Устройство накопления электроэнергии Российский патент 2023 года по МПК H02J7/35 

Изобретение относится к космической технике, в частности к системам электроснабжения космических аппаратов различных типов, а также к источникам питания с автономных устройств. Устройство может входить в состав систем электроснабжения космических аппаратов различных типов, а также в качестве источника питания для различных устройств с автономным электропитанием.

Известен комбинированный накопитель электрической энергии (фиг. 1) на основе аккумуляторной батареи 1, ионистора 2 и электролитического конденсатора 3 (аналог), предназначенный для микросварки (А.Ф., Бондаренко Комбинированный накопитель энергии на основе ионистора для установок контактной микросварки / А.Ф. Бондаренко, П.С. Сафронов, Ю.В. Бондаренко, В.Н. Сидорец // МНПК «Современные информационные и электронные технологии» - Одесса, 2013). Он представляет собой блок 4, в который входят ионистор и электролитический конденсатор. За счет параллельного подключения блока 4 и аккумуляторной батареи 1 к импульсной нагрузке 5 существенно расширяются возможности по питанию в различных режимах работы. К недостатку можно отнести то, что такое подключение ведет к постепенному уменьшению амплитуды импульса тока, создаваемого источниками для питания импульсной нагрузки.

Известен стабилизированный комбинированный источник электропитания (аналог) (патент №2488198 РФ, МКИ Н01M10/00 Стабилизированный комбинированный источник электропитания / Лазарев А.Н., Салихов Р.С., Гром Ю.И., Глушко А.И.; заявлено 23.05.2012 г.; опубл. 20.07.2013 г.). Стабилизированный комбинированный источник электропитания (фиг. 2), содержащий клеммы для подключения внешнего зарядного устройства 1, ионистор 6 с управляемым элементом на входе, устройство стабилизации напряжения на нагрузке 5. Дополнительно содержит резервный накопитель энергии - аккумулятор 4, реле напряжения аккумулятора и реле тока заряда аккумулятора, контакты которых введены соответственно в цепь заряда аккумулятора 4 и ионистора 6, а также стабилизированные преобразователи напряжения в качестве устройств стабилизации напряжения на нагрузке, каждый из которых имеет на входе управляемый электронный ключ, при этом реле напряжения аккумулятора содержит дополнительный перекидной контакт, который введен в общую цепь питания всех стабилизированных преобразователей напряжения (блок 3). К недостатку этой схемы можно отнести то, что ионистор 6 не может компенсировать просадку напряжения при резком увеличении нагрузки 7, так как блок 3 не обеспечивает совместной работы ионистора и аккумуляторной батареи на общую нагрузку.

Наиболее близким по технической сущности является устройство автономного питания (патент №2692866 С1 РФ, МПК F03D 9/19 Устройство автономного питания / Жданкин Е.В., Устинов Д.А., Вельский А.А.; заявлено 08.06.2019 г.; опубл. 28.09.2019 г.). Устройство автономного электропитания (Фиг. 3), содержащее ветрогенератор 2, преобразователь солнечной энергии в электрическую 1, блок заряда аккумуляторных батарей (АБ) 3, аккумуляторные батареи 4, выходы которых соединены с нагрузкой 9 (через инвертор напряжения и распределительное устройство 8), и узел управления 7. Дополнительно введены блок заряда суперконденсаторов 5 и блок суперконденсаторов 6, при этом блок заряда суперконденсаторов (ионисторов) 6 подключен входом параллельно блоку заряда АБ 3 к ветрогенератору 2 и преобразователю солнечной энергии в электрическую 1, а выходом соединен с входом блока суперконденсаторов 6, выход которого соединен с входом блока заряда АБ 3. Такое решение позволяет компенсировать просадку напряжения при резком увеличении нагрузки 9. Недостатком данной схемы является то, что при питании нагрузки от блока ионисторов часть энергии пойдет на заряд аккумуляторной батареи, что существенно снижает качество и надежность питания потребителя. Также данная схема не обеспечивает независимое питание импульсной нагрузки. Кроме того, возможны ситуации, когда включение нагрузки, работающей в импульсном режиме, подвергает кратковременному разряду аккумуляторную батарею. За этим следует оперативный заряд АБ, восполняющий ее емкость. В результате количество циклов заряд-разряд увеличивается, что приводит к сокращению срока службы АБ, а следовательно и к снижению срока активного функционирования всего объекта в целом.

Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение сроков службы применяемых накопителей, заряжаемых от оптимально согласованных источников электрической энергии, повышении эффективности накопления и использования электрической энергии, на основе совместного использования АБ и блока ионисторов в штатных системах электроснабжения космических аппаратов различных типов и других устройств с автономным питанием для накопления электрической энергии, поступающей в постоянном или импульсном режиме, с возможностью ее использования для раздельного питания потребителей в зависимости от характера их нагрузки.

Технический результат достигается тем, что управляющее устройство дополнительно содержит формирователь сигналов управления, блок заряда-разряда АБ, блок заряда-разряда ионисторов, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи, причем выход фотоэлектрического преобразователя подключен к первым входам первого и второго ключей, выход первого ключа соединен со входом блока заряда-разряда АБ, выход второго ключа с входом блока заряда-разряда ионисторов, выход блока заряда-разряда АБ соединен с первыми входами третьего и четвертого ключей, выход третьего ключа соединен со входом постоянной нагрузки, выход четвертого ключа соединен со входом импульсной нагрузки, выход блока заряда-разряда ионисторов соединен с первыми входами пятого и шестого ключей, выход пятого ключа соединен со входом постоянной нагрузки, выход шестого ключа соединен со входом импульсной нагрузки, вход-выход блока заряда-разряда АБ подключен к входу-выходу блока АБ, вход-выход блока заряда-разряда ионисторов подключен к входу-выходу блока ионисторов, вторые входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ключей соединены с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым выходами формирователя сигналов управления, первый вход формирователя сигналов управления соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя, второй и третий входы формирователя сигналов управления соединены со входами постоянной и импульсной нагрузок соответственно;

- формирователь сигналов управления содержит блок датчиков фотоэлектрического преобразователя, блок датчиков нагрузок и микропроцессорное устройство управления, причем вход блока датчиков фотоэлектрического преобразователя соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя, а его выход с первым входом микропроцессорного устройства управления, первый и второй входы блока датчиков нагрузок соединены с входами нагрузок, а его выход со вторым входом микропроцессорного устройства управления.

Устройство накопления электрической энергии (комбинированный накопитель) пояснено следующими фигурами:

Фиг. 4 - структурная схема комбинированного накопителя, где:

1 - фотоэлектрический преобразователь;

2 - управляющее устройство;

3 - блок АБ;

4 - блок ионисторов;

5 - постоянная нагрузка;

6 - импульсная нагрузка.

Фиг. 5 - структурная схема управляющего устройства, где:

7 - формирователь сигналов управления;

8 - блок заряда-разряда АБ;

9 - блок заряда-разряда ионисторов;

10-15 - ключи;

Фиг. 6 - структурная схема формирователя сигналов управления, где:

16 - блок датчиков фотоэлектрического преобразователя;

17 - микропроцессорное устройство управления;

18 - блок датчиков нагрузок.

Устройство накопления электрической энергии (комбинированный накопитель) содержит фотоэлектрический преобразователь 1, блок АБ 3, блок ионисторов 4, постоянную 5 и импульсную 6 нагрузки, управляющее устройство 2 первый вход которого подключен к выходу фотоэлектрического преобразователя 1, первый и второй выходы к входам постоянной 5 и импульсной 6 нагрузок соответственно, первый вход-выход к входам-выходам блока АБ 3, второй вход-выход к входу-выходу блока ионисторов 4.

Управляющее устройство 2 содержит формирователь сигналов управления 7, блок заряда-разряда АБ 8, блок заряда-разряда ионисторов 9, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи (10-15), причем выход фотоэлектрического преобразователя 1 подключен к первым входам первого 10 и второго 11 ключей, выход первого ключа 10 соединен со входом блока заряда-разряда АБ 8, выход второго ключа 11 с входом блока заряда-разряда ионисторов 9, выход блока заряда-разряда АБ 8 соединен с первыми входами третьего 12 и четвертого 13 ключей, выход третьего ключа 12 соединен со входом постоянной нагрузки 5, выход четвертого ключа 13 соединен со входом импульсной нагрузки 6, выход блока заряда-разряда ионисторов 9 соединен с первыми входами пятого 14 и шестого 15 ключей, выход пятого ключа 14 соединен со входом постоянной нагрузки 5, выход шестого ключа 15 соединен со входом импульсной нагрузки 6, вход-выход блока заряда-разряда АБ 8 подключен к входу-выходу блока АБ 3, вход-выход блока заряда-разряда ионисторов 9 подключен к входу-выходу блока ионисторов 4, вторые входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ключей соединены с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым выходами формирователя сигналов управления 7, первый вход формирователя сигналов управления 7 соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя 1, второй и третий входы формирователя сигналов управления 7 соединены со входами постоянной 5 и импульсной нагрузок 6 соответственно.

Формирователь сигналов управления 7 содержит блок датчиков фотоэлектрического преобразователя 16, блок датчиков нагрузок 17 и микропроцессорное устройство управления 18, причем вход блока датчиков фотоэлектрического преобразователя 16 соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя 1, а его выход с первым входом микропроцессорного устройства управления 18, первый и второй входы блока датчиков нагрузок 17 соединены с входами нагрузок 5 и 6, а его выход со вторым входом микропроцессорного устройства управления 18.

При появлении светового потока на фотоэлектрическом преобразователе 1, управляющее устройство 2 определяет режим работы комбинированного накопителя. В случае непрерывного светового потока через ключ 10 подключается ЗРУ 8 и электрическая энергия накапливается в блоке АБ 3. В случае импульсного светового потока через ключ 11 подключается ЗРУ 9 и электрическая энергия накапливается в блоке ионисторв 4. Выбор режима работы накопления определяет формирователь сигналов управления 7, исходя из данных полученных блоком датчиков фотоэлектрического преобразователя 16, на основании которых микропроцессорное устройство управления 18 выдает управляющее воздействие на ключи 10 и 11. Режим подключения постоянной 5 и импульсной нагрузок 6 соответственно определяется временным графиком работы потребителей (циклограммой). В соответствии с ним возможно осуществить согласованный выбор определенной нагрузи для определенного накопителя. Для этого в случае выбора постоянной нагрузки 5, формирователь сигналов управления 7, с учетом информации блока датчиков 17 и работы микропроцессорного устройства управления 18, обеспечит передачу электрической энергии на нагрузку 5 от блока АБ 3 через ЗРУ 8 и ключ 12. В случае выбора импульсной нагрузки 6, формирователь сигналов управления 7, с учетом информации блока датчиков 17 и работы микропроцессорного устройства управления 18, обеспечит передачу электрической энергии на нагрузку 6 от блока ионисторов 4 через ЗРУ 9 и ключ 15. Ключи 13 и 14 позволяют в случае отказа одного из накопителей 3 или 4 осуществить при управляющем воздействии формирователя сигналов управления 7 подключить через ключ 13 ЗРУ 8 к импульсной нагрузке 6 и через ключ 14 ЗРУ 9 к постоянной нагрузке 5.

Предложенная схема при работе в штатном режиме позволяет:

- заряжать блок АБ 3 от фотоэлектрического преобразователя 1 (солнечной батареи) при приеме непрерывного светового потока;

- питать постоянную нагрузку 5 от блока АБ 3;

- заряжать блок ионисторов 4 от фотоэлектрического преобразователя (солнечной батареи) при приеме импульсного светового потока;

- питать импульсную нагрузку 6 от блока ионисторов 4.

В нештатном (аварийный режим, при котором один из накопителей вышел из строя) режиме предложенная схема позволяет:

- питать постоянную нагрузку 5 от блока ионисторов 4;

- питать импульсную нагрузку 6 от АБ 3.

Непрерывный режим фотоэлектрического преобразователя 1 предполагается на освещенном участке орбиты космического аппарата, а импульсный режим на теневом участке орбиты.

Предложенная схема комбинированного накопителя электрической энергии позволяет заряжать аккумулирующую систему для обеспечения нештатной (аварийной) работы потребителей, а также обеспечения потребителей электроэнергии расширенной номенклатурой питающих напряжений.

Комбинированный накопитель электрической энергии может быть использован (реализован) на всех типах существующих и перспективных космических аппаратов различного назначения с внесением несущественных изменений в систему электроснабжения и конструкцию космических аппаратов, что незначительно повлияет на увеличение их массогабаритных характеристик.

Практическая реализация функциональных узлов предлагаемого изобретения может быть выполнена следующим образом. В качестве источника постоянной электроэнергии может служить солнечная батарея, собранная на основе фотоэлектрических преобразователей [3]. Для аккумулирования электрической энергии используется литий-ионные батареи и производимые в настоящий момент промышленностью ионисторы [1-2]. Управляющее устройство 2 может быть реализовано на основе микропроцессорного устройства управления (МПУУ), датчиков тока и напряжений, электронных коммутаторов (ключей), построенных на основе составных транзисторов. В качестве МПУУ можно использовать изделия фирмы ATMEL (AVR) [4].

Так, микроконтроллер данной фирмы Tiny AVR имеет FLASH-память программ объемом 1-2 Кбайта (число циклов стирания/записи не менее 1000), оперативную память (статическое ОЗУ) объемом 1-2 Кбайта и память данных EEPROM объемом 64 байта, при геометрических размерах менее 1 см² и весе несколько грамм. Данного количества памяти достаточно для вводимых исходных данных заданной циклограммы работы. Для программирования указанных микроконтроллеров можно использовать аппаратные средства (программаторы STK-500, STK-50, ICE50, AS2) и программные средства (AVR Studio, ICC AVR, System Designer).

Преимущества использования устройства накопления электрической энергии (комбинированного накопителя) основаны на применении управляющего устройства, которое позволяет обеспечить согласованное подключение заданного типа накопителей для накопления электрической энергии, поступающей в постоянном или импульсном режиме, с возможностью ее использования для раздельного питания потребителей в зависимости от характера их нагрузки.

Примечание:

Источники информации, принятые при составлении описания и формулы изобретения.

1. Pay S., Baghzouz Y. Effectiveness of Battery-Supercapacitor Combination in Electric Vehicles // IEEE Bologna Power Tech Conference. - Italy, Bologna. - 2003. - P. 385-390.

2. Рыкованов, A.H. Системы питания Li-ion аккумуляторных батарей / A.H. Рыкованов // Силовая Электроника. - 2009. - №1.

3. Чилин, Ю.Н. Моделирование и оптимизация в энергетических системах КА / Ю.Н. Чилин.- СПб.: ВИКА, 1995. - 277 с.

4. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы «АТМЕL» - М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2004.

Изобретение может быть использовано в космической технике и входить в состав систем электроснабжения космических аппаратов различных типов, а также в качестве источника питания для различных автономных устройств. Устройство накопления электрической энергии содержит фотоэлектрический преобразователь, блок аккумуляторных батарей, блок ионисторов, управляющее устройство, которое дополнительно содержит формирователь сигналов управления, блок заряда-разряда аккумуляторных батарей, блок заряда-разряда ионисторов и ключи, причем формирователь сигналов управления путем включения-отключения ключей обеспечивает раздельный заряд блока аккумуляторных батарей и блока ионисторов от фотоэлектрического преобразователя в различных режимах приема светового излучения, непрерывного или импульсного, а также разряд блоков аккумуляторных батарей и ионисторов через соответствующие зарядно-разрядные устройства на постоянной и импульсной нагрузках соответственно. В случае выхода из строя одного из накопителей формирователь сигналов управления обеспечивает их перекрестную коммутацию к нагрузкам. Техническим результатом предложенного изобретения является увеличение сроков службы применяемых накопителей, заряжаемых от оптимально согласованных источников электрической энергии, повышение эффективности накопления и использования электрической энергии на основе совместного использования блока аккумуляторных батарей и блока ионисторов в системах электроснабжения для накопления электрической энергии, поступающей в постоянном или импульсном режиме, с возможностью ее использования для раздельного питания потребителей в зависимости от характера их нагрузки. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство накопления электроэнергии, содержащее фотоэлектрический преобразователь, блок аккумуляторных батарей, блок ионисторов, управляющее устройство, отличающееся тем, что управляющее устройство дополнительно содержит формирователь сигналов управления, блок заряда-разряда аккумуляторных батарей, блок заряда-разряда ионисторов, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи, причем выход фотоэлектрического преобразователя подключен к первым входам первого и второго ключей, выход первого ключа соединен с входом блока заряда-разряда аккумуляторных батарей, выход второго ключа с входом блока заряда-разряда ионисторов, выход блока заряда-разряда аккумуляторных батарей соединен с первыми входами третьего и четвертого ключей, выход третьего ключа соединен с входом постоянной нагрузки, выход четвертого ключа соединен с входом импульсной нагрузки, выход блока заряда-разряда ионисторов соединен с первыми входами пятого и шестого ключей, выход пятого ключа соединен с входом постоянной нагрузки, выход шестого ключа соединен с входом импульсной нагрузки, вход-выход блока заряда-разряда аккумуляторных батарей подключен к входу-выходу блока аккумуляторных батарей, вход-выход блока заряда-разряда ионисторов подключен к входу-выходу блока ионисторов, вторые входы первого, второго, третьего, четвертого, пятого и шестого ключей соединены с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым выходами формирователя сигналов управления, первый вход формирователя сигналов управления соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя, второй и третий входы формирователя сигналов управления соединены с входами постоянной и импульсной нагрузок соответственно.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что формирователь сигналов управления содержит блок датчиков фотоэлектрического преобразователя, блок датчиков нагрузок и микропроцессорное устройство управления, причем вход блока датчиков фотоэлектрического преобразователя соединен с выходом фотоэлектрического преобразователя, а его выход с первым входом микропроцессорного устройства управления, первый и второй входы блока датчиков нагрузок соединены с входами нагрузок, а его выход со вторым входом микропроцессорного устройства управления.