СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК H02J7/36 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) автономных объектов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей (СБ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей (АБ).

Известен способ управления автономной системой электроснабжения, содержащей солнечную батарею (СБ), стабилизатор напряжения (СН), включенный между солнечной батареей и нагрузкой, n аккумуляторных батарей (n≥1) и по n (по числу АБ) зарядных (ЗУ) и разрядных (РУ) устройств, а также для каждой АБ - устройства контроля степени заряженности.

На фиг. 1 приведена известная функциональная схема такой СЭС [1], где обозначено:
1 - солнечная батарея (СБ);
2 - стабилизатор напряжения (СН);
3₁...3_n - зарядные устройства (ЗУ);
4₁...4_n - разрядные устройства (РУ);
5₁...5_n - аккумуляторные батареи (АБ);
6₁...6_n - устройства контроля степени заряженности АБ (УКЗБ);
ОС - вход обратной связи;
З - вход запрета работы;
Р - вход разрешения работы;
7 - нагрузка СЭС (бортовые потребители).

В СЭС осуществляется непрерывное управление стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного (напряжение СБ) и выходного напряжений СЭС. При этом зарядные устройства обеспечивают заряд АБ, а СН и РУ обеспечивают питание потребителей.

Цепи непрерывного управления (обратной связи - ОС) ЗУ подключены к шине СБ, а цепи непрерывного управления (ОС) СН и РУ подключены к шине нагрузки.

В зависимости от степени заряженности или разряженности АБ производится запрет или разрешение работы ЗУ и РУ.

При достижении предельной степени заряженности конкретной АБ сигнал с выхода "Запрет ЗУ" ее устройства контроля степени заряженности АБ (6₁...6_n на фиг. 1) запрещает работу ее ЗУ. После разряда АБ до некоторого заданного уровня этот запрет снимают сигналом с выхода "Разрешение ЗУ" УКЗБ.

При достижении предельной степени (глубины) разряженности конкретной АБ сигнал с выхода "Запрет РУ" ее УКЗБ (6₁...6_n на фиг. 1) запрещает работу ее РУ. После заряда данной АБ до некоторого заданного уровня этот запрет снимают сигналом с выхода "Разрешение РУ" УКЗБ.

Такое управление обеспечивает длительную штатную работу СЭС. Однако оно не обеспечивает сохранение работоспособности СЭС при нештатных или аварийных ситуациях на автономном объекте. В случае нештатного, незапланированного нарушения ориентации солнечных батарей объекта на Солнце происходит нарушение энергобаланса в СЭС. Если потеря ориентации будет достаточно длительной, может произойти полный разряд всех АБ. Питание бортовых потребителей после этого прекратится
После восстановления ориентации солнечных батарей объекта питание бортовых потребителей возобновится через СН, а через ЗУ будет осуществляться заряд АБ. Однако, как при полном разряде АБ, так и при хранении разряженной АБ, может произойти переполюсовка отдельных аккумуляторов, поскольку к АБ остаются подключенными устройства контроля ее состояния и, следовательно, остается, наряду с саморазрядом АБ, некоторый ток внешнего разряда АБ. Полное же отключение устройств контроля от АБ чаще всего нецелесообразно. Переполюсовавшиеся аккумуляторы выйдут из строя и восстановить их будет невозможно. Работоспособность АБ с переполюсовавшимися аккумуляторами, а следовательно, и СЭС в целом будет потеряна.

При потерянной ориентации объекта или в начальный момент восстановления ориентации СБ на Солнце их освещенность имеет случайный характер и ее может оказаться недостаточно для обеспечения питания потребителей.

Напряжение на выходе СЭС, обеспечиваемое СН, определяется соотношением мощности нагрузки, подключенной к выходным шинам СЭС, и мощности, генерируемой СБ и определяемой степенью ее освещенности.

Характер изменения мощности СБ в этих случаях непредсказуем. Напряжение СБ и, следовательно, напряжение бортовых потребителей может произвольно меняться в течение неопределенного времени, до полного восстановления ориентации, в пределах от 0 до номинального значения. Для некоторых электронных или электромеханических приборов это недопустимо. У ряда бортовых потребителей может быть нарушена работоспособность.

Предлагаемый способ решает задачу предотвращения выхода из строя аккумуляторов АБ, восстановления нормального функционирования СЭС после длительных перерывов в ее работе и улучшения качества выходного напряжения СЭС во время и после нештатной или аварийной ситуации.

Согласно предлагаемому способу указанная задача решается следующим образом.

В автономной системе электроснабжения, содержащей СБ, n аккумуляторных батарей (n≥1), СН, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, и по n зарядных и разрядных устройств управляют стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы; контролируют степень заряженности и разряженности аккумуляторных батарей; запрещают работу соответствующего ЗУ при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снимают этот запрет при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи; запрещают работу соответствующего РУ при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи и снимают этот запрет при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи.

Если после запрета работы некоторых РУ мощности оставшихся в работе АБ и РУ окажется недостаточно для обеспечения питания бортовых потребителей, запрещают работу всех к этому времени работающих РУ, а также СН, прекращают управление РУ по сигналам УКЗБ. СЭС полностью переходит в режим хранения. При этом продолжают контроль состояния всех АБ. В случае опасности переполюсовки аккумуляторов какой-либо АБ к ним подключают устройство защиты аккумуляторов от переполюсовки.

После восстановления ориентации солнечных батарей объекта на Солнце сначала производят заряд аккумуляторных батарей до некоторого значения суммарной емкости, а затем (после того, как количество заряженных до требуемого уровня АБ достигает заданного) разрешают работу СН и РУ заряженных АБ, разрешают управление РУ по сигналам УКЗБ.

Пример функциональной схемы СЭС, в которой реализуется предлагаемый способ, приведена на фиг. 2.

Здесь:
1...7 - то же, что и на фиг. 1;
8₁...8_n - устройства защиты аккумуляторов от переполюсовки;
Вкл/Откл - вход включения - отключения;
9 - устройство определения возможности включения СЭС (блок подсчета заряженных АБ);
10 - устройство определения необходимости отключения СЭС;
11₁...11_n - логические элементы ИЛИ;
12₁...12_n - функциональные элементы - управляемые ключи.

Способ управления СЭС осуществляют следующим образом.

При разряде каждой АБ до предельного уровня сигнал с выхода "Запрет РУ" соответствующего устройства контроля 6 через логический элемент ИЛИ поступает на вход запрета работы соответствующего РУ, таким образом прекращают разряд АБ. Данная АБ переводится в режим хранения. При этом продолжают контроль ее состояния. В случае если возникнет опасность переполюсовки аккумуляторов этой АБ, к ним подключают устройство защиты аккумуляторов от переполюсовки. Сигналом на подключение может быть, например, снижение напряжения на каком-либо аккумуляторе (или группе аккумуляторов) до минимально допустимого уровня. Схемная реализация устройства защиты аккумуляторов от переполюсовки может быть различной. Например, для никель-кадмиевых АБ его функцию может выполнять доразрядное устройство, представляющее собой набор резисторов, подключаемых параллельно каждому аккумулятору АБ и используемое при проведении профилактических циклов выравнивания степени заряженности аккумуляторов. Это устройство управляется как по внешним командам управления от БЦВМ при проведении профилактических циклов, так и по сигналам от устройства контроля АБ.

После отключения данного РУ питание нагрузки осуществляется включенными РУ других АБ, еще не достигших предельной степени разряженности.

В случае если после запрета работы нескольких (каких-либо) РУ мощности оставшихся в работе АБ и РУ окажется недостаточно для обеспечения питания бортовых потребителей, на выходе устройства 10 появляется сигнал, который поступает на вход запрета работы СН, размыкает контакты 12₁...12_n, блокируя сигналы УКЗБ на разрешение работы РУ, через логические элементы ИЛИ 11₁-11_n запрещает работу всех РУ. Питание бортовых потребителей прекращается. СЭС полностью переходит в режим хранения. Сигналом на переход СЭС в режим хранения может быть, например, снижение напряжения на выходных шинах СЭС до определенного значения (при недостатке мощности работающих РУ выходное напряжение СЭС начнет снижаться), или запрет на работу определенного количества РУ, или и то и другое вместе.

Таким образом, в случае нештатной или аварийной ситуации на объекте (потеря ориентации СБ на Солнце) питание бортовых потребителей отключено, АБ находятся в режиме хранения с защитой от переполюсовки, работа всех РУ и СН запрещена.

При случайном появлении освещенности СБ или восстановлении ориентации СБ на Солнце начнет осуществляться заряд АБ. Через некоторое время после начала заряда напряжение на аккумуляторах возрастет выше минимально допустимого и устройства защиты аккумуляторов от переполюсовки отключаются от АБ по сигналам УКЗБ 6. Поскольку контакты 12₁...12_n разомкнуты, то разрешения работы конкретных РУ после достижения соответствующего уровня заряженности отдельных АБ не происходит. Сначала будет произведен заряд k АБ (k находится в диапазоне от 1 до n) до определенного уровня суммарной емкости. Этот уровень и количество k АБ может изменяться в зависимости от особенностей объекта и определяется разработчиком СЭС.

При достижении требуемого уровня заряженности у k аккумуляторных батарей сигнал с выхода устройства определения возможности включения СЭС 9 снимает запрет на работу СН, а также снимает блокировку разрешения работы всех РУ (замыкаются контакты 12₁...12_n). Через замкнутые контакты 12 сигнал с устройств контроля АБ, достигших заданного уровня заряженности, разрешает работу соответствующих АБ. Следовательно, будет разрешена работа СН и РУ, подключенных к заряженным до требуемого уровня АБ. Питание бортовых потребителей возобновляется от СН или от РУ в зависимости от соотношения мощности нагрузки и мощности, генерируемой СБ. Поскольку АБ заряжены, то напряжение на выходе СЭС будет равно номинальному. Таким образом, при предлагаемом способе управления отсутствует режим питания бортовых потребителей некондиционным напряжением, непредсказуемо меняющимся в пределах от 0 до номинального значения, а также не допускается чрезмерный разряд АБ и осуществляется защита АБ от выхода из строя в процессе хранения.

Литература
1. Патент РФ N 2059988, кл. H 02 J 7/35, 1991 г.

Предлагаемый способ решает задачу восстановления нормального функционирования автономной системой электроснабжения (СЭС) после длительных перерывов в ее работе. Техническим результатом является улучшение качества выходного напряжения СЭС во время и после нештатной или аварийной ситуации, например при потере ориентации солнечных батарей (СБ) на Солнце. По сигналу о предельной степени разряженности какой-либо аккумуляторной батареи (АБ) вводят запрет на работу соответствующего разрядного устройства (РУ). Данная АБ переводится в режим хранения. Если после запрета работы некоторых РУ мощности оставшихся в работе АБ и РУ окажется недостаточно для обеспечения питания бортовых потребителей, запрещают работу всех РУ, а также стабилизатора напряжения, питающего нагрузку от СБ (СП), прекращают управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности АБ. СЭС полностью переходит в режим хранения. При этом продолжают контроль состояния всех АБ. В случае если возникнет опасность переполюсовки аккумуляторов какой-либо АБ, к ним подключают устройство защиты аккумуляторов от переполюсовки. После восстановления ориентации объекта на Солнце сначала производят заряд аккумуляторных батарей до некоторого значения суммарной емкости, а затем (после того, как количество заряженных до требуемого уровня АБ достигает заданного) разрешается работа СН и РУ, заряженных АБ и возобновляют управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности. 2 ил.

Способ управления автономной системой электроснабжения, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, где n ≥ 1, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батарей и нагрузкой и по n зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы, контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей, запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей и отключении части разрядных устройств, когда мощности оставшихся в работе разрядных устройств недостаточно для питания нагрузки, запрещают работу всех разрядных устройств и стабилизатора напряжения, а также прекращают управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности, после этого при опасности переполюсовки аккумуляторов какой-либо аккумуляторной батареи к ней подключают устройство защиты аккумуляторов от переполюсовки, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце сначала производят заряд аккумуляторных батарей до некоторого значения емкости, а затем разрешают работу стабилизатора напряжения и возобновляют управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности, устройство защиты аккумуляторов от переполюсовки отключают поле начала заряда аккумуляторной батареи.