Способ питания нагрузки постоянным током в составе автономной системы электропитания искусственного спутника земли и автономная система электропитания для его реализации

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Предлагается способ питания нагрузки постоянным током в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из «n» вторичных источников электроэнергии - литийионных аккумуляторных батарей, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряд-разрядных циклов через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, контроле напряжения аккумуляторных батарей и ограничении заряда и разряда аккумуляторных батарей по заданным значениям зарядного и разрядного напряжения. Кроме того, предлагается автономная система электропитания, содержащая солнечную батарею, связанную с нагрузкой через стабилизированный преобразователь напряжения, «n» аккумуляторных батарей, подключенных через «n» зарядных преобразователей к солнечной батарее, а через «n» разрядных преобразователей к нагрузке, причем каждая аккумуляторная батарея состоит из «m» последовательно соединенных аккумуляторов, имеющих размыкающиеся контакты реле в последовательной цепи и замыкающиеся контакты реле, охватывающие каждый аккумулятор вместе с его, соединенным последовательно, размыкающимся контактом. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания. Технический результат достигается тем, что при достижении в процессе разряда напряжения какой-либо аккумуляторной батареи заданного нижнего значения на ней стабилизируют это напряжение. При этом в автономную систему электропитания дополнительно введен стабилизатор напряжения, подключенный входом к аккумуляторным батареям через «n» развязывающих, в направлении протекания разрядного тока, устройств, а выходом подключенный к аккумуляторным батареям через «n» развязывающих, в направлении протекания зарядного тока, устройств. Суть предлагаемого решения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема автономной системы электропитания, поясняющая работу по предлагаемому способу. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).

В настоящее время в космической технике идет процесс создания связных спутников Земли с большой выходной мощностью (10-25 кВт) и длительным (10-15 лет) ресурсом работы.

Эта задача, в отношении автономной системы электропитания ИСЗ, может быть успешно решена только при условии применения солнечных батарей на базе многокаскадных арсенидгаллиевых фотопреобразователей, литийионных аккумуляторных батарей и совершенствования системы автоматики, согласующей работу указанных источников с обеспечением стабильного напряжения на входах потребителей электроэнергии.

Известны способы питания нагрузки постоянным, стабильным напряжением, реализуемые системами питания нагрузки постоянным током, описанными в «Системы электропитания космических аппаратов, Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г.» [1].

Известные способы питания нагрузки постоянным током, предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа.

Известен способ питания нагрузки постоянным током предусматривающий наращивание мощности автономной системы электропитания установкой дополнительных модулей с обеспечением их равномерной загрузки (см. [1] главу 2, п.2, 5).

Наиболее близким техническим решением является способ питания нагрузки постоянным током, реализованный «Автономной системой электропитания искусственного спутника Земли» (патент №2059988 от 10 мая 1996 г), который выбран в качестве прототипа.

Известные способы и автономные системы предусматривают модульное построение вторичных источников электроэнергии с индивидуальными зарядными и разрядными преобразователями.

Общим недостатком известных способов и автономных систем является то, что они не позволяют в полной мере эффективно использовать вторичные источники на базе литийионных аккумуляторных батарей и снижают удельные энерговесовые характеристики автономной системы электропитания ИСЗ.

Это обусловлено следующими эксплуатационными особенностями литийионных аккумуляторных батарей.

В отличие от широко распространенных в настоящее время в космической технике никельводородных аккумуляторных батарей, литийионные аккумуляторные батареи (точнее, их аккумуляторы) имеют жесткое ограничение по максимальному зарядному и минимальному разрядному напряжениям (см. «Li-ионные аккумуляторы, Красноярск, ИПК «Платина», 2002 г.» [2]).

Однако для обеспечения длительного ресурса работы аккумуляторной батареи (10 лет и более) необходимо ограничение глубины ее разряда, которая зависит от нескольких эксплуатационных факторов. Наиболее важные из них: количество циклов заряд-разряд, температура аккумуляторов, токи заряда и разряда.

Из практики проектирования и эксплуатации современных ИСЗ максимальное значение глубины разряда составляет, например, для геостационарных ИСЗ (100 циклов в год, а срок службы 10-15 лет) - 0,7-0,8 от номинальной емкости. Этот факт позволяет при эксплуатации литийионных аккумуляторных батарей руководствоваться разрядным напряжением всей аккумуляторной батареи, а появление в этом случае аккумулятора с напряжением, равным его нижней (критичной) величине, свидетельствует о неисправности этого аккумулятора. Такой аккумулятор подлежит исключению из последовательной цепи аккумуляторной батареи путем размыкания его размыкающегося контакта реле и замыкания его замыкающегося контакта реле.

При деградации в процессе эксплуатации ИСЗ емкостных характеристик какой-либо аккумуляторной батареи и достижении этой батареей в процессе разряда большим током нижнего значения уровня напряжения имеющуюся в ней остаточную энергию невозможно использовать, так как дальнейший разряд текущим режимом недопустим. В результате возможность выполнения ИСЗ своих целевых функций может быть ограничена.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания.

Поставленная задача достигается тем, что при достижении в процессе разряда напряжения какой-либо аккумуляторной батареи заданного нижнего значения на ней стабилизируют это напряжение.

При этом в автономную систему электропитания дополнительно введен стабилизатор напряжения, подключенный входом к аккумуляторным батареям через «n» развязывающих, в направлении протекания разрядного тока, устройств, а выходом подключенный к аккумуляторным батареям через «n» развязывающих, в направлении протекания зарядного тока, устройств.

Действительно, прекращение разряда аккумуляторной батареи в момент достижения на ней напряжения, равного нижнему заданному значению, не позволяет в полной мере использовать имеющуюся в ней емкость. При стабилизации же напряжения на этой аккумуляторной батарее разряд ее будет продолжаться падающим током, что позволит в полной мере использовать ее остаточную емкость, соответственно, повысив эффективность использования этой аккумуляторной батареи.

Кроме того, в автономной системе электропитания при такой технологии работы остается загруженным, в том числе, и разрядный преобразователь полностью разряженной аккумуляторной батареи, что позволяет не увеличивать мощность каждого разрядного преобразователя для обеспечения потребления нагрузки при полном разряде какой-либо (каких-либо) аккумуляторной батареи. Это повышает удельные энергетические характеристики автономной системы электропитания.

На чертеже представлена функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ, реализующая заявляемое изобретение.

Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 4₁-4_n, подключенные через зарядные преобразователи 5₁-5_n к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6₁-6_n к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.

При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.

Аккумуляторные батареи 4₁-4_n состоят из последовательно соединенных аккумуляторов, замыкающихся и размыкающихся контактов реле (на чертеже позиции не указаны).

Параллельно аккумуляторным батареям 4₁-4_n подключены устройства контроля и управления аккумуляторных батарей 7₁-7_n, связанные с аккумуляторными батареями 4₁-4_n для контроля напряжения и температуры аккумуляторной батареи, и ее аккумуляторов, и управления замыкающимися и размыкающимися контактами реле, а выходом с нагрузкой 2.

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

Зарядные преобразователи 5₁-5_n состоят из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе Тр, транзисторах Т1 и Т2, и выпрямителя на диодах D1 и D2.

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

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра С1 и выходного фильтра на диоде D, дросселе L и конденсаторе С.

Схемы управления: 10 зарядных преобразователей 5₁-5_n, 12 - разрядных преобразователей 6₁-6_n, 14 - преобразователя напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5₁-5_n дополнительно связаны с измерительными шунтами 8₁-8_n и нагрузкой 2.

Кроме того, автономная система электропитания ИСЗ содержит в своем составе стабилизатор напряжения 15, подключенный входом к аккумуляторным батареям 4₁-4_n через «n» развязывающих, в направлении протекания разрядного тока, устройств 16₁-16_n, а выходом - к аккумуляторным батареям через «n» развязывающих, в направлении протекания зарядного тока, устройств 17₁-17_n, связанный по управлению с нагрузкой (бортовая ЭВМ, система телеметрии и командно-измерительная радиолиния). Развязывающие устройства в направлении протекания разрядного тока 16₁-16_n и зарядного тока 17₁-17_n - это диодные или транзисторные цепи.

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 преобразователи 5₁-5_n. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или при прохождении штатных теневых участков орбиты.

Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через преобразователь напряжения 3.

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

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

При снижении напряжения какой-либо аккумуляторной батареи 4₁-4_n в процессе разряда до нижнего контролируемого уровня включается стабилизатор напряжения 15. При этом питание стабилизатора напряжения 15 (поступающее на клемму «вх») будет браться с аккумуляторной батареи (батарей), имеющей наибольшее напряжение, благодаря наличию развязывающих, в направлении протекания разрядного тока, устройств 16₁-16_n. С выхода (клемма «вых») стабилизатора напряжения 15 стабилизированное на уровне нижнего разрядного напряжения аккумуляторных батарей (с учетом падения напряжения на развязывающих устройствах) напряжение через развязывающие устройства в направлении протекания разрядного тока 17₁-17_n поступает на все аккумуляторные батареи, однако ток будет протекать только в направлении аккумуляторных батарей, достигших нижнего разрядного напряжения.

При этом ток разряда разряженной батареи постепенно снизится до нуля и дальнейшая работа соответствующего разрядного преобразователя будет осуществляться от стабилизатора напряжения.

В случае отключения какого-либо аккумулятора из последовательной цепи аккумуляторной батареи величина стабилизируемого напряжения для этой аккумуляторной батареи уменьшается пропорционально снижению числа аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Таким образом, предлагаемый способ и автономная система электропитания ИСЗ позволяют повысить эффективность использования аккумуляторных батарей и удельные энергетические характеристики самой автономной системы электропитания.

1. Способ питания нагрузки постоянным током в составе автономной системы электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из «n» вторичных источников электроэнергии - литий ионных аккумуляторных батарей, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряд-разрядных циклов через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, контроле напряжения аккумуляторных батарей и их аккумуляторов и ограничении заряда и разряда аккумуляторных батарей по заданным значениям зарядного и разрядного напряжения, отличающийся тем, что при достижении в процессе разряда напряжения какой-либо аккумуляторной батареи заданного нижнего значения, на ней стабилизируют это напряжение.

2. Автономная система электропитания для реализации способа по п.1, содержащая солнечную батарею, связанную с нагрузкой через стабилизированный преобразователь напряжения, «n» аккумуляторных батарей, подключенных через «n» зарядных преобразователей к солнечной батарее, а через «n» разрядных преобразователей к нагрузке, причем каждая аккумуляторная батарея состоит из «т» последовательно соединенных аккумуляторов, имеющих размыкающиеся контакты реле в последовательной цепи и замыкающиеся контакты реле, охватывающие каждый аккумулятор вместе с его соединенным последовательно размыкающимся контактом, отличающаяся тем, что дополнительно введен стабилизатор напряжения, подключенный входом к аккумуляторным батареям через «n» развязывающих, в направлении протекания разрядного тока, устройств, а выходом подключенный к аккумуляторным батареям через «n» развязывающих, в направлении протекания зарядного тока, устройств.