АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G05F1/66 H02J7/34 

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

Известна автономная система электропитания [1], содержащая источники питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам, при этом регулятор, содержащий в качестве источника питания аккумуляторную батарею, содержит блок управления, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего органа, а вход через блок суммирования подключен к датчику рассогласования, блок управления выполнен в виде широтно-импульсного модулятора, первый суммирующий усилитель блока суммирования выполнен с l-входами, каждый из которых соединен с выходами указанных l-датчиков рассогласования, а вход второго суммирующего усилителя регулятора, содержащего в качестве источника питания аккумуляторную батарею, дополнительно связан с источником опорного напряжения; в указанный регулятор входит датчик тока, включенный последовательно между регулирующим органом и нагрузкой, выход которого связан со входом второго суммирующего усилителя.

Известен способ управления работой аккумуляторной батареи (АБ), при котором ее заряд осуществляется постоянным током определенной величины, причем уровни ограничения (уставки) тока заряда переключаются по командам устройства управления по заранее заданному алгоритму в зависимости от текущего состояния АБ [2].

Также известен способ восстановления емкости АБ, заключающийся в проведении принудительных чередующихся контрольно-тренировочных циклов (циклирование) полных разряда и заряда токами определенной величины [3]. В этом случае с целью обеспечения непрерывности процесса циклирования алгоритм управления работой АБ должен предусматривать возможность, при которой батарея отдает в режиме разряда и принимает в режиме заряда энергию независимо от баланса энергии в системе электропитания.

Недостатком указанной автономной системы электропитания является отсутствие ограничения токов заряда и разряда АБ.

Задачей, на решение которой направлено создание заявленного изобретения, является расширение функциональных возможностей автономной системы электропитания и повышение ее ресурса.

Задача решается тем, что в систему электропитания, содержащую источники питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам, при этом регулятор, содержащий в качестве источника питания аккумуляторную батарею, содержит блок управления, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего органа, а вход через блок суммирования подключен к датчику рассогласования, блок управления выполнен в виде широтно-импульсного модулятора, первый суммирующий усилитель блока суммирования выполнен с l-входами, каждый из которых соединен с выходами указанных l-датчиков рассогласования, а вход второго суммирующего усилителя регулятора, содержащего в качестве источника питания аккумуляторную батарею, дополнительно связан с источником опорного напряжения; в указанный регулятор входит датчик тока, включенный последовательно между регулирующим органом и нагрузкой, выход которого связан со входом второго суммирующего усилителя, в блок суммирования регулятора, содержащего в качестве источника питания аккумуляторную батарею, дополнительно введено устройство формирования уставок тока аккумуляторной батареи с клеммами для подключения источников напряжения зарядной и разрядной уставок циклирования и клеммами для подключения источников напряжения уставок зарядного и разрядного токов, при этом вход указанного устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи подключен к выходу первого суммирующего усилителя, а его выход - ко входу второго суммирующего усилителя, устройство содержит усилитель, ко входу которого подключены первые выводы первого, второго и третьего резисторов, второй вывод первого резистора является входом устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи, второй вывод второго резистора подключен через первый переключатель к клемме для подключения источника напряжения зарядной уставки циклирования, второй вывод третьего резистора через второй переключатель - к клемме для подключения источника напряжения разрядной уставки циклирования, выход усилителя подключен к аноду первого диода, катод которого соединен с клеммой для подключения источника напряжения уставки зарядного тока, и к катоду второго диода, анод которого соединен с клеммой для подключения источника напряжения уставки разрядного тока, при этом выход указанного усилителя является выходом устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи.

На чертеже представлена структурная схема автономной системы электропитания.

Устройство состоит из источников питания 1, которые через соответствующие регуляторы 2 подключены к выходным выводам 3, 4, при этом регулятор, содержащий в качестве источника питания аккумуляторную батарею, содержит блок управления 5, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего органа 6, а вход через блок суммирования 7 подключен к датчику рассогласования 8. Блок суммирования 7 включает первый 9 и второй 10 суммирующие усилители. Выход усилителя 10 является выходом блока суммирования 7, а его вход дополнительно связан с источником соответствующего опорного напряжения 11.

Регулятор, содержащий в качестве источника питания аккумуляторную батарею, снабжен датчиком тока 12, выход которого связан со входом второго суммирующего усилителя 10, а вход с выходом регулирующего органа 6.

Выходные выводы 3, 4 служат для подключения нагрузки 13.

Между выходом первого 9 и входом второго 10 суммирующих усилителей регулятора, содержащего в качестве источника питания аккумуляторную батарею, включено устройство формирования уставок тока аккумуляторной батареи 14, содержащее усилитель 15, ко входу которого подключены первые выводы первого 16, второго 17 и третьего 18 резисторов. Второй вывод первого резистора 16 является входом устройства, второй вывод второго резистора 17 подключен через первый переключатель 19 к клемме 20 для подключения источника напряжения зарядной уставки циклирования, второй вывод третьего резистора 18 через второй переключатель 21 к клемме 22 для подключения источника напряжения разрядной уставки циклирования, выход усилителя 15 подключен к аноду первого диода 23, катод которого соединен с клеммой 24 для подключения источника напряжения уставки зарядного тока, и к катоду второго диода 25, анод которого соединен с клеммой 26 для подключения источника напряжения уставки разрядного тока, при этом выход указанного усилителя 15 является выходом устройства 14.

Заявляемая автономная система электропитания работает следующим образом.

Сигналы рассогласования, поступающие на l-входов первого суммирующего усилителя 9 регулятора, содержащего в качестве источника питания аккумуляторную батарею, после суммирования образуют на его выходе сигнал ошибки по напряжению, который поступает на вход устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи 14.

Этот сигнал через первый резистор 16 поступает на вход усилителя 15 и затем с выхода указанного усилителя, являющегося выходом устройства 14, - на вход второго суммирующего усилителя 10, к которому также подключены выходы датчика тока 12 и источника опорного напряжения 11.

В зависимости от текущего состояния АБ и баланса энергии в системе электропитания возможны различные режимы работы АБ: заряд АБ избытком мощности первичного источника энергии, разряд АБ при недостатке энергии первичного и вторичного источников, циклирование в режиме восстановления емкости АБ. Особенностью всех перечисленных режимов является необходимость сообщения АБ максимальной энергии в режиме заряда и отбор необходимой мощности в нагрузку при ее разряде. При этом, с целью увеличения срока службы батареи и повышения ее надежности, необходимо ограничивать максимальные величины токов заряда и разряда на безопасном для АБ уровне. Кроме того, в режиме циклирования АБ, когда производится принудительный полный разряд и последующий затем полный заряд АБ (или несколько таких циклов), баланс энергии игнорируется устройством управления регулятора тока циклируемой АБ и в разряде она является для системы электропитания нерегулируемым источником тока определенной величины, а в заряде - нерегулируемой нагрузкой определенной величины.

Таким образом, для формирования уровней ограничения тока заряда и разряда АБ, выходное напряжение усилителя 15 должно быть ограничено в положительной области возможных значений для ограничения тока заряда АБ и в отрицательной области - для ограничения тока ее разряда. С этой целью к выходу усилителя 15 подключены диод 23, соединенный с клеммой 24 для подключения источника положительного напряжения смещения, что ограничивает возможность изменения выходного напряжения усилителя 15 в области положительных значений и обусловливает, таким образом, максимальное значение тока заряда, и диод 25, соединенный с клеммой 26 для подключения источника отрицательного напряжения смещения, для ограничения такой возможности в области отрицательных значений и, следовательно, формирования максимальной величины тока разряда.

Очевидно, что в этом случае выходное напряжение усилителя 15 будет определяться выражением
U_вых15=U_вх15•к_у15,
где U_вых15, U_вх15 - соответственно выходное и входное напряжения усилителя 15, к_y15 - коэффициент усиления усилителя 15.

При этом
U₂₆-U₂₅≤U_вых15≤U₂₄+U₂₃
где U₂₄ и U₂₆ - соответственно напряжения источников напряжения уставок зарядного и разрядного токов АБ, подключенных соответственно к клеммам 24, 26; U₂₃, U₂₅ - прямые падения напряжений на диодах 23, 25 соответственно.

Таким образом, в области значений, определяемых приведенным неравенством, регулятор, содержащий в качестве источника питания аккумуляторную батарею, для автономной системы электропитания представляет собой динамическую нагрузку в режиме заряда и стабилизатор напряжения в режиме разряда. При выполнении равенства в левой части выражения он становится для системы электропитания источником стабильного тока, а при равенстве в правой части - нагрузкой постоянной величины.

Клеммы 20 и 22 предназначены для попеременного подключения по командам блока управления регулятором, содержащим в качестве источника питания аккумуляторную батарею, (на схеме не показан) разнополярных напряжений смещения заданного уровня для организации режима циклирования заданными токами. При этом, при замыкании переключателя 19 (переключатель 21 разомкнут) ко входу усилителя 15 подключается источник положительного напряжения смещения, что позволяет изменять выходное напряжение усилителя 15 от заданных значений до крайнего положительного значения, соответствующего режиму заряда АБ максимально допустимым током - циклирование заряд. При замыкании переключателя 21 (переключатель 19 разомкнут) ко входу усилителя 15 подключается источник отрицательного напряжения смещения, что позволяет изменять выходное напряжение усилителя 15 от заданных значений до крайнего отрицательного значения, соответствующего режиму разряда АБ максимально допустимым током - циклирование разряда.

Таким образом, в заявляемой автономной системе электропитания обеспечивается проведение контрольно-тренировочных циклов заряда-разряда аккумуляторных батарей.

Применение описанного устройства в системах электроснабжения космических аппаратов расширяет функциональные возможности автономной системы электропитания и позволяет повысить ее надежность.

В настоящее время на предприятии ФНПЦ НПК(О) "Энергия" изготовлены опытные образцы предлагаемого устройства. Испытания подтвердили их высокие технические характеристики.

Список литературы
1. Тищенко А. К., Ганкевич П.Т., Савенков В.В., Ливший Г.Д. Автономная система электропитания // Патент РФ 2152069, кл. G 05 F 1/59 // Изобретения. Полезные модели, 2000, 18, прототип.

2. Теньковцев В.В., Центер Б.И. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. - Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985, с. 48-52.

3. Теньковцев В.В., Центер Б.И. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. - Л. : Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985, с. 79-85.

Использование: в автономных системах электроснабжения космических аппаратов. Устройство содержит источники питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам. Регулятор, содержащий в качестве источника питания аккумуляторную батарею, содержит блок управления, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего органа, а вход через блок суммирования подключен к датчику рассогласования. Блок управления выполнен в виде широтно-импульсного модулятора, первый суммирующий усилитель блока суммирования выполнен с l-входами для соединения с выходами указанных l-датчиков рассогласования. Выход второго суммирующего усилителя регулятора дополнительно связан с источником опорного напряжения. В регулятор входит датчик тока, включенный последовательно между регулирующим органом и нагрузкой. Его выход связан со входом второго суммирующего усилителя. Блок суммирования регулятора содержит устройство формирования уставок тока аккумуляторной батареи, вход которого подключен к выходу первого суммирующего усилителя, а выход - ко входу второго суммирующего усилителя. Ко входу усилителя подключены первые выводы первого, второго и третьего резисторов, второй вывод первого резистора является входом устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи. Второй вывод второго резистора подключен к клемме для подключения источника напряжения зарядной уставки, циклирования. Второй вывод третьего резистора подключен к клемме для подключения источника напряжения разрядной уставки циклирования. Выход усилителя подключен к аноду первого диода, катод которого соединен с клеммой для подключения источника напряжения уставки зарядного тока и к катоду второго диода, анод которого соединен с клеммой для подключения источника напряжения уставки разрядного тока. Выход указанного усилителя является выходом устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и повышении ресурса. 1 ил.

Автономная система электропитания, содержащая источники питания, каждый из которых через соответствующий регулятор подключен к выходным выводам, при этом регулятор, содержащий в качестве источника питания аккумуляторную батарею, содержит блок управления, выход которого соединен с управляющим входом регулирующего органа, а вход через блок суммирования подключен к датчику рассогласования, блок управления выполнен в виде широтно-импульсного модулятора, первый суммирующий усилитель блока суммирования выполнен с l-входами, каждый из которых соединен с выходами указанных l-датчиков рассогласования, а вход второго суммирующего усилителя указанного регулятора дополнительно связан с источником опорного напряжения, в указанный регулятор входит датчик тока, включенный последовательно между регулирующим органом и нагрузкой, выход которого связан со входом второго суммирующего усилителя, отличающаяся тем, что она снабжена усилителем, в блок суммирования указанного регулятора дополнительно введено устройство формирования уставок тока аккумуляторной батареи с клеммами для подключения источников напряжения зарядной и разрядной уставок циклирования и клеммами для подключения источников напряжения уставок зарядного и разрядного токов, при этом вход указанного устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи подключен к выходу первого суммирующего усилителя, а его выход - ко входу второго суммирующего усилителя, ко входу усилителя подключены первые выводы первого, второго и третьего резисторов, второй вывод первого резистора является входом устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи, второй вывод второго резистора подключен через первый переключатель к клемме для подключения источника напряжения зарядной уставки циклирования, второй вывод третьего резистора через второй переключатель - к клемме для подключения источника напряжения разрядной уставки циклирования, выход усилителя подключен к аноду первого диода, катод которого соединен с клеммой для подключения источника напряжения уставки зарядного тока и к катоду второго диода, анод которого соединен с клеммой для подключения источника напряжения уставки разрядного тока, при этом выход указанного усилителя является выходом устройства формирования уставок тока аккумуляторной батареи.