ЗАРЯДНО-РАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2018 года по МПК H02J7/34 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам электроснабжения (СЭС) автономных объектов, например, космических аппаратов (КА), использующих в качестве первичных источников энергии солнечные батареи (СБ), в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи (АБ).

С целью обеспечения высоких значений КПД и снижения массы для СЭС автономных объектов со стабилизированной шиной электропитания с использованием аккумуляторных батарей с зарядным напряжением ниже напряжения шины зарядно-разрядное устройство целесообразно выполнять с использованием однотактных схем непосредственного преобразования энергии с промежуточным накоплением энергии в дросселе. Для заряда АБ на освещенном участке орбиты используется однотактная схема преобразования понижающего типа, а для заряда в зоне тени - схема повышающего типа.

Одним из требований к системе электроснабжения КА является требование возможности автоматического восстановления работоспособности СЭС КА в случае нештатных ситуаций, связанных с нарушением ориентации КА на солнце.

Известно зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй транзисторы и диоды, сток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых транзистора и диода, исток и анод которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы. Устройство выполнено на МДП-транзисторах, при этом в устройство введены дополнительные транзистор и диод, исток и катод которых подключены ко второму выводу дросселя, сток дополнительного транзистора соединен с первым выводом второго конденсатора фильтра, а анод дополнительного диода подключен к общему проводу схемы, причем выводы первого конденсатора фильтра предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора фильтра - для подключения источника питания и нагрузки. (Патент № RU 216569 «Зарядно-разрядное устройство», опубликованное 20.04.2001, H02J 7/10).

Устройство используется для работы в системе электроснабжения, где конечное зарядное напряжение АБ всегда выше напряжения на стабилизированной шине и не обладает способностью восстановления в случае нарушения КА на солнце.

Наиболее близким к описываемому является зарядно-разрядное устройство для аккумуляторных батарей, принятое за прототип, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы и диоды, исток и катод первых из которых подсоединены к первому выводу первого конденсатора фильтра, их исток и анод соединены с первым выводом дросселя и стоком и катодом вторых транзистора и диода, аноды которых подсоединены ко вторым выводам первого и второго конденсаторов фильтра и общему проводу схемы, второй вывод дросселя соединен с первым выводом второго конденсатора, причем выводы первого конденсатора предназначены для подключения аккумуляторной батареи, а выводы второго конденсатора - для подключения источника питания и нагрузки (П. Четти, Проектирование ключевых источников электропитания, М. Энергоатомиздат, 1990, стр. 202-211, рис. 7.7).

Недостатком устройства-прототипа является то, что при нарушении ориентации КА на солнце (нештатная работа на низкой орбите) энергия от источника поступает циклически через зарядное устройство как в АБ, так и в нагрузку в моменты времени нахождения источника энергии, в данном случае от СБ, на освещенном участке орбиты. За время нахождения в зоне тени энергия, накопленная в АБ, будет израсходована и практически восстановить работоспособность КА при использовании в СЭС разрядного устройства повышающего типа не представляется возможным, поскольку АБ связана с источником через диод разрядного устройства в прямом направлении.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решения, является обеспечение возможности восстановления работоспособности СЭС КА.

Задача может быть решена за счет отключения нагрузки от АБ и обеспечения режимов работы зарядного устройства, при котором энергия в АБ накапливается циклически увеличиваясь последовательно за каждый освещенный участок орбиты.

При случайном появлении освещенности СБ начинает осуществляться заряд АБ и при накоплении энергии в АБ (20-30%), достаточной для выполнения космическим аппаратом маневра ориентации, разрядное устройство подключается к нагрузке, обеспечивая штатный режим работы космического аппарата.

Поставленная задача решается тем, зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, первый и второй диоды, дроссель, при этом исток первого МДП-транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом первого конденсатора фильтра, общим проводом схемы и первым выводом второго конденсатора фильтра, их сток и катод связаны соответственно с истоком второго МДП-транзистора и анодом второго диода, а сток второго МДП-транзистора и катод второго диода подключены ко второму выводу первого конденсатора фильтра, причем выводы первого конденсатора предназначены для подключения первичного источника энергии и нагрузки, выводы второго конденсатора фильтра - для подключения аккумуляторной батареи, затвор первого транзистора предназначен для подачи ШИМ-сигнала в режиме разряда, а затвор второго транзистора предназначен для подачи ШИМ-сигнала в режиме заряда, дополнительно содержит датчик заряженности аккумуляторной батареи, первый выход которого связан с затвором дополнительного МДП-транзистора, сток которого через дроссель связан с первым выводом второго конденсатора фильтра, его исток связан со стоком первого МДП-транзистора и истоком второго МДП-транзистора и вторым выводом датчика заряженности аккумуляторной батареи.

Зарядно-разрядное устройства представлено на чертеже, где:

1 - первый конденсатор фильтра,

2 - второй конденсатор фильтра,

3 - первый МДП-транзистор,

4 - второй МДП-транзистор,

5 - первый диод,

6 - второй диод,

7 - дроссель,

8 - датчик заряженности аккумуляторной батареи,

9 - дополнительный третий МДП-транзистор,

10 - первичный источник энергии,

11 - нагрузка,

12 - аккумуляторная батарея.

Устройство работает следующим образом. Зарядно-разрядное устройство содержит два однотактных преобразователя. Один из которых - повышающий (транзистор 3, диод 6 и дроссель 7) - предназначен для разряда аккумуляторной батареи, а второй - понижающего типа (транзистор 4, диод 5, дроссель 7) - предназначен для заряда аккумуляторной батареи от источника энергии 10 (например, солнечной батареи).

При заряженности аккумуляторной батареи больше определенного значения (20-30%) датчик заряженности 8 обеспечивает открытие дополнительного третьего транзистора 9 и зарядно-разрядное устройство работает в обычном режиме.

При заряде ШИМ-сигнал с внешнего устройства управления поступает на второй МДП-транзистор 4. При разряде ШИМ-сигнал с внешнего устройства управления поступает на первый МДП-транзистор 3 в зависимости от баланса энергии в СЭС.

При нарушении ориентации КА энергии от первичного источника энергии 10 недостаточно для питания нагрузки 11 и аккумуляторная батарея 12 разряжается на нагрузку 11 до напряжения ниже допустимого уровня, после чего датчик заряженности аккумуляторной батареи 8 снимает питание с дополнительного третьего МДП-транзистора 9, отключая тем самым нагрузку от аккумуляторной батареи 12.

При появлении на выходных шинах СЭС напряжения от первичного источника энергии 10, достаточного для запуска в работу зарядного устройства, зарядный ток аккумуляторной батареи 12 протекает через внутренний диод дополнительного третьего МДП-транзистора 9 циклически, обеспечивая за каждый освещенный участок орбиты накопление в АБ энергии.

При накоплении аккумуляторной батареей энергии 20-30% датчик заряженности 8 подает питание на дополнительный третий МДП-транзистор 9 и разрядное устройство подключает аккумуляторную батарею 12 к нагрузке 11, обеспечивая штатный режим работы СЭС КА.

Предлагаемое зарядно-разрядное устройство решает задачу автоматического восстановления работоспособности СЭС КА при возникновении аварийных ситуаций, связанных с незапланированной потерей ориентации КА на солнце, и таким образом расширяет функциональные возможности известного решения.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электропитания (СЭП) автономных объектов, использующих в качестве накопителей энергии аккумуляторные батареи. Зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтров, первый и второй МДП-транзисторы и первый и второй диоды, дроссель, для обеспечения возможности восстановления работоспособности СЭС КА устройство дополнительно содержит датчик заряженности аккумуляторной батареи и дополнительный третий МДП-транзистор. 1 ил.

Зарядно-разрядное устройство, содержащее первый и второй конденсаторы фильтра, первый и второй МДП-транзисторы, первый и второй диоды, дроссель, при этом исток первого МДП-транзистора и анод первого диода соединены с первым выводом первого конденсатора фильтра, общим проводом схемы и первым выводом второго конденсатора фильтра, их сток и катод связаны соответственно с истоком второго МДП-транзистора и анодом второго диода, а сток второго МДП-транзистора и катод второго диода подключены ко второму выводу первого конденсатора фильтра, причем выводы первого конденсатора предназначены для подключения первичного источника энергии и нагрузки, выводы второго конденсатора фильтра - для подключения аккумуляторной батареи, затвор первого транзистора предназначен для подачи ШИМ-сигнала в режиме разряда, а затвор второго транзистора предназначен для подачи ШИМ-сигнала в режиме заряда, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит датчик заряженности аккумуляторной батареи, первый выход которого связан с затвором дополнительного МДП-транзистора, сток которого через дроссель связан с первым выводом второго конденсатора фильтра, его исток связан со стоком первого МДП-транзистора и истоком второго МДП-транзистора и вторым выводом датчика заряженности аккумуляторной батареи.