СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА Российский патент 2021 года по МПК H02J7/34 

Предлагаемое изобретение относится к области космической энергетики, а именно бортовых систем электропитания космических аппаратов (КА) с использованием солнечных батарей (БС) и аккумуляторных (АБ) батарей.

Известен способ управления в автономной системе электропитания (патент RU №2313169 С2), содержащей БС, последовательный стабилизатор напряжения, включенный в цепь между солнечной батареей БС и нагрузкой, аккумуляторная батарея, подключенная через зарядное устройство к выходу БС и через разрядное устройство к выходу стабилизатора.

Параллельно БС подключен ограничитель максимального напряжения БС.

После выхода КА из тени Земли в течение примерно одной минуты (сумеречный период) происходит нарастание напряжения БС от нуля до значений, превышающих максимально допустимых для электро-радиоэлементов стабилизатора.

При достижении напряжения порога срабатывания ограничитель открывается и понижает напряжение БС до напряжения порога ограничителя.

Недостаток рассмотренного способа состоит в том, что без ограничителя напряжения можно обойтись, заменив последовательный регулятор напряжения параллельным, построенным по принципу последовательного шунтирования выходов секций БС, количество которых определяется из условия поддержания напряжения на выходе регулятора в заданных пределах. В ситуации выхода КА из тени Земли такой регулятор автоматически шунтирует необходимое количество секций БС, устанавливая нормальное напряжение на нагрузке.

Наиболее близким решением к заявляемому способу питания нагрузки является способ подключения аккумуляторной батареи, описанный в заявке «Автономная система электропитания» (RU №2317216 С2), в котором зарядное и разрядное устройства батареи подключены к выходу солнечной батареи до входа в последовательный стабилизатор напряжения. Технический результат заключается в получении стабильности напряжения на нагрузке путем уменьшения переходных процессов при смене режимов работы системы электропитания.

Указанный способ электропитания выбран в качестве прототипа.

Недостаток этого способа электропитания состоит в том, что ток в нагрузку идет от аккумуляторной батареи (АБ) через разрядное устройство (РУ) и через стабилизатор напряжения при нахождении его в зоне регулирования. При этом имеются дополнительные потери мощности на стабилизаторе.

Для заявленного способа выявлены основные общие существенные признаки, такие как: способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, использующий разрядные и зарядные устройства.

Технической проблемой заявляемого изобретения является повышение быстродействия и упрощение электрических схем для повышения функциональной надежности (СЭП).

Поставленная техническая проблема решается способом питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающимся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, зарядные (ЗУ) и разрядные устройства (РУ), согласно заявленному изобретению, - в составе ЗУ применяют независимые стабилизаторы тока (СТ), управляют ими командами «включение-отключение», а общий ток ЗУ регулируют изменением количества включенных СТ. Анализ степени заряженности АБ и установку тока заряда ЗУ выполняют командами, учитывая телеметрическую информацию о токе и напряжении АБ.

Таким образом, поставленная техническая проблема решается тем, что в отличие от традиционного способа заряда АБ, когда при дефиците мощности БС зарядное устройство стабилизирует напряжение на нагрузке, предлагаемый способ исключает эту функцию из зоны управления СЭП. При этом значительно упрощается электрическая схема ЗУ.

В отличие от традиционных последовательных (как в прототипе) стабилизаторов-преобразователей использованы ключи-коммутаторы секций БС, которые отключают секции способом их короткого замыкания. Количество отключенных секций определяется из условия поддержания напряжения на выходе регулятора в заданных пределах.

Указанные способы значительно облегчают тепловые режимы силовых ключей, упрощают электрические схемы, уменьшают массу и габариты, улучшают динамические характеристики общей схемы управления, повышают надежность СЭП.

Суть предлагаемого способа можно пояснить на примере функциональной схемы автономной СЭП, изображенной на фиг. 1.

Устройство содержит первичный источник ограниченной мощности, например, солнечную батарею 1, состоящую из секций 1_1…1_m, подключенную к нагрузке 2 через диоды РД1…РД_т, в цепи каждой секции соответственно, и выходной фильтр 3. Вторичный источник электроэнергии, например, аккумуляторные батареи АБ 4/1 и 4/2 подключены плюсом через зарядные стабилизаторы тока СТ 5/1 и 5/2 к секциям 1_1…1_m через диоды Д_1…Д_m шина соединенных батарей солнечных (СБС) и через разрядные устройства 6/1, 6/2 к фильтру 3. Регулятор мощности батареи солнечной (РМБС) 7, включенный между солнечной батареей 1 и нагрузкой 2, разделен на K_1…K_m единичных силовых ключей-короткозамыкателей, которые подключены к каждой соответствующей секции БС. РМБС представляет собой силовой электронный ключ, управляемый сигналом от общей схемы управления (на чертеже на показана), обеспечивающей необходимую точность стабилизации напряжения на нагрузке. Предусмотрена, резервная ячейка К_m+1, питаемая от шины СБС.

Разрядное устройство представляет собой двухтактный регулятор повышающего типа с высоким КПД (не ниже 0,97), активируется ШИМ-модулятором. Имеет в своем составе несколько ячеек на каждую АБ. При недостаче или полном отсутствии энергии от БС стабилизация напряжения на нагрузке, в режиме ТЕНЬ, обеспечивается РУ через общую схему управления СЭП.

Зарядное устройство ЗУ 5/1 и 5/2 содержит несколько ячеек 1_1…1_m на каждую АБ. Ячейки построены на независимых стабилизаторах тока СТ с высоким КПД (не ниже 0,96), не имеющие перекрестных обратных связей в схеме управления, не имеющие контура управления по избыточной мощности БС, с питанием от шины СБС, объединенной через диоды Д_1…Д_m. Все ячейки настроены на одинаковый ток. Управление зарядом АБ реализуется командами «включение-отключение» необходимого количества ячеек.

При включении ЗУ разрешается работа заданного количества стабилизаторов СТ, обеспечивающих ток заряда АБ. Изменение тока заряда при выдаче соответствующих команд реализуется изменением количества подключенных СТ. В связи с тем, что напряжение на АБ ниже чем на нагрузке, то при включении СТ часть мощности работающих секций БС через шину СБС передается на заряд АБ. Недостающая для нагрузки мощность, компенсируется путем подключения необходимого количества секций регулятором РМБС.

В способе реализован так называемый «зонный» принцип регулирования напряжения на нагрузке и определяется зонами регулирования РМБС, РКМ, РУ, ЗУ следующим образом.

Работа в зоне РМБС.

Переход в режим «Солнце» сопровождается увеличением мощности БС. Появляется и увеличивается ток СТ. Напряжение на шине СБС близко к напряжению АБ, выходные диоды РМБС заперты. Мощность нагрузки полностью обеспечивается РУ за счет разряда АБ и появившегося (нарастающего) тока стабилизаторов СТ зарядного устройства.

По мере увеличения мощности БС СТ увеличивают выходной ток до тока стабилизации. При достижении мощности БС, равной мощности нагрузки, ток разряда АБ снижается до нуля. Ток СТ полностью уходит через РУ в нагрузку, стабилизация выходного напряжения обеспечивается РУ.

По достижении мощности БС значения, достаточного для питания нагрузки и заряда АБ полным током, ток РУ снижается до нуля, стабилизация выходного напряжения полностью обеспечивается РМБС.

Работа в зоне ЗУ.

При возникновении дефицита мощности БС (деградация БС), начало перехода в режим ТЕНЬ, потеря ориентации КА, ключи электронных коммутаторов РМБС запираются. Ток всех секций БС идет в нагрузку и на заряд АБ. Недостаток мощности БС для нагрузки восполняется током РУ. Необходимая для нагрузки часть тока, подключенных на заряд АБ стабилизаторов СТ, через РУ возвращается в нагрузку, оставшаяся (разностная) часть тока СТ идет на заряд АБ. По мере изменения избытка мощности соотношение этих частей тока СТ будет изменяться из условия обеспечения стабильного напряжения на нагрузке. Данный режим может сохраняться длительное время, СЭП работает в зоне ЗУ. Статические и динамические параметры обеспечиваются РУ.

Предельное состояние при таком способе управления избытком мощности - весь ток СТ через РУ возвращается в нагрузку. В этот момент начинается разряд АБ.

Из изложенного видно, что в зоне ЗУ стабилизаторы тока СТ не участвуют непосредственно в стабилизации напряжения на нагрузке, эту роль выполняет РУ.

Исключение функции ЗУ в части стабилизации напряжения нагрузки уменьшает зону нечувствительности в диапазоне регулирования общей схемы управления, что равносильно повышению быстродействия СЭП и повышению качества выходного напряжения при смене режимов и изменения тока нагрузки.

При передаче энергии БС последовательно через ЗУ и ключи РУ в нагрузку возникают дополнительные потери мощности (как в прототипе). При полном заряде АБ потери мощности существенно уменьшаются при высоких КПД ЗУ и РУ. Исключение реализуется последовательным уменьшением тока заряда командами, используя данные телеметрии о токе и напряжении АБ при входе СЭП в режим компенсации мощности (РКМ).

Зона РКМ.

Дальнейшее уменьшение мощности БС сопровождается уменьшением тока БС, отдаваемого в нагрузку, уменьшением тока СТ, идущего на вход РУ, и увеличением разрядного тока. СЭП работает в зоне РКМ.

Зона РУ.

При снижении выходной мощности БС до нуля прекращается ток СТ. Статические и динамические выходные параметры СЭП в этом режиме обеспечиваются РУ.

Техническим результатом заявленного изобретения является исключение из зоны управления СЭП функции зарядного устройства по стабилизации напряжения на нагрузке при дефиците мощности БС, что значительно упрощает электрическую схему ЗУ; улучшение динамических характеристик общей схемы управления; повышение надежности СЭП.

Использование: в области электротехники для космических аппаратов (КА). Технический результат - повышение быстродействия и функциональной надежности системы электропитания (СЭП) при упрощении электрических схем. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, использующий зарядные (ЗУ) и разрядные устройства (РУ). Согласно изобретению в составе ЗУ применяют независимые стабилизаторы тока (СТ), управляют ими командами включение-отключение, а общий ток ЗУ регулируют изменением количества включенных СТ. Питают СТ от шины, объединенной через диоды. Анализ степени заряженности АБ и установку тока заряда ЗУ выполняют, используя данные телеметрии о токе и напряжении АБ. 1 ил.

Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи (БС), и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи (АБ), заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке регулятором мощности батареи солнечной, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, использующий разрядные (РУ) и зарядные (ЗУ) устройства, отличающийся тем, что в составе ЗУ применяют независимые стабилизаторы тока (СТ), не имеющие контура управления по избыточной мощности БС, питают СТ от шины, объединенной через диоды, управляют зарядом АБ включением-отключением необходимого количества ячеек.