Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи

 

Область использования: система может быть использована для электропитания потребителей от фотоэлектрической батареи, эксплуатируемой длительное время при существенном изменяющихся условий эксплуатации. Сущность изобретения: система содержит фотоэлектрическую и аккумуляторную батареи, последовательный регулятор напряжения для питания нагрузки от фотоэлектрической батареи, зарядное и разрядное устройства. Экстремальное регулирование мощности фотоэлектрической батареи (отбор максимально возможной мощности в текущих условиях эксплуатации) осуществляется зарядным устройством или регулятором напряжения. Разделение поддиапазонов регулирования напряжения зарядным устройством и регулятором напряжения с помощью двух нелинейных элементов обеспечивает повышение надежности работы системы при существенном упрощении ее схемной реализации. Поддиапазоны регулирования напряжения фотоэлектрической батареи с помощью регулятора напряжения и зарядного устройства не пересекаются при изменении напряжения фотоэлектрической батареи во всем диапазоне поиска максимума ее мощности, при воздействии любых дестабилизирующих факторов. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах для электропитания потребителей от системы, содержащей аккумуляторную и фотоэлектрическую батареи, эксплуатируемые длительное время при существенно изменяющихся условиях эксплуатации.

Известна система электропитания (СЭП), содержащая фотоэлектрическую и аккумуляторную батареи, зарядное и разрядное устройства, а также схему управления, обеспечивающую стабилизацию выходного напряжения системы (фиг.3) [1] где 1 фотоэлектрическая батарея (БФ); 2 регулятор напряжения (РН); 3 нагрузка системы электропитания; 4 зарядное устройство (ЗУ); 5 - аккумуляторная батарея (АБ); 6 разрядное устройство (РУ); 7 экстремальный регулятор мощности (ЭРМ); 8 первый сумматор; 9 первый усилитель сигнала ошибки (УСО1); 10 источник опорного напряжения, задающий поддиапазон регулирования выходного напряжения СЭП регулятором напряжения (U оп); 11 - второй сумматор; 12 второй усилитель сигнала ошибок (УСО2); 13 нелинейный элемент; 14, 15 первый и второй модуляторы; 16 источник опорного напряжения, задающий поддиапазон регулирования напряжения БФ зарядным устройством (U опзу); 17 источник опорного напряжения, задающий поддиапазон регулирования напряжения БФ регулятором напряжения (U опрн); 18 третий сумматор; 19 третий усилитель сигнала ошибок (УСО3).

Достоинством данной СЭП является то, что при изменении вольтамперной характеристики БФ под воздействием дестабилизирующих факторов (температура, старение и т.д.), рабочее (текущее) напряжение БФ поддерживается с помощью силовых устройств РН и ЗУ вблизи его оптимального значения, при котором БФ генерирует максимально возможную в данных условиях мощность. Тем самым реализуется режим экстремального регулирования мощности БФ.

Первые входы первого 8 и третьего 18 сумматоров подключены к шине фотоэлектрической батареи 1.

Вторые входы этих сумматоров подключены к выходу экстремального регулятора мощности 7, который и определяет величину оптимального напряжения БФ в данных условиях функционирования.

Нелинейный элемент 13, например диод, пропускает сигнал в одном направлении от третьего усилителя сигнала ошибки 19 к входу второго сумматора 11 при определенном соотношении выходных сигналов третьего сумматора 18, а именно выходное напряжение ЭРМ, равное U_{БФ ОПТ}, превышает сумму текущего напряжения БФ (U_БФ) и выходного напряжения источника опорного напряжения 17 (U_{ОП РН}).

Принцип действия СЭП приведен на фиг. 4.

Система работает следующим образом.

При отсутствии мощности БФ (полное ее затенение) или ее нехватки для питания нагрузки напряжение на выходе СЭП стабилизируется разрядным устройством 6 с помощью своего устройства управления, обратная связь которого подключена к выходной шине СЭП (на фиг.3 не показано).

Когда мощности, генерируемой БФ, достаточно для питания нагрузки, выходное напряжение СЭП стабилизирует последовательный регулятор напряжения 2. Уровень стабилизируемого напряжения задается источником напряжения 10.

При отключенном зарядном устройстве 4 рабочее напряжение БФ превышает оптимальное значение U_БФ > U_{БФ ОПТ} и определяется текущим балансом мощности в системе P_H P_БФA (точка A на ВАХ БФ).

Избыток мощности БФ не нужен и он не используется.

При включении зарядного устройства оно начинает стабилизировать напряжение БФ на уровне, незначительно превышающем оптимальное значение (точка B на ВАХ БФ). Эта величина задается экстремальным регулятором 7 и источником 16 U_{БФ ОПТ}+U_{ОП ЗУ}.

Мощность БФ расходуется на питание нагрузки и заряд АБ.

В этих режимах работы текущее напряжение БФ превышает величину U_{БФ ОПТ}. Сигнал на выходе третьего сумматора 18 U_{БФ ОПТ} (U_{БФ B} + U_{ОП РН}) меньше нуля.

Этот отрицательный сигнал не проходит на вход второго сумматора 11 вследствие наличия нелинейного элемента 13 и не влияет на работу СЭП.

При увеличении мощности нагрузки доля мощности БФ идущей на заряд АБ уменьшается. При P_Н P_{БФ ОПТ} (точка O на ВАХ БФ) P_ЗАР 0.

При дальнейшем увеличении мощности нагрузки (P_Н > P_{БФ ОПТ}) U_БФ становится меньше U_{БФ ОПТ} в работу включается РУ, восполняя недостаток мощности.

Когда текущее напряжение БФ становится ниже величины, при которой выполняется условие U_{БФ ОПТ} (U_БФ + U_{ОП РН}) > 0, т.е. U_БФ < U_{БФ ОПТ} U_{ОП РН} (точка C на фиг.2), сигнал на выходе усилителя сигнала ошибки 19 становится положительным и через нелинейный элемент 13 поступает на выход второго сумматора 11. Этот сигнал смещает поддиапазон регулирования выходного напряжение с помощью РН до уровня поддиапазона регулирования РУ.

За счет работы силовых транзисторов РН с определенной скважностью напряжение БФ поддерживается на уровне незначительно ниже оптимального значения (точка C на ВАХ БФ).

Источники опорных напряжений 16, 17 (U_{ОП РН} и U_{ОП ЗУ}) задают положение поддиапазонов регулирования напряжения БФ с помощью ЗУ и РН на ВАХ БФ относительно ее оптимальной точки.

Недостатками данной системы являются сложность и низкая надежность.

Сложность обусловлена наличием третьего усилителя сигнала ошибки 19 и двух источников опорных напряжений 16, 17 (U_{ОП РН} и U_{ОП ЗУ}), величину которых необходимо устанавливать очень точно. В целях обеспечения малой погрешности стабилизации напряжения БФ в оптимальной точке (это определяет энергетическую эффективность использования мощности БФ) величины U_{ОП РН} и U_{ОП ЗУ} должны быть достаточно малыми.

Низкая надежность обусловлена тем, что даже при достаточно точной настройке напряжений указанных источников существует опасность параметров ЭРИ при воздействии дестабилизирующих факторов (температуры, старения, радиации и т.д.). Перекрытие же диапазонов недопустимо, так как нарушает логику функционирования СЭП и может привести, например, к разряду АБ при избытке мощности БФ.

Изобретение решает задачу упрощения системы и повышения надежности ее функционирования.

Эта задача решается за счет того, что для смещения диапазона регулирования РН при недостатке мощности БФ используется выходной сигнал имеющегося первого усилителя сигнала ошибки 9. Для этого к его выходу подключается вход дополнительно введенного нелинейного элемента.

На фиг. 1 изображена структурная схема предлагаемой системы электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи; на фиг.2 принцип действия предлагаемой системы.

Система содержит фотоэлектрическую батарею 1, соединенную через последовательный регулятор напряжения 2 с нагрузкой 3, а через зарядное устройство 4 с аккумуляторной батареей 5, подключенной к нагрузке через разрядное устройство 6.

Экстремальный регулятор мощности 7 соединен с первым входом первого сумматора 8, второй вход которого подключен к фотоэлектрической батарее, а выход соединен с входом первого усилителя сигнала ошибки 9, выход которого через первый нелинейный элемент 13 соединен с первым входом второго сумматора 11, а через второй нелинейный элемент 20 с входом первого модулятора 14, выход которого подключен к управляющему входу зарядного устройства.

Источник опорного напряжения 10 подключен ко второму входу второго сумматора, третий вход которого подключен к нагрузке, а выход через второй усилитель сигнала ошибки 12 и второй модулятор 15 соединен с управляющим входом регулятора напряжения.

Текущее напряжение БФ U_БФ подается на первый сумматор 8, где сравнивается с выходным напряжением ЭРМ (U_{БФ ОПТ}).

Сигнал разности (U_{БФ ОПТ} U_БФ) усиливается УСУ и поступает на входы нелинейных элементов (в простейшем случае в качестве нелинейных элементов могут быть использованы диоды). Нелинейный элемент 13 пропускает только положительный входной сигнал, а нелинейный элемент 20 только отрицательный.

В случае, если мощности, генерируемой БФ, достаточно для питания нагрузки, выходное напряжение СЭП стабилизирует последовательный регулятор напряжения. Напряжение БФ превышает оптимальное значение и определяется текущим балансом мощности в системе P_H=P_БФА что соответствует точке А на ВАХ БФ на фиг. 2.

При отключенном зарядном устройстве избыток мощности БФ не нужен и он не используется. При включенном зарядном устройстве этот избыток мощности используется для заряда АБ. Рабочая точка в этом случае точка В на ВАХ БФ.

Отрицательный сигнал (U_{БФ ОПТ} U_{БФ B}) не проходит через нелинейный элемент 13 на вход второго сумматора 11 и не оказывает влияния на работу регулятора напряжения.

Сумматор 11, входы которого подключены к источнику опорного напряжения 10 и нагрузке, усилитель 12 и модулятор 15 образуют широтно-импульсный модулятор, управляющий регулятором напряжения. РН стабилизирует выходное напряжение СЭП на уровне, задаваемом источником 10.

Отрицательное выходное напряжение усилителя сигнала ошибки 9 нелинейный элемент 20 поступает на вход модулятора 14.

Первый сумматор 8, усилитель сигнала ошибки 9 и первый модулятор 14 образуют широтно-импульсный модулятор, управляющий зарядным устройством. ЗУ стабилизирует напряжение БФ в диапазоне ΔU_зу расположенном выше уровня напряжения U_{БФ ОПТ}, задаваемого ЭРМ.

При увеличении мощности нагрузки доля мощности БФ, идущей на заряд АБ, уменьшается. Напряжение БФ понижается. Когда напряжение БФ станет ниже поддиапазона ΔU_зу зарядное устройство закроется. При дальнейшем повышении мощности нагрузки напряжение БФ становится ниже значения U_{БФ ОПТ}, разность (U_{БФ ОПТ} U_{БФ C}) меняет знак и нелинейный элемент 13 пропускает этот сигнал на вход второго сумматора 11. Вследствие этого диапазон регулирования выходного напряжения СЭП с помощью РН смещается вниз. Выходное напряжение СЭП понижается до уровня поддиапазона регулирования РУ. РУ стабилизирует выходное напряжение системы. РУ осуществляет питание нагрузки от БФ, поддерживая ее напряжение в диапазоне ΔU_рн Таким образом, за счет использования для смещения диапазона работы РН выходного сигнала первого усилителя сигнала ошибки 9 и разделения с помощью нелинейных элементов 13, 20 поддиапазонов регулирования РН и ЗУ обеспечивается повышение надежности работы системы при существенном упрощении ее схемной реализации.

Поддиапазоны регулирования напряжения БФ с помощью РН и ЗУ не пересекаются при любых изменениях напряжения БФ во всем диапазоне поиска максимума ее мощности.

Формула изобретения

Система электропитания с экстремальным регулированием мощности фотоэлектрической батареи, содержащая фотоэлектрическую батарею, соединенную через последовательный регулятор напряжения с нагрузкой, а через зарядное устройство с аккумуляторной батареей, которая подключена к нагрузке через разрядное устройство, экстремальный регулятор мощности, соединенный с первым входом первого сумматора, второй вход которого подключен к фотоэлектрической батарее, а выход соединен с входом первого усилителя сигнала ошибки, первый модулятор, выход которого соединен с управляющим входом зарядного устройства, второй сумматор, входы которого подключены к выходу первого нелинейного элемента, источнику опорного напряжения и нагрузке, а выход через второй усилитель сигнала ошибки и второй модулятор соединен с управляющим входом регулятора напряжения, отличающаяся тем, что к выходу первого усилителя сигнала ошибки подключены входы первого нелинейного элемента и дополнительно введенного второго нелинейного элемента, а выход последнего соединен с входом первого модулятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4