АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H02J7/35 

Предлагаемое изобретение относится к области космической энергетики с использованием солнечных батарей, конкретно к устройствам регулирования напряжения на шинах солнечной батареи и нагрузки в автономных системах электропитания искусственных спутников Земли ИСЗ.

Известны автономные системы электропитания (СЭП) ИСЗ, например, по А.с. 1106407 от 12.04.83. Система содержит солнечную батарею (БС), подключенную к регулятору напряжения через разделительные диоды и емкостной фильтр, нагрузку, подключенную к регулятору через индуктивно-емкостной фильтр, а работой регулятора управляет блок управления. Недостатком системы является то, что она обеспечивает питание нагрузки только при наличии мощности солнечной батареи, превышающей мощность нагрузки, т.к. в системе отсутствует дополнительный источник энергии - аккумуляторная батарея (АБ).

Наиболее близкой предлагаемому изобретению является автономная СЭП, описанная в монографии Системы электропитания космических аппаратов. Новосибирск, ВО "НАУКА". 1994. Авторы Б.П.Соустин, В.И.Иванчура, А.И.Чернышев, Ш.Н.Исляев (см. рис 1.19 разд.1.5). Указанная система электропитания, блок-схема которой показана на фиг.1, принята в качестве прототипа. СЭП состоит из солнечной батареи (БС) 1 в качестве первичного источника энергии, аккумуляторной батареи (АБ) 2 в качестве вторичного источника, последовательного стабилизатора напряжения (СН) 3, включенного между БС 1 и нагрузкой 4, зарядного (ЗУ) 5 и разрядного (РУ) 6 устройств АБ, причем вход зарядного устройства подключен к выходу БС, а выход разрядного устройства подключен к выходу СН. Между плюсовыми и минусовыми выходами БС включен емкостной фильтр 7, а на выходе СН - индуктивно-емкостной фильтр 8.

Система работает следующим образом

При мощности солнечной батареи 1, превышающей мощность нагрузки 4, и при полностью заряженной АБ 2 регулирование напряжения на нагрузке осуществляется СН 3. При этом напряжение на входе СН 3 (на выходе БС 1) устанавливается в точке вольтамперной характеристики (ВАХ) БС, определяемой соотношением:

U_БС·I_БС=U_H·I_H=P_H,

где U_БС, I_БС - напряжение и ток БС,

U_H, I_H, P_H - напряжение, ток и мощность нагрузки соответственно.

При Р_H→0, U_БС→U_XX, т.е. при стремлении нагрузки к нулю, на выходе БС будет устанавливаться напряжение, близкое к холостому ходу (см. фиг.3, нагрузочная характеристика 3), и наоборот, при увеличении нагрузки U_БС→U_H. При необходимости заряда АБ включается зарядное устройство 5.

При заряде АБ всей избыточной мощностью БС U_БС=U_H+ΔU_CH, где ΔU_CH - падение напряжения на открытом ключе СН. При этом напряжении будет устанавливаться соотношение:

P_БС=P_H+P₃;

U_БС·I_БС=U_H·I_H+U₃·I₃,

где U_З, I_З, P_З - напряжение, ток и мощность заряда АБ соответственно.

При снижении мощности БС, например, при заходе ИСЗ в тень Земли или при повышении мощности нагрузки сверх возможностей БС (P_H>P_БС) регулирование напряжения на нагрузке обеспечивается РУ 6 при полностью открытом ключе СН 2, т.е. U_БС=U_РУ+ΔU_CH, где U_РУ - напряжение на выходе разрядного устройства, a ΔU_CH - падение напряжения на ключе стабилизатора.

Входной емкостной фильтр (7) предназначен для снижения пульсаций напряжения БС 1 на входе в СН 3, выходной индуктивно-емкостной фильтр 8 - для обеспечения требуемого качества напряжения на нагрузке 4 в стационарных и переходных режимах.

Указанная автономная СЭП получила широкое распространение в отечественных ИСЗ на различных орбитах, показала высокую надежность и эффективность использования потенциальных возможностей источников тока, высокую стабильность выходного напряжения (U_H) при любой динамике изменения нагрузки и внешних условий (переменная ориентация БС, прохождения теневых участков орбиты и т.п.).

В то же время она имеет недостатки, вытекающие из специфики регулирования напряжения (мощности) БС, которые ограничивают область применения подобных СЭП, особенно при переходе на более высокие номиналы питающего напряжения (70-100 В и выше).

В процессе летного функционирования при прохождении теневых участков орбиты солнечная батарея подвергается термоциклированию, охлаждаясь в конце теневого участка, например, на геостационарной орбите примерно от плюс 40 до минус 180°С.

В соответствии со свойствами полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей, охлажденная солнечная батарея после выхода ИСЗ из тени Земли имеет значительно большее напряжение, чем при установившейся температуре при освещении Солнцем.

Максимальное напряжение холостого хода (U_XX) охлажденной БС сразу после выхода ИСЗ из тени Земли может быть записано в виде:

здесь - температурный коэффициент напряжения холостого хода от фотопреобразователей,

Δt=Δt_РАБ-t_МИН, т.е. разница между установившейся рабочей температурой на освещенном участке орбиты и минимальной температурой на выходе ИСЗ из тени Земли;

К_РЕС - ресурсный запас напряжения на срок службы;

К_ХХ - отношение U_XX/U_{раб БС}.

Изменения температуры и формы вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечной батареи при прохождении теневого участка орбиты показаны соответственно на фиг.2 и 3.

ВАХ 1 фиг.3 соответствует временной точке 1 на температурной кривой фиг.2, а ВАХ 2 - соответственно точке 2 на той же кривой.

В качестве примера рассмотрим условия применения БС:

- геостационарная орбита;

- тип БС - кремниевые фотопреобразователи;

- t_РАБ=+50°С; t_МИН=-180°С;

- К_РЕС≈1,2;

- К_ХХ≈1,25;

- ∂U_XX/∂t·U_XX=-0,004 1/°С.

Отсюда U_{XX МАКС}=2,88 U_H.

Т.е. система электропитания должна быть рассчитана на работу в диапазоне напряжений БС от U_H до 2,88 U_H. Например, при U_H=100 В этот диапазон равен 100-288 В.

Это приводит к следующим недостаткам.

1. Снижаются КПД и удельно-массовые характеристики СЭП (Вт/кг) из-за неоптимальности работы преобразователей и стабилизаторов напряжения (СН, ЗУ), вынужденных работать в широком диапазоне напряжений.

2. Повышаются требования к электрорадиоэлементам СЭП, устанавливаемым на выходе БС (конденсаторы, транзисторы и т.п.), что вынуждает усложнять схему и снижает надежность ее работы. В частности, во входных фильтрах необходимо применять последовательное соединение конденсаторов с соответствующим увеличением массы Таким образом, указанное свойство схем СЭП с последовательным стабилизатором напряжения БС ограничивает область применения таких систем уровнями напряжения, допустимыми возможностями электрорадиоэлементов.

В предлагаемом изобретении указанные недостатки устраняются введением в схему СЭП параллельно солнечной батарее ограничителя напряжения БС, роль которого - ограничивать напряжение охлажденной в тени БС до уровня, допустимого для применяемых в системе электропитания элементов. Этот уровень должен выбираться в диапазоне U_H·К_РЕС·К_ХХ<U_ОГР<U_{XX МАКС}.

Как было показано выше, в случае применения системы на геостационарном ИСЗ верхний уровень напряжения на БС может быть ограничен величиной 1,5U_H, т.е. существенно ниже предельного напряжения холостого хода БС (2,88 U_H)

Таким образом, при U_H=100 В напряжение ограничителя может быть установлено на уровне 150 В.

Длительность работы ограничителя определяется временем нагрева БС t_НАГР, которое по данным расчетов и летных измерений составляет 5-8 мин, т.е. для геостационарной орбиты суммарное время работы ограничителя не превысит 12 часов за год.

Суть предлагаемого изобретения поясняется фиг.4-6.

Предлагаемая система состоит из солнечной батареи 1, аккумуляторной батареи 2, последовательного стабилизатора напряжения 3, включенного в цепь между солнечной батареей 1 и нагрузкой 4, аккумуляторная батарея 2 подключена через зарядное устройство 5 к выходу солнечной батареи и через разрядное устройство 6 к выходу стабилизатора. Параллельно солнечной батарее установлен входной фильтр 7, а между выходами стабилизатора 3 и разрядного устройства 6 с одной стороны и нагрузкой 4 - с другой установлен индуктивно-емкостной фильтр 8. К выходу солнечной батареи параллельно ее выводам установлен ограничитель 9 максимального напряжения солнечной батареи 1.

Работа схемы заключается в следующем.

После выхода ИСЗ из тени Земли в течение примерно одной минуты (сумеречный период) происходит нарастание тока и напряжения солнечной батареи от нуля до максимальных значений. При достижении напряжения порога срабатывания ограничителя 9 он открывается и начинает пропускать через себя ток, величина которого изменяется таким образом, чтобы сумма тока шунтирования (т.е. тока через ограничитель) и тока в нагрузку соответствовала точке на вольт-амперной характеристике БС, при которой выходное напряжение БС равно напряжению уставки ограничителя.

В качестве ограничителя напряжения может использоваться любой его тип, например линейный стабилизатор. Блок-схема СЭП с таким ограничителем 9 показана на фиг.4.

Может также применяться шунтовой ограничитель (ШО) с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в основе которого лежит транзисторный ключ. В этом случае для защиты транзисторного ключа ШО от больших токов при разряде емкости входного фильтра в выходной цепи БС до точки подключения входного фильтра СН устанавливают диод 10 в прямом направлении прохождения тока БС. Блок-схема СЭП с ШО показана на фиг.5. Работа схемы аналогична работе, описанной выше по фиг.4, с тем отличием, что здесь напряжение на выходе БС осуществляется импульсной работой ключа ШО.

В тех случаях, когда падение напряжения на диоде является критичным параметром для СЭП и необходимо исключить дополнительные потери мощности СЭП на нем, параллельно диоду устанавливают коммутатор 11, который замыкают в те периоды времени, когда ШО не работает (ключ ШО закрыт).

Блок схема СЭП с коммутатором показана на фиг.6. Коммутатор замкнут постоянно, кроме периодов времени работы ШО в режиме ограничения напряжения. Для упрощения управления коммутатором в реальной СЭП его отключение может производиться при заходе ИСЗ в тень Земли и включение через 5-8 минут после выхода из тени или производиться отключение на более длительный период, например, для геостационарной орбиты на весь период теневых орбит, т.е. два раза в год по 45 суток каждый.

Предлагаемая автономная система электропитания планируется к применению на одном из ИСЗ разработки предприятия.

Использование: в области космической энергетики. Технический результат заключается в оптимизации системы электропитания и расширении возможностей использования. Автономная система электропитания ИСЗ включает солнечную батарею, соединенную через последовательный стабилизатор напряжения с нагрузкой, аккумуляторную батарею, соединенную через зарядное устройство с выходом солнечной батареи и через разрядное устройство с выходом последовательного стабилизатора напряжения, входной емкостной фильтр, подключенный параллельно выходу солнечной батареи и выходной индуктивно-емкостной фильтр на входе в нагрузку, параллельно выходным шинам солнечной батареи подключен ограничитель максимального напряжения солнечной батареи, который при достижении напряжения порога срабатывания открывается и начинает пропускать через себя ток, величина которого изменяется таким образом, чтобы сумма токов через ограничитель и тока в нагрузку соответствовала точке на вольт-амперной характеристике солнечной батареи, при которой выходное напряжение солнечной батареи равно напряжению уставки ограничителя. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Автономная система электропитания ИСЗ, включающая солнечную батарею, соединенную через последовательный стабилизатор напряжения с нагрузкой, аккумуляторную батарею, соединенную через зарядное устройство с выходом солнечной батареи и через разрядное устройство с выходом последовательного стабилизатора напряжения, входной емкостной фильтр, подключенный параллельно выходу солнечной батареи и выходной индуктивно-емкостный фильтр на входе в нагрузку, отличающаяся тем, что параллельно выходным шинам солнечной батареи подключен ограничитель максимального напряжения солнечной батареи, который при достижении напряжения порога срабатывания открывается и начинает пропускать через себя ток, величина которого изменяется таким образом, чтобы сумма токов через ограничитель и тока в нагрузку соответствовала точке на вольт-амперной характеристике солнечной батареи, при которой выходное напряжение солнечной батареи равно напряжению уставки ограничителя.2. Автономная система электропитания ИСЗ по п.1, отличающаяся тем, что в качестве ограничителя напряжения установлен шунтовой ограничитель напряжения с широтно-импульсной модуляцией, а между входом ограничителя и входным емкостным фильтром установлен диод в прямом направлении прохождения тока солнечной батареи.3. Автономная система электропитания ИСЗ по п.2, отличающаяся тем, что параллельно диоду установлен коммутатор.