

б) слабо изучены деградационные процессы, приводящие к окончания ресурса аккумуляторов в процессе эксплуатации в составе энергоустановок ракетно-космического назначения;

в) отсутствуют эффективные способы ускорения деградационных процессов при работе электрохимических аккумуляторов и батарей.

Обзор и анализ вопросов, связанных с определением ресурса показал, что наиболее эффективным из существующих методов определения ресурса является метод форсированных ресурсных испытаний (см. рис. 1). Этот метод был выбран в качестве базового для создания нового метода ускоренных ресурсных испытаний.

Рис. 1. Схема определения ресурса с помощью форсированных ресурсных испытаний

Рис. 2. Последовательность определения ресурса аккумуляторов ракетно-космического назначения предложенным методом

Во втором разделе предложен метод ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов, основанный на анализе режимов эксплуатации аккумуляторов и деградационных процессов в аккумуляторах, а также искусственном ускорении этих процессов. Данный раздел посвящен исследованию деградационных процессов, которые приводят к окончания ресурса (достижение предельного состояния) АК, а также факторов, определяющих интенсивность этих процессов. В разделе разработаны теоретические основы метода ускоренных ресурсных испытаний (рис. 2), основанный на искусственном ускорении деградационных процессов. Для достижения поставленной цели в разделе решаются задачи определения деградационных процессов (рис. 3), характерных для различных режимов эксплуатации электрохимических АК ЭУ ракетно-космических летательных аппаратов (режимы хранения, зарядно-разрядного циклирования, очередной и буферный режим). Другой важной задачей раздела является выбор способов ускорения деградационных процессов с помощью внешнего воздействия.

Рис. 3. Деградационные процессы, которые приводят к ухудшению характеристик электрохимических аккумуляторов

Основные факторы ,  что  влияют на скорость деградации щелочных аккумуляторов при их эксплуатации, в диссертации были разделены на две основные группы:

1. Связанные с режимами эксплуатации — факторы, величина  которых определяется  особенностями режима эксплуатации аккумуляторов ( ток  заряда / разряда, глубина  в батарее, нарушения, происходящие при заряде и разряде  аккумуляторов и др..)

2. Связанные с условиями эксплуатации - факторы , характеризующие условия в зоне размещения аккумуляторов (температура, давление, теплопроводность, электропроводность и химическая агрессивность среды  в зоне размещения АК , биологические  факторы , механические  воздействия, ионизирующее излучение и др..).

С целью оценки эффективности различных способов ускорения деградации в данном разделе были обобщены сведения о механизмах деградации аккумуляторов и влияние различных факторов на скорость деградационных процессов (рис. 4, 5). По результатам исследования механизмов деградации и факторов, влияющих на скорость деградации, были выработаны рекомендации по выбору способа ускорения деградации.

Результатом экспериментальной части ускоренных ресурсных испытаний является изменение характеристик аккумуляторов за долгое время в условиях действия фактора, ускоряет деградацию, есть деградационные характеристика в условиях воздействия фактора ускорения (см. рис. 1).

Для определения ресурса по результатам такого эксперимента необходимо определить коэффициент ускорения деградации, представляет собой коэффициент сокращения продолжительности испытаний при ускорении деградации. Для определения этого соотношения необходимо разработать соответствующий математическое описание взаимосвязи деградации в нормальных условиях и в условиях действия фактора, ускоряет деградацию.

Рис. 4. Изменение остаточной емкости никель-кадмиевого аккумулятора в процессе саморазряда при различных температурах

Рис. 5. Зависимость ресурса (в циклах) никель-кадмиевых аккумуляторов от глубины зарядно-разрядного циклирования

В третьем разделе  решается задача построения математических моделей электрохимических аккумуляторов для определения ресурса последних.

Рис. 6. Схема обобщенной структуры математической модели для определения ресурса электрохимического аккумулятора

В разделе приведены разработанные автором обобщенная структура (рис. 6) и последовательность построения математических моделей для определения ресурса электрохимических аккумуляторов. Математические модели для определения ресурса электрохимических аккумуляторов должны устанавливать взаимосвязь между характеристиками аккумуляторов, продолжительностью ускоренной деградации и величиной ускорительного фактора, а также должны учитывать особенности конкретных аккумуляторов и режимов их эксплуатации. Как уравнение связи могут быть применены статистические, эмпирические и другие зависимости.

Обобщенная структура математической модели для определения ресурса электрохимического АК имеет вид:

Деградационные характеристика ,

(1)

Вектор специфических параметров: ,
Вектор управляющих параметров: ,
Вектор входных параметров: .

В данном случае — вектор параметров, характеризующих особенности конкретных аккумуляторов, которые проявляются под влиянием ускорительного фактора (вектор), а вектор содержит характеристики АК, которые изменяются в процессе деградации с изменением входных параметров.

Входным параметром, как правило, есть время. В общем случае входных параметров, характеризующих наработку аккумулятора, может быть несколько, (вектор).

Вектор специфических параметров включает параметры, характеризующие окружающую среду и специфические особенности аккумулятора или аккумуляторной батареи.

Вектор управляющих параметров содержит описание режимов испытаний, т.е. величин зарядно-разрядных токов, температур, предельных значений напряжений, максимальную продолжительность испытаний и др..

Управляющие параметры могут задаваться дискретно, как постоянные величины или как функции от входных параметров.

Разработка математических моделей производится в следующей последовательности:

1. Определение критериев истечения  ресурса, исходя  из эксплуатационных требований (выходные параметры модели и их предельные значения);

2. Выявление деградационных процессов, приводящих  к окончания  ресурса аккумулятора

3. Определение параметров, характеризующих наработку аккумулятора (входные параметры модели);

4. Определение факторов, влияющих на аккумулятор:

а) управляющие факторы  (контролируемые параметры модели);

б) специфические параметры (постоянные величины  или детерминированные функции);

5. Определение основных математических зависимостей и уравнений для построения математической модели для определения ресурса аккумулятора

6. Построение  математической модели для определения ресурса аккумулятора и определения предельных значений параметров.

На основе обобщенной структуры (рис. 6) и последовательности разработки математических моделей были построены структуры математических моделей для определения ресурса аккумуляторов, которые эксплуатируются в режиме зарядно-разрядного циклирования и в дежурном режиме без подзарядки (рис. 7, 8). Поскольку в разных масштабах времени в аккумуляторе на первый план выходят различные процессы, структуры математических моделей были построены для двух масштабов времени:

1. Разрядные характеристики (длительность порядка 10 … 10 часов);

2. Деградационные характеристики (продолжительность порядка 10  … 10  часов).

Структура модели в части разрядной характеристики для режима зарядно-разрядного циклирования и дежурного режима одинакова (рис. 9), поскольку одинаковые процессы, протекающие в аккумуляторе при его разряде.

Основные уравнения для построения математических моделей были получены в ходе исследования механизмов деградации аккумуляторов, приведены в табл. 1, 2.

В процессе деградации состояние аккумулятора изменяется, как показано на рис. 10. Исходное состояние в этом случае характеризует состояние аккумулятора на момент начала испытаний.

Рис. 7. Структура математической модели аккумулятора эксплуатируется в режиме зарядно-разрядного циклирования

Рис. 8. Структура математической модели аккумулятора эксплуатируется в дежурном режиме без подзарядки

Рис. 9. Структура математической модели аккумулятора при его разряде

Рис. 10. Изменение состояний аккумулятора при его деградации

Таблица 1

Основные уравнения, используемые для построения математической модели электрохимических аккумуляторов при зарядно-разрядном циклирования

Название уравнения

Аналитическое представление

Зависимость остаточной емкости при циклирования от наработки

,

Зависимость ресурса от глубины разряда

,

Закон Ома для полной цепи

,

Уравнения разрядной характеристики:

Уравнение Пейкерта:

.

Таблица 2

Основные уравнения, используемые для построения математической модели электрохимических аккумуляторов в дежурном режиме

Название уравнения

Аналитическое представление

Закон действующих масс

Уравнения Ерофеева

Зависимость потери емкости аккумулятора от температуры

Уравнение Аррениуса

Уравнение Нернста

Поскольку аккумулятор может иметь длительную предысторию, параметры исходного состояния могут быть существенно ниже номинальных значений для данного аккумулятора. Для нового аккумулятора значения параметров исходного состояния чуть выше номинальных значений за счет запаса, заложенного производителем аккумулятора. Предельное состояние характеризует параметрическую отказ аккумулятора.

Математические модели электрохимических аккумуляторов для определения их ресурса при эксплуатации в режиме зарядно-разрядного циклирования и в дежурном режиме приведены в таблице 3.

В математических моделях (табл. 3) приняты следующие обозначения: — зарядная (разрядная) емкость АК, А · ч; — текущая полная емкость АК, А · ч; — начальная полная емкость АК, А · ч; — предельное значение емкости АК , А · ч; — номинальная емкость АК, А · ч; — остаточная емкость АК, А · ч; — ресурс АК, циклов; — номер текущего цикла; — время, ч; — ресурс, ч; — время заряда (разряда) АК, ч; — глубина разряда АК; — ток заряда (разряда) АК, А; — базовый ток заряда (разряда), А, — напряжение на клеммах АК, В; — начальное напряжение на клеммах АК, В; — ЭДС АК, В; — активный внутреннее сопротивление АК, Ом; — эмпирические коэффициенты математической модели; — температура АК, ° С.

Для оценки адекватности математических моделей были проведены независимые контрольные испытания продолжительностью 6 месяцев для дежурного режима и 4 месяца для режима зарядно-разрядного циклирования. Максимальное отклонение продолжительности нормальной деградации, определенной с помощью предложенного метода, от результатов контрольного эксперимента составляет 1,8%.

Адекватность метода была оценена с помощью критерия Фишера по результатам независимых контрольных испытаний — метод адекватен (доверительная вероятность 0,95).

В процессе экспериментальных исследований математические модели адаптируются к особенностям исследуемого типоразмера аккумуляторов (с помощью эмпирических коэффициентов). Уточнена таким образом математическая модель позволяет достичь высокой достоверности результатов ускоренных ресурсных испытаний.

Таблица 3

Математические модели электрохимических аккумуляторов для определения их ресурса при эксплуатации в режиме зарядно-разрядного циклирования и в дежурном режиме

Математическая модель аккумулятора при его зарядно-разрядном циклирования

Математическая модель аккумулятора при его эксплуатации в дежурном режиме

Четвертый раздел  посвящен описанию стендового комплекса для проведения ускоренных ресурсных испытаний, методик и результатов экспериментальных исследований деградационных характеристик АК.

Для проведения экспериментальных исследований и ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов было создано экспериментальное оборудование (рис. 11), что позволяет проводить исследования и испытания аккумуляторов в режиме автоматизированных параллельных измерений с высокой скоростью, повышенной информативностью и точностью.

Усовершенствованные система измерения, специализированные зарядные и разрядные устройства позволяют проводить параллельно и взаимно независимо исследования и испытания аккумуляторов и батарей различных электрохимических систем емкостью до 200 А ∙ ч в количестве до 30 аккумуляторов в батареи.

а)

б)

Рис. 11. Структурная схема (а) и фотография (б) стенда для проведения экспериментальных исследований (СПЗРА и СПЗЗА — специализированные устройства поэлементного разряда и заряда аккумуляторов)

Методики экспериментальных исследований строились на основе предложенного метода ускоренных ресурсных испытаний аккумуляторов ракетно-космического назначения (рис. 2) и исходя из выработанных рекомендаций по выбору способа ускорения деградации.

На рис. 12 приведены результаты экспериментальных исследований ускорения деградации под воздействием повышенной температуры аккумуляторов, эксплуатируемых в дежурном режиме без подзарядки и в режиме зарядно-разрядного циклирования.

По результатам экспериментальных исследований были определены величины остаточного ресурса батарей (см. рис. 15). Батареи 27НКП-90, эксплуатируемого в дежурном режиме без подзарядки остаточный ресурс составил 4,9 года. Остаточный ресурс батареи 22НКГ-4СК, эксплуатируемого в режиме зарядно-разрядного циклирования — 3 года.

В разделе также приведены результаты экспериментальных исследований влияния примесей в составе электролита на скорость деградации.

Экспериментальные исследования, касающиеся определения ресурса, отличаются крайне высокой продолжительностью и трудоемкостью. Так экспериментальные исследования, выполненные при подготовке диссертационной работы, в общей сумме длились четыре года.

а)

б)

Рис. 12. Экспериментальное исследование ускорения деградации под воздействием повышенной температуры: а) изменение напряжения разомкнутой цепи аккумуляторов, эксплуатируемых в дежурном режиме (1-НКУ-90, 2 — НКГ-160, 3 — НКУ-6) б) изменение напряжения батареи 22 НКГ- 4СК в режиме циклирования

Рис. 13. Зависимость коэффициента ускорения деградации от температуры ускоренных испытаний аккумуляторов (дежурный режим)

Рис. 14. Зависимость коэффициента ускорения деградации от температуры заряда-разряда аккумуляторов НКГ-4СК (режим циклирования)

В разделе рассмотрены вопросы экспериментального исследования различных способов ускорения деградации электрохимических аккумуляторов, обработки результатов эксперимента, использование экспериментального оборудования, точности измерений, проверки эффективности предложенного метода ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов ракетно-космического назначения.

а)

б)

Рис. 15. Определение ресурса по результатам ускоренных испытаний под воздействием повышенной температуры: а) батареи 22НКГ-4СК в режиме зарядно-разрядного циклирования б) батареи 27НКП-90 в дежурном режиме без подзарядки

В пятом разделе  диссертационной работы представлены результаты практического применения предложенного метода ускоренных ресурсных испытаний для определения остаточного ресурса батареи 27НКП-90 энергоустановки ракеты «Днепр».

На сегодняшний день перед главным разработчиком ракет А18М (ГП «КБ« Южное ») остро стоит вопрос о продлении срока эксплуатации этих ракет с целью возможного их коммерческого использования как ракеты-носителей для выведения космических аппаратов на низкую околоземную орбиту. Составной частью проблемы является вопрос определения возможности продления сроков эксплуатации батарей 27НКП-90, входящих в состав энергетической установки ракеты.

Замена аккумуляторных блоков, которые исчерпали гарантированный ресурс, требует дополнительных средств, расходы которых можно избежать путем продления сроков эксплуатации уже установленных блоков батарей (если позволяет их техническое состояние). Таким образом, определение остаточного ресурса батарей позволяет сократить расходы и осуществить продление сроков эксплуатации всей ракеты.

Применение ускорения деградации в условиях повышенных температур (60 ° С) позволило достичь величины коэффициента ускорения деградации = 123,5, в результате чего батарея 27НКП-90 достигла предельного состояния за 349 часов (рис. 16).

Проведенные ускоренные ресурсные испытания подтверждают, что, несмотря на то, что гарантированный срок службы батареи 27НКП-90 (15 лет) истек, при эксплуатации батареи в штатном режиме ее остаточный ресурс составляет 4,9 года с момента проведения ускоренных ресурсных испытаний.

Таким образом, предложенный метод позволяет в сжатые сроки определять ресурс аккумуляторов и батарей ракетно-космического назначения.

Рис.16. Определение остаточного ресурса батареи 27НКП-90 по результатам ускоренных ресурсных испытаний

Материалы данного раздела описывают внедрение результатов диссертационного исследования в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы ГП «КБ« Южное »им. Янгеля », что подтверждает практическую ценность результатов диссертации.

Данный раздел иллюстрирует эффективность применения предложенных методов и средств (в том числе экспериментальных стендов) для диагностики и ускоренных ресурсных испытаний электрохимических аккумуляторов и батарей энергоустановок ракетно-космического назначения.

ВЫВОДЫ

По результатам диссертации можно сделать следующие выводы:

  1. Предложенный метод ускоренных ресурсных испытаний позволяет в сжатые сроки (месяцы вместо десятков лет) определять ресурс аккумуляторов, длительно эксплуатируемых в различных режимах.
  2. Проведенное исследование деградационных процессов в электрохимических аккумуляторах разных типов и возможных способов их искусственного ускорения составляет теоретическую основу создания методов ускоренных (форсированных) ресурсных испытаний аккумуляторов ракетно-космического назначения, эксплуатируемых длительное время.
  3. Разработанная автором обобщенная структура и методика построения математических моделей для определения ресурса электрохимических аккумуляторов ракетно-космического назначения позволяет, при необходимости, построить математические модели для каких-либо конкретных режимов эксплуатации.
  4. Разработаны математические модели аккумуляторов эксплуатируемых в дежурном режиме без подзарядки и в режиме зарядно-разрядного циклирования позволяют определять ресурс таких аккумуляторов с учетом влияния температуры, тока заряда-разряда и глубины зарядно-разрядного циклирования.
  5. Применения повышенных температур позволяет добиться значительного (в десятки и сотни раз) сокращение продолжительности ресурсных испытаний аккумуляторов ракетно-космического назначения.
  6. Разработано изготовлено и модифицированное экспериментальное оборудование позволяет проводить исследования и испытания АК и БХ различных электрохимических систем емкостью до 200 А · ч и в количестве до 30 аккумуляторов в батареи. Заряд-разряд аккумуляторов в составе батареи проводится параллельно и взаимно независимо. Испытания проводятся в автоматическом режиме с параллельным измерением параметров и с высокой скоростью, повышенной информативностью и точностью.
  7. Предложенный метод ускоренных ресурсных испытаний может быть использован для решения практических задач, связанных с определением остаточного ресурса аккумуляторов ракетно-космического назначения, в том числе и для определения возможности продления их срока службы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ширинский, С.В. Теоретические аспекты ускоренных испытаний щелочных аккумуляторов на саморазряд / С.В. Ширинский / / Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. - № 2. - С. 37-40.

2. Ширинский, С.В. Форсированные ресурсные испытания электрохимическом аккумуляторов / С.В. Ширинский / / Вестник Днепропетровск университета. — 2008. -Т.16. — № 4. -С. 182-187.

3. Ширинский, С.В. Саморазряд бортовых аккумуляторов летательных аппаратов и способы его ускорения для прогнозирования их ресурсных характеристик / С.В. Ширинский, А.А. Харченко, К.В. Безручко / / Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. - № 6. - С. 47-51.

Соискателем предложена концепция ускорения саморазряда аккумуляторов под воздействием повышенных температур для определения ресурса этих аккумуляторов. Рекомендации по эксплуатации аккумуляторов, которые способствуют увеличению точности прогноза саморазряда также предложены автором диссертации.

4. Ширинский, С.В. Применение ускоренных испытаний для оценки окончательного ресурса аккумуляторов / С.В. Ширинский, К.В.Безручко / / Вестник Днепропетровск университета. - 2007. - Т. 9. — № 2.-С. 181-185.

Соискателем была разработана методика ускоренных ресурсных испытаний аккумуляторов, эксплуатируемых в дежурном режиме без подзарядки, основные положения которой приведены в статье. Результаты эксперимента, в применяются для обоснования основных положений, были получены при участии автора.Обработку результатов испытаний автор выполнил самостоятельно .

5. Ширинский, С.В. Методы прогнозирования сроков эксплуатации химических батарей ракетных комплексов / К.В. Безручко, А.А. Давыдов, С.В. Ширинский, В.П. Фролов, К.Н. Земляной, Р.А. Андрюкова / / Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 4. - С. 62-65.

Соискателем была разработана методика экспериментальных исследований аккумуляторов, структура стенда, основные требования к экспериментального оборудования и предложена параллельная схема зарядно-разрядных устройств.

6. Ширинский, С.В. Методы определения емкости электрохимическом аккумуляторов / К.В. Безручко, А.А. Давыдов, С.В. Сиденко, С.В. Ширинский / / Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 7. - С. 120-124.

Соискателем рассмотрены особенности экспериментальных способов определения емкости аккумуляторов и предложена параллельная схема разрядных устройств для определения емкости отдельных аккумуляторов в составе батареи.

7. Ширинский, С.В. Анализ причин снижения ресурса электрохимическом аккумуляторов энергоустановок ракетно-космической техники / К.В. Безручко, А.А.Давыдов, С.В. Синченко, С.В. Ширинский / / Авиационно-космическая техника и технология. - 2008. - № 8. - С. 145-149.

Приведенный в статье обзор и анализ причин деградации аккумуляторов был выполнен при участии соискателя.

8. Ширинский, С.В. Прогнозирование характеристик электрохимическом аккумуляторов систем электроснабжения ракетно-космических комплексов / К.В.Безручко, А.А. Давыдов, Т.С. Кадыгроб, С.В. Ширинский. / / Авиационно-космическая техника и технология. — 2008. - № 6. - С. 66-70.

Соискателем был выполнен анализ методов определения ресурса, предложена обобщенная структура математической модели и эмпирические уравнения для определения ресурса аккумулятора.

9. Ширинский, С.В. Диагностика электрохимическом аккумуляторов энергоустановок летательных аппаратов / К. В. Безручко; А. А. Давыдов, С. В. Синченко, А. Л. Азарнов, А. А. Харченко, С. В. Ширинский. / / Вестник национального технического университета «ХПИ». Сборник научных трудов «Электроэнергетика и Преобразовательная техника» № 48 (2008) — Харьков, 2009-С.138-143.

Соискателем рассмотрены вопросы определения характеристик аккумуляторов методом постоянного тока.

10. Ширинский, С.В. Влияние режимов эксплуатации электрохимическом аккумуляторов в составе энергоустановок ракетно-космических аппаратов на их ресурс / А.Л. Азарнов, С.В. Ширинский, К.В Безручко. / / Авиационно-космическая техника и технология. — 2009. — № 10 — С. 175-179.

Соискателем был проведен анализ особенностей различных режимов эксплуатации аккумуляторов в энергоустановках ракетно-космических летательных аппаратов.

 

Дополнительные статьи из рубрики "Двигатели и энергетические установи"

MAXCACHE: 0.55MB/0.02186 sec