АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02J7/35 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения автономных объектов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей.

Известна автономная система электроснабжения, состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, стабилизатора напряжения, зарядного, разрядного устройств и бортовых потребителей, первые входные силовые выводы стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод зарядного устройства и первый входной силовой вывод разрядного устройства соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, первые выходные силовые выводы стабилизатора напряжения и разрядного устройства соединены с потенциальной шиной бортовых потребителей, вторые входные и выходные силовые выводы стабилизатора напряжения, зарядного и разрядного устройств, а также нулевая шина солнечной и аккумуляторной батарей соединены с нулевой выходной шиной бортовых потребителей [1].

При наличии энергии в солнечной батарее стабилизатор напряжения стабилизирует на заданном уровне напряжение на потенциальной шине бортовых потребителей, осуществляя передачу энергии с солнечной батареи бортовым потребителям, зарядное устройство осуществляет заряд аккумуляторной батареи энергией солнечной батареи, разрядное устройство осуществляет разряд аккумуляторной батареи с передачей ее энергии бортовым потребителям при недостатке энергии солнечной батареи. При отсутствии энергии в солнечной батарее разрядное устройство стабилизирует на заданном уровне напряжение на потенциальной шине бортовых потребителей, осуществляя питание бортовых потребителей энергией аккумуляторной батареи.

Недостатком известной автономной системы электроснабжения является большое количество оборудования.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является автономная система электроснабжения, состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, зарядного и разрядного устройств, стабилизатора напряжения и бортовых потребителей, первые входные силовые выводы стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод зарядного устройства, первый входной силовой вывод разрядного устройства и второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения и разрядного устройства соединены с потенциальной шиной бортовых потребителей, вторые входные и выходные силовые выводы зарядного и разрядного устройств, второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения, а также нулевая шина солнечной и аккумуляторной батарей соединены с нулевой шиной бортовых потребителей [2].

В известной автономной системе электроснабжения стабилизатор напряжения при замкнутом состоянии своего ключевого элемента передает энергию с потенциальной шины солнечной батареи на потенциальную шину бортовых потребителей и накапливает ее в своем дросселе, а при разомкнутом состоянии ключевого элемента на потенциальную шину бортовых потребителей передают энергию, накопленную в дросселе и энергию с потенциальной шины аккумуляторной батареи, что позволяет увеличить мощность бортовых потребителей без использования разрядного устройства.

Недостатком известной автономной системы электроснабжения является большое количество оборудования, кроме того, передача энергии солнечной батареи бортовым потребителям невозможна при значениях напряжения солнечной батареи ниже напряжения бортовых потребителей, кроме того, аккумуляторная батарея во всех режимах работы системы подключена к силовой цепи, что ограничивает срок активного ее существования.

Цель предлагаемого технического решения состоит в уменьшении количества оборудования, расширении диапазона допускаемого уменьшения напряжения солнечной батареи и в возможности отключения аккумуляторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что в автономной системе электроснабжения, состоящей из солнечной и аккумуляторной батарей, зарядного устройства, стабилизатора напряжения и бортовых потребителей, стабилизатор напряжения которой содержит ключевой элемент, обмотку дросселя, диод и конденсатор, первый силовой вывод ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый вывод диода соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод ключевого элемента, второй вывод диода и первый вывод обмотки дросселя соединены между собой, второй вывод обмотки дросселя и первый вывод конденсатора соединены с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод конденсатора соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый входной силовой вывод стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод зарядного устройства и второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с потенциальной шиной бортовых потребителей, вторые входные и выходные силовые выводы зарядного устройства, второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения, а также нулевая шина солнечной и аккумуляторной батарей соединены с нулевой шиной бортовых потребителей, при этом в стабилизатор напряжения введены второй ключевой элемент, вторая обмотка дросселя и второй конденсатор, первый силовой вывод второго ключевого элемента соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод второго ключевого элемента, первый вывод второй обмотки дросселя и второй вывод второго конденсатора соединены между собой, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод второй обмотки дросселя соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, кроме того, в стабилизатор напряжения введен третий ключевой элемент, первый силовой вывод третьего ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод третьего ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, кроме того, в стабилизатор напряжения введены четвертый ключевой элемент и второй диод, четвертый ключевой элемент включен в цепь первого диода, первый вывод второго диода соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод второго диода соединен с первым выводом первой обмотки дросселя.

Сущность технического решения заключается в том, что введение в стабилизатор напряжения второй обмотки дросселя, конденсатора и второго ключевого элемента использует его, при коммутации второго ключевого элемента, в качестве повышающего преобразователя напряжения аккумуляторной батареи, что обеспечивает питание бортовых потребителей электроэнергией аккумуляторной батареи при отсутствии энергии в солнечной батарее, введение в стабилизатор напряжения третьего ключевого элемента использует его, при коммутации третьего ключевого элемента, в качестве повышающе-понижающего преобразователя напряжения солнечной батареи, что обеспечивает питание бортовых потребителей электроэнергией солнечной батареи при снижении напряжения солнечной батареи ниже напряжения бортовых потребителей, введение в стабилизатор напряжения четвертого ключевого элемента и второго диода переключает разрядную цепь дросселя, при отключении четвертого ключевого элемента, с первого на второй диод, что отключает разрядную цепь дросселя от аккумуляторной батареи.

На чертеже приведена схема автономной системы электроснабжения, реализующая предлагаемые технические решения.

Автономная система электроснабжения (см. чертеж) состоит из солнечной батареи 1, аккумуляторной батареи 2, стабилизатора напряжения 3, зарядного устройства 4 и бортовых потребителей 5. Стабилизатор напряжения 3 состоит из четырех ключевых элементов 6, 10, 12 и 13, двух диодов 7 и 14, двухобмоточного дросселя 8 с обмотками 8.1 и 8.2, двух конденсаторов 9 и 11, первый силовой вывод ключевых элементов 6 и 12 соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, первый силовой вывод ключевых элементов 10 и 13 соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, второй силовой вывод ключевого элемента 6, второй вывод диодов 7 и 14, первый вывод конденсатора 11 и первый вывод обмотки 8.1 дросселя 8 соединены между собой, второй силовой вывод ключевых элементов 10 и 12, второй вывод конденсатора 11 и первый вывод обмотки 8.2 дросселя 8 соединены между собой, второй силовой вывод ключевого элемента 13 соединен с первым выводом диода 7, второй вывод обмотки 8.1 дросселя 8, первый вывод конденсатора 9 соединены с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, второй вывод обмотки 8.2 дросселя 8, первый вывод диода 14 и второй вывод конденсатора 9 соединены со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения 3. Первый входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 и первый входной силовой вывод зарядного устройства 4 соединены с потенциальной шиной U_СБ солнечной батареи 1, второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 и первый выходной силовой вывод зарядного устройства 4 соединены с потенциальной шиной U_АБ аккумуляторной батареи 2, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с потенциальной шиной U_Н бортовых потребителей 5, нулевая шина солнечной батареи 1, нулевая шина аккумуляторной батареи 2, вторые входные и выходные силовые выводы зарядного устройства 4 и второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединены с нулевой шиной U₀ бортовых потребителей 5.

Автономная СЭС работает следующим образом: при значениях напряжения U_СБ>U_Н и при включенном состоянии ключевого элемента 13 стабилизатора напряжения 3 и управлении коммутацией ключевого элемента 6 стабилизатора напряжения 3 осуществляют стабилизацию на заданном уровне напряжения на потенциальной шине U_Н бортовых потребителей 5, осуществляя передачу энергии с солнечной батареи 1 и с аккумуляторной батареи 2 бортовым потребителям 5, при этом энергия аккумуляторной батареи 2 передается бортовым потребителям 5 через диод 7 суммарным током, протекающим через обмотки 8.1 и 8.2 дросселя 8 на периоде коммутации во время выключенного состояния ключевого элемента 6.

Заряд аккумуляторной батареи осуществляет зарядное устройство 4

При отсутствии энергии в солнечной батарее 1 и при включенном состоянии ключевого элемента 13 стабилизатора напряжения 3 и управлении коммутацией ключевого элемента 10 стабилизатора напряжения 3 осуществляют стабилизацию на заданном уровне напряжения на потенциальной шине U_Н бортовых потребителей 5, осуществляя передачу энергии с потенциальной шины U_АБ аккумуляторной батареи 2 бортовым потребителям 5.

При значениях напряжения U_СБ≤U_н и при включенном состоянии ключевого элемента 13 стабилизатора напряжения 3 и управлении коммутацией ключевого элемента 12 стабилизатора напряжения 3 осуществляют стабилизацию на заданном уровне напряжения на потенциальной шине U_Н бортовых потребителей 5, осуществляя передачу энергии с солнечной батареи 1 и с аккумуляторной батареи 2 бортовым потребителям 5, при этом энергия аккумуляторной батареи 2 передается бортовым потребителям 5 через диод 7 суммарным током, протекающим через обмотки 8.1 и 8.2 дросселя 8 на периоде коммутации во время выключенного состояния ключевого элемента 12.

При выключенном состоянии ключевого элемента 13 стабилизатора напряжения 3 разрядная цепь для тока обмоток дросселя 8 переключается с диода 7 на диод 14, что соответственно отключает аккумулятор 2 от цепи разряда.

Таким образом, в автономной СЭС (см. чертеж) стабилизатор напряжения 3 выполняет функции понижающего преобразователя напряжения солнечной батареи 1 при работе ключевого элемента 6, повышающего преобразователя напряжения аккумуляторной батареи 2 при работе ключевого элемента 10 и повышающе-понижающего преобразователя напряжения солнечной батареи 1 при работе ключевого элемента 12, кроме того, при включенном состоянии ключевого элемента 13 энергия аккумуляторной батареи 2 передается бортовым потребителям 5 через диод 7 суммарным током, протекающим через обмотки 8.1 и 8.2 дросселя 8 на периоде коммутации во время выключенного состояния управляемого ключевого элемента 6, 10 или 12, отключение ключевого элемента 13 стабилизатора напряжения 3 разрядная цепь для тока обмоток дросселя 8 переключается с диода 7 на диод 14, что соответственно отключает аккумулятор 2 от цепи разряда.

ЛИТЕРАТУРА

1. Системы электропитания космических аппаратов. / Б.П.Соустин, В.И.Иванчура, А.И.Чернышев, Ш.Н.Исляев. - Новосибирск: ВО «Наука». 1994. - 318 с., Рис.1.3.

2. Патент РФ №2402136, кл. H02J 7/00, H02J 7/34, опубл. 20.10.2010, Бюл. №29.

Использование: в области электротехники. Технический результат - уменьшение количества оборудования, расширение диапазона допускаемого уменьшения напряжения солнечной батареи и возможность отключения аккумуляторной батареи. В системе электроснабжения введение в стабилизатор напряжения второй обмотки дросселя, конденсатора и второго ключевого элемента использует его, при коммутации второго ключевого элемента, в качестве повышающего преобразователя напряжения аккумуляторной батареи, что обеспечивает питание бортовых потребителей электроэнергией аккумуляторной батареи при отсутствии энергии в солнечной батарее, введение в стабилизатор напряжения третьего ключевого элемента использует его, при коммутации третьего ключевого элемента, в качестве повышающе-понижающего преобразователя напряжения солнечной батареи, что обеспечивает питание бортовых потребителей электроэнергией солнечной батареи при снижении напряжения солнечной батареи ниже напряжения бортовых потребителей, введение в стабилизатор напряжения четвертого ключевого элемента и второго диода, переключает разрядную цепь дросселя, при отключении четвертого ключевого элемента, с первого на второй диод, что отключает разрядную цепь дросселя от аккумуляторной батареи. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автономная система электроснабжения, состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, зарядного устройства, стабилизатора напряжения и бортовых потребителей, со стабилизатором напряжения, содержащим ключевой элемент, обмотку дросселя, диод и конденсатор, первый силовой вывод ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый вывод диода соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод ключевого элемента, второй вывод диода и первый вывод обмотки дросселя соединены между собой, второй вывод обмотки дросселя и первый вывод конденсатора соединены с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод конденсатора соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, первые входные силовые выводы стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с потенциальной шиной бортовых потребителей, первый выходной силовой вывод зарядного устройства и второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, нулевые шины солнечной и аккумуляторной батарей, вторые входные и выходные силовые выводы разрядного устройства и второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с нулевой шиной бортовых потребителей, отличающаяся тем, что в стабилизатор напряжения введены второй ключевой элемент, вторая обмотка дросселя и второй конденсатор, первый силовой вывод второго ключевого элемента соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод второго ключевого элемента, первый вывод второй обмотки дросселя и второй вывод второго конденсатора соединены между собой, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод второй обмотки дросселя соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения.

2. Автономная система электропитания по п.1, отличающаяся тем, что в стабилизатор напряжения введен третий ключевой элемент, первый силовой вывод третьего ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод третьего ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя.

3. Автономная система электропитания по п.1, отличающаяся тем, что в стабилизатор напряжения введены четвертый ключевой элемент и второй диод, четвертый ключевой элемент включен в цепь первого диода, первый вывод второго диода соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод второго диода соединен с первым выводом первой обмотки дросселя.