АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G05F1/59 H02J7/34 H02J9/00 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения космических аппаратов.

Известны автономные системы электропитания, содержащие параллельно включенные на общую нагрузку через регуляторы солнечные и аккумуляторные батареи и имеющие централизованную схему управления регуляторами [1, 2].

Недостатками известных устройств являются низкая функциональная надежность и недостаточно эффективное использование энергии источников.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для регулирования постоянного напряжения, принятое за прототип. Устройство для регулирования постоянного напряжения содержит n источников питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам, и n блоков управления, выход каждого из которых соединен с управляющим входом соответствующего регулятора, а вход через соответствующий блок суммирования подключен к датчику тока этого регулятора и датчику выходного напряжения, каждый регулятор устройства снабжен датчиком выходного напряжения, а все блоки суммирования выполнены с n входами, каждый из которых соединен с выходом всех датчиков выходного напряжения [3].

Предусмотрено, что блок суммирования каждого регулятора выполнен в виде двух суммирующих усилителей, вход второго из которых соединен с датчиком тока данного регулятора и выходом первого усилителя.

Недостатком такого устройства является невозможность обеспечения параллельной работы и эффективного использования более 2-х различных по своим характеристикам источников энергии.

Задачей, на решение которой направлено создание заявляемого изобретения, является повышение эффективности системы электропитания за счет рационального использования энергии различных по своим характеристикам источников.

Задача решается тем, что в автономной системе электропитания, содержащей n источников питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам, и n блоков управления, выход каждого из которых соединен с управляющим входом соответствующего регулирующего органа, вход через соответствующий блок суммирования подключен к датчику рассогласования, причем блок суммирования выполнен в виде двух суммирующих усилителей, выход первого из них связан с входом второго суммирующего усилителя, выход которого является выходом блока суммирования, указанные источники питания использованы трех видов, из которых m - солнечных батарей, p - аккумуляторных батарей, k - вторичных источников питания, блок управления выполнен в виде широтно-импульсного модулятора, первый суммирующий усилитель каждого блока суммирования выполнен с l входами, каждый из которых соединен с l выходами указанных датчиков рассогласования, а вход второго суммирующего усилителя в каждом регуляторе дополнительно связан с источником опорного напряжения с величиной напряжения
для солнечных батарей,
U_оп = для аккумуляторных батарей и
U_оп = для вторичных источников питания, где
U_оп - величина опорного напряжения;
U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения (например, "Электронная техника в автоматике" N 14, Москва, "Радио и связь", 1983 г, стр. 82, рис. 2);
S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя 10 соответствующего регулятора, при этом m+p+k=n,
2≤1≤n, mi = 1,...,m, ki = 1,...,k.

На фиг. 1 представлена структурная схема автономной системы электропитания, на фиг. 2 приведена выходная характеристика первого суммирующего усилителя - зависимость V_рас. от напряжения на нагрузке и уровни опорных напряжений, подаваемые на вход второго суммирующего усилителя.

Устройство содержит n источников питания 1, каждый из которых через соответствующий регулятор 2 подключен к выходным выходам 3, 4, и n блоков управления 5, выход каждого из которых соединен с управляющим входом регулирующего органа 6, а вход через блок суммирования 7 подключен к датчику рассогласования 8.

Блок суммирования 7 включает суммирующие усилители, выход первого из них 9 связан с входом второго суммирующего усилителя 10, выход которого является выходом блока суммирования 7. Вход второго суммирующего усилителя 10 в каждом регуляторе 2 дополнительно связан с источником соответствующего опорного напряжения 11.

Регуляторы 2, содержащие в качестве источников питания 1 аккумуляторные батареи или вторичные источники питания, снабжены датчиками тока 12, выход которых связан со входом второго суммирующего усилителя 10, а вход - с выходом регулирующего органа 6. Выходные выводы 3, 4 служат для подключения нагрузки 13.

Устройство работает следующим образом.

Датчик рассогласования 8, например, изодромного типа, сравнивая выходное напряжение с уровнем своего опорного напряжения, вырабатывает сигналы рассогласования, которые поступают на l входов первого суммирующего усилителя 9 в каждом из n регуляторов 2. В каждом блоке суммирования 7 число входов первого суммирующего усилителя 9 выбрано из условия 2≤1≤m+p+k.

Из-за всегда имеющейся разницы в опорных напряжениях у датчиков рассогласования 8 регуляторов 2 в установившемся режиме часть датчиков рассогласования 8 (в общем случае l - 1) будет находиться в режиме насыщения. При этом число датчиков, находящихся в насыщении в области "+", будет соответствовать числу датчиков, находящихся в насыщении в области "-", тем самым компенсируя друг друга на входах суммирующего усилителя 9.

И только один датчик рассогласования 8, уровень опорного напряжения которого является средним среди всех, будет находиться в рабочей области выходной характеристики (фиг. 2) суммирующего усилителя 9:
V_рас.=S9•U8
где U8 - сигнал датчика рассогласования 8;
S9 - коэффициент усиления суммирующего усилителя 9;
и будет ведущим для всех регуляторов 2 системы электропитания. Причем уровень этого напряжения (V_рас.) на выходах суммирующих усилителей 9 будет одинаковым для всех регуляторов 2, т.к. величина S9 выбрана одинаковой во всех регуляторах. В каждом регуляторе 2 на вход второго суммирующего усилителя 10 включен источник опорного напряжения 11.

Для солнечных батарей уровень опорного напряжения источника 11 (U_опi) на входе второго суммирующего усилителя 10 регулятора 2 i-ой солнечной батареи равен
где U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения на входе блока управления 5,
S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя 10 регулятора 2, а mi=1,...,m.

Для аккумуляторных батарей уровень опорного напряжения источника 11 (U_оп) на входе второго суммирующего усилителя 10 регулятора 2 одинаковый для всех батарей и равен
где U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения на входе блока управления 5 соответствующего регулятора 2;
k - количество вторичных источников питания (ВИ);
S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя 10 соответствующего регулятора 2.

Для вторичных источников питания уровень опорного напряжения источника 11 (U_опi) на входе второго суммирующего усилителя 10 регулятора 2 i-го вторичного источника питания равен
где U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения на входе блока управления 5 соответствующего регулятора 2,
S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя 10 соответствующего регулятора 2, а ki = 1,...,k.

Величина U_опi-1≤V_рас.≤U_опi соответствует изменению сигнала от "0" до "1" на выходе блока управления 5 i-го регулятора 2, являясь зоной регулирования i-го регулятора, при этом состояние "0" соответствует закрытому состоянию i-го регулирующего органа 6 и i-й регулятор 2 не отдает мощность в нагрузку 13. Условием равенства "0" сигнала на выходе блока управления 5 i-го регулятора является V_рас.≥U_опi.

Состояние "1" соответствует максимальной отдаваемой мощности для i-го регулятора 2. Условием равенства "1" сигнала на выходе блока управления 5 i-го регулятора является V_рас.≤U_опi. Регулятор 2 с промежуточным состоянием блока управления работает в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при этом U_опi-1 < V_рас. < U_опi.

По логике работы регуляторы 2, имеющие опорные напряжения U_опi выше текущего значения V_рас., отдают максимальную мощность, а регуляторы 2, имеющие опорные напряжения U_опi меньше текущего значения V_рас., мощность не отдают.

Регулятор 2 с уровнем опорного напряжения U_опi, для которого выполняется условие U_опi-1<V_рас.<U_опi (т.к. текущее значение сигнала V_рас. находится в зоне регулирования данного регулятора, ширина которой равна U_опi-1≤V_рас.≤U_опi), работает в режиме ШИМ. Количество зон регулирования (количество регуляторов) определяется из выражения

где E_пит - напряжение питания датчиков рассогласования;
U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения на входе блока управления 5;
S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя 10.

При изменении мощности нагрузки 13 изменяется уровень напряжения V_рас. на выходе первого суммирующего усилителя 9, попадая в зону регулирования соответствующего регулятора 2 (см. фиг. 2). По мере увеличения нагрузки поочередно вступают в работу солнечные батареи от mi = 1 до mi = m.

Затем поочередно начинают отдавать энергию вторичные источники питания от ki = 1,...,k, а последними вступают в работу в режиме разряда аккумуляторные батареи, причем все они работают параллельно.

При наличии избыточной мощности солнечных батарей и (или) вторичных источников питания необходимую часть могут забрать зарядные каналы регуляторов 2 аккумуляторных батарей.

Последовательность использования энергии источников питания при необходимости может быть изменена путем перестановки уровней смещения на входах второго суммирующего усилителя 10 соответствующих регуляторов 2.

Для аккумуляторных батарей в этой структуре обеспечивается выравнивание как зарядных, так и разрядных токов.

Точность выравнивания определяется коэффициентом передачи датчиков тока 12 и второго суммирующего усилителя 10, а также величиной удвоенной амплитуды пилообразного напряжения на входе блока управления 5.

Отказы любых элементов в регуляторах 2 или отключение отдельных регуляторов для замены источников питания 1, например аккумуляторных батарей, изменяют только установленную мощность системы электропитания и на качество функционирования не влияют.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет с высокой эффективностью решить задачу обеспечения параллельной работы различных по своим физическим свойствам источников энергии, обеспечивая каждому из низ наиболее рациональные режимы работы, связанные с надежностью и потерями энергии при преобразовании и накоплении энергии в аккумуляторных батареях.

В настоящее время на предприятии ТОО НПК "Космос-ЭНВО" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их работоспособность и высокий КПД.

Список литературы
1. Микроэлектронные системы под ред. Ю.И.Конева, М. "Радио и связь", 1987 г.

2. СССР, ас. N 1511804, H 02 J 7/34.

3. СССР, ас. N 970346, G 05 F 1/64, прототип.

Изобретение может быть использовано в автономных системах электроснабжения космических аппаратов. Автономная система содержит n источников питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам и включает два суммирующих усилителя, блок управления в виде широтно-импульсного модулятора, источник опорного напряжения и регулирующий орган, при этом источники питания использованы трех видов, из которых m - солнечных батарей, p - аккумуляторных батарей, k - вторичных источников питания, величина опорного напряжения для солнечных батарей для аккумуляторных батарей для вторичных источников питания при этом m+p+k = n, а mi = 1, ... m, ki = 1, ...k; S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя; U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения. Техническим результатом является повышение эффективности электропитания за счет рационального использования энергии различных по своим характеристикам источников. 2 ил.

Автономная система электропитания, содержащая n источников питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам, и n блоков управления, выход каждого из которых соединен с управляющим входом регулирующего органа соответствующего регулятора, а вход через соответствующий блок суммирования подключен к датчику рассогласования, причем блок суммирования выполнен в виде двух суммирующих усилителей, выход первого из них связан с входом второго суммирующего усилителя, выход которого является выходом блока суммирования, отличающаяся тем, что указанные источники питания использованы трех видов, из которых m - солнечных батарей, p - аккумуляторных батарей, k - вторичных источников питания, бок управления выполнен в виде широтно-импульсного модулятора, первый суммирующий усилитель каждого блока суммирования выполнен с l-входами, каждый из которых соединен с l-выходами указанных датчиков рассогласования, а вход второго суммирующего усилителя в каждом регуляторе дополнительно связан с источником соответствующего опорного напряжения с величиной напряжения для солнечных батарей для аккумуляторных батарей для вторичных источников питания
где U - удвоенная амплитуда пилообразного напряжения;
S - коэффициент усиления второго суммирующего усилителя соответствующего регулятора,
при этом m + p + k = n, а 2 <= l <= n,
mi = 1, ..., m;
ki = 1, ..., k.