СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2016 года по МПК H02J7/00 

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

Известен способ управления автономной системой электроснабжения (патент RU №2168828, H01J 7/36), 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 после начала заряда аккумуляторной батареи.

Известный способ решает задачу предотвращения выхода из строя аккумуляторов АБ, восстановления нормального функционирования СЭС после нештатной или аварийной ситуации.

Однако известный способ не учитывает следующий факт. В настоящее время на КА нашли широкое применение СЭС с несколькими номиналами выходного напряжения. Как правило, это системы электроснабжения с параллельным стабилизатором напряжения солнечной батареи (на уровне 100 B и более) и дополнительной стабилизацией напряжений нагрузок меньшего номинала от шин первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями. Структура таких СЭС отражена в патенте RU №2258292 от 10 августа 2005 г., согласно которому питание нагрузки постоянным током от источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключается в стабилизации напряжения на нагрузке и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, при этом стабилизируют n номиналов напряжения, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное напряжение питания, а стабилизацию напряжения остальных (n-1) нагрузок проводят от шин питания первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят только на первом уровне стабилизации напряжения, кроме того, стабилизацию напряжения на первом уровне проводят шунтовым или короткозамкнутым стабилизированным преобразователем. Применительно к таким СЭС известное изобретение требует существенной и принципиальной доработки.

Наиболее близким заявляемому изобретению является способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата (патент RU №2521538, H0J 7/00), содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, 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, при этом в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей запрещают (блокируют) работу всех разрядных устройств, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце и заряда аккумуляторных батарей до заданного уровня снимают блокировку работы всех разрядных устройств, отличающийся тем, что в системе электроснабжения с параллельным стабилизатором напряжения солнечной батареи и дополнительной стабилизацией напряжений нагрузок меньшего номинала от шин первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, блокируют также работу данных сериесных стабилизированных преобразователей, при этом контролируют ток солнечной батареи, а снимают блокировку работы сериесных стабилизированных преобразователей после превышения тока солнечной батареи заранее заданного значения. Этот способ принят за прототип заявляемого изобретения.

Недостатком известного изобретения является то, что величину тока СБ (заранее заданного значения), для снятия блокировки сериесных стабилизированных преобразователей, устанавливают с определенным технологическим запасом, так как она не определяет момент начала регулирования избыточной мощности СБ, что снижает надежность известного способа.

Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности СЭС при возникновении аварийных ситуаций, связанных с незапланированной потерей ориентации КА на Солнце.

Поставленная задача решается тем, что в автономной системе электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, 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, при этом в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей запрещают (блокируют) работу всех разрядных устройств, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце и заряда аккумуляторных батарей до заданного уровня снимают блокировку работы всех разрядных устройств, кроме того в системе электроснабжения с параллельным стабилизатором напряжения солнечной батареи и дополнительной стабилизацией напряжений нагрузок меньшего номинала от шин первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями блокируют также работу данных сериесных стабилизированных преобразователей, при этом контролируют режим работы зарядных устройств аккумуляторных батарей, а блокировку работы сериесных стабилизированных преобразователей снимают после перехода зарядных устройств в режим токоограничения.

При разряде каждой АБ до нижнего установленного уровня данная АБ переводится в режим хранения.

После отключения соответствующего разрядного устройства питание нагрузки осуществляется оставшимися включенными разрядными устройствами от других АБ, еще не достигших установленного уровня разряженности.

В случае если после запрета работы нескольких разрядных устройств мощности оставшихся в работе АБ и соответствующих разрядных устройств окажется недостаточно для обеспечения питания бортовых потребителей, запрещают работу всех разрядных устройств и сериесных стабилизированных преобразователей. Сигналом на переход СЭС в режим хранения может быть также снижение напряжения на выходных шинах СЭС до определенного значения (при недостатке мощности работающих разрядных устройств выходное напряжение СЭС начнет снижаться).

На фиг. 1 приведены графики вольт-амперных характеристик (ВАХ) СБ при выходе ее из тени 1, график мощности СБ в зависимости от напряжения 2 и характеристика потребления тока нагрузкой 3 в зависимости от напряжения. Последняя изображена линейной, что достаточно близко к реальной для дежурного режима работы СЭС КА. При этом, Uxx - напряжение холостого хода СБ, а Uрт - напряжение в рабочей точке (точке максимальной мощности) СБ.

При случайном появлении освещенности СБ или восстановлении ориентации СБ на Солнце и повышении напряжения на выходе параллельного стабилизатора до номинального значения начнет осуществляться заряд АБ. При этом можно снять блокировку работы разрядных устройств и сериесных стабилизированных преобразователей. Однако раннее включение сериесных стабилизированных преобразователей может привести к тому, что напряжение СБ останется на уровне меньше номинального значения (по вольт-амперной характеристике - левее напряжения в рабочей точке) из-за потребления нагрузки автономной системы электропитания при нерегулирующих сериесных преобразователях и зарядных устройствах (силовые транзисторы полностью открыты). Это явление характерно для СЭС с высоким выходным напряжением (100 В и более), когда для получения высокой удельной мощности используют СБ с высоким напряжением и пропорционально меньшим током (для снижения активных потерь мощности). Поэтому эффективным решением здесь будет включение сериесных стабилизированных преобразователей, когда мощность с СБ будет сниматься на участке от Uxx до Uрт (по вольт-амперной характеристике - правее напряжения в рабочей точке СБ). Это состояние точки съема мощности с СБ, приближенное к напряжению к в точке максимальной мощности. Однозначным признаком этого состояния может служить работа зарядных устройств в режиме токоограничения.

На фиг. 2 приведена функциональная схема автономной системы электроснабжения КА для реализации заявляемого способа, в которой используется один сериесный стабилизированный преобразователь для организации второго (более низкого, например, 27 B) напряжения.

Автономная система электроснабжения КА содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через параллельный стабилизатор напряжения 3 солнечной батареи 1, аккумуляторные батареи 4₁-4_n, подключенные через зарядные устройства 5₁-5_n к солнечной батарее 1, а через разрядные устройства 6₁-6_n к входу выходного фильтра 23 стабилизатора напряжения 3. Параллельно нагрузке 2 через сериесный стабилизированный преобразователь напряжения 20 подключена низковольтная нагрузка 2-1.

При этом низковольтная нагрузка 2-1 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на схеме не показано).

Параллельно аккумуляторным батареям 4₁-4_n подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7₁-7_n, связанные входом с аккумуляторными батареями 4₁-4_n для контроля напряжения аккумуляторов, а выходом с низковольтной нагрузкой 2-1.

В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8₁-8_n.

Параллельный стабилизатор напряжения 3 состоит из короткозамыкающего регулирующего транзистора 21, управляемого схемой управления 22 и развязывающего диода 23 в плюсовой шине СБ.

Зарядные устройства 5₁-5_n состоят из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 5-3, транзисторах 5-1 и 5-2 и выпрямителя на диодах 5-4 и 5-5.

Разрядные устройства 6₁-6_n состоят из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.

Сериесный стабилизированный преобразователь напряжения 20 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 15 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 18 и конденсаторе 16.

Схемы управления: 10 - зарядных устройств 5₁-5_n, 12 - разрядных устройств 6₁-6_n, 22 - параллельного стабилизатора напряжения 3 и 14 - сериесного стабилизированного преобразователя напряжения 20 - выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных устройств 5₁-5_n дополнительно связаны с измерительными шунтами 8₁-8_n, для обеспечения ограничения токов заряда на заданном уровне, когда мощность СБ превышает текущие потребности КА (штатный режим).

Датчик контроля режима токоограничения зарядных устройств 19 подключен входом к схемам управления 10 зарядных устройств 5₁-5_n, а выходом к сериесному стабилизированному преобразователю напряжения 20.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4₁-4_n работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные устройства 5₁-5_n. Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через параллельный стабилизатор напряжения 3, а низковольтной нагрузки 2-1 через сериесный стабилизированный преобразователь 20.

При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации, нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4₁-4_n через разрядные устройства 6₁-6_n.

Устройства контроля аккумуляторных батарей 7₁-7_n контролируют напряжение аккумуляторов аккумуляторных батарей 4₁-4_n и передают информацию об их состоянии в низковольтную нагрузку 2-1.

В процессе эксплуатации КА, по результатам анализа информации о состоянии АБ (в основном - напряжение аккумуляторов и АБ в целом), по аппаратной логике или по заранее заложенной в бортовую ЭВМ программе формируется запрет на работу всех разрядных устройств и сериесного стабилизированного преобразователя.

Данная ситуация возникнет в случае потери ориентации солнечных батарей КА на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей и отключении части разрядных устройств, когда мощности оставшихся в работе разрядных устройств недостаточно для питания нагрузки. При этом запрещают работу всех разрядных устройств, дополнительно запрещают работу сериесного стабилизированного преобразователя напряжения 20.

После восстановления (частичного или полного) ориентации солнечных батарей на Солнце после повышения напряжения на выходе параллельного стабилизатора 3 до номинального значения идет заряд аккумуляторных батарей. Запрет на работу разрядных устройств снимается после заряда АБ до определенного уровня, а запрет на работу сериесного стабилизированного преобразователя напряжения 20 снимают по сигналу датчика 19 контроля режима токоограничения зарядных устройств.

Таким образом, заявляемый способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата обеспечивает повышение надежности СЭС при возникновении аварийных ситуаций, связанных с незапланированной потерей ориентации КА на Солнце.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности системы электроснабжения. Согласно способу управления автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батарей 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. При достижении предельного уровня заряженности аккумуляторной батареи осуществляют запрет на работу соответствующего зарядного устройства и снимают этот запрет при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи. Выдают запрет на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снимают этот запрет при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи. При этом в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей запрещают (блокируют) работу всех разрядных устройств, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце и заряда аккумуляторных батарей до заданного уровня снимают блокировку работы всех разрядных устройств. В системе электроснабжения с параллельным стабилизатором напряжения солнечной батареи и дополнительной стабилизацией напряжений нагрузок меньшего номинала от шин первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями блокируют также работу данных сериесных стабилизированных преобразователей. При этом контролируют режим работы зарядных устройств аккумуляторных батарей, а блокировку работы сериесных стабилизированных преобразователей снимают после перехода зарядных устройств в режим токоограничения. 2 ил.

Способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, 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, при этом в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей запрещают (блокируют) работу всех разрядных устройств, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце и заряда аккумуляторных батарей до заданного уровня снимают блокировку работы всех разрядных устройств, кроме того в системе электроснабжения с параллельным стабилизатором напряжения солнечной батареи и дополнительной стабилизацией напряжений нагрузок меньшего номинала от шин первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями блокируют также работу данных сериесных стабилизированных преобразователей, отличающийся тем, что при этом контролируют режим работы зарядных устройств аккумуляторных батарей, а блокировку работы сериесных стабилизированных преобразователей снимают после перехода зарядных устройств в режим токоограничения.