Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника земли


 


Владельцы патента RU 2476972:

Открытое акционерное общество "Информационные спутниковые системы" имени академика М.Ф. Решетнева" (RU)

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих Nакк аккумуляторов, соединенных последовательно, заключается в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи с использованием вольтодобавочных узлов. Вольтодобавочные узлы устанавливают в цепях разряда аккумуляторных батарей, при этом число аккумуляторов в последовательной цепи Nакк аккумуляторных батарей выбирают исходя из определенного соотношения. Технический результат - повышение эффективности использования аккумуляторных батарей и повышение удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

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

В настоящее время в космической технике успешно развивается процесс создания ИСЗ для решения широкого круга народнохозяйственных задач. Это связь, навигация, геодезия, картография, метеорология и многое другое.

При создании ИСЗ существенное значение имеет оптимизация системы электропитания ИСЗ, так как она занимает порядка 15-20% массы ИСЗ и во многом определяет функциональные и ресурсные возможности создаваемого спутника.

Известны способы питания нагрузки постоянным током в автономных системах электропитания ИСЗ, описанные в монографии «Системы электропитания космических аппаратов». - Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г.

Известные способы и автономные системы электропитания ИСЗ предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа.

Известен способ питания нагрузки постоянным током, реализованный «Автономной системой электропитания искусственного спутника Земли» (патент RU №2059988 от 10 мая 1996 г.).

Известная автономная система электропитания содержит солнечную батарею, подключенную к нагрузке через стабилизированный преобразователь напряжения, и «n» вторичных источников электроэнергии (аккумуляторных батарей) с индивидуальными зарядными и разрядными преобразователями, подключенными к солнечной батарее и нагрузке соответственно.

Общим недостатком известных способов является то, что они не дают рекомендаций по оптимизации аккумуляторных батарей, количества аккумуляторов в аккумуляторных батареях, что затрудняет создание системы электропитания с высокими удельными энергетическими характеристиками и высокой надежностью.

Наиболее близким техническим решением является способ питания нагрузки постоянным током (патент RU №2334337) в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и комплекта из Nаб вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих Nакк аккумуляторов, соединенных последовательно, с байпасными зарядными и разрядными цепями на каждом аккумуляторе, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряд-разрядных циклов через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, контроле аккумуляторных батарей и проведении профилактических работ с аккумуляторными батареями, при этом число аккумуляторов Nакк в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения:

Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин,

где Nакк - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;

Uн - напряжение на выходе автономной системы электропитания;

Uакк.мин - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора.

Этот способ выбран в качестве прототипа заявляемому изобретению.

Известный способ позволяет упростить разрядные преобразователи, исключив из них функцию формирования вольтодобавки (при этом в зарядных преобразователях волтодобавка, как правило, присутствует).

Известный способ был успешно реализован при напряжении на выходе системы электропитания 27 B и 40 B.

В настоящее время во всем мире идет процесс повышения напряжения на выходе системы электропитания. Это объясняется тем, что при этом пропорционально снижаются токи в бортовой аппаратуре и кабельной сети, а следовательно, и энергопотери, поскольку последние пропорциональны квадрату тока.

Анализ известного способа показывает, что количество аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи становится очень большим. Так, при Uн=100 B и использовании литий-ионных аккумуляторных батарей с Uакк.мин=2,7 B число аккумуляторов составит: Nакк≥(100+1)/2,7≥38 (для никель-водородных аккумуляторных батарей с минимальным разрядным напряжением 1 B - более 101). При этом следует иметь в виду, что с ростом числа аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи снижается ее надежность, снижаются удельные энергетические характеристики. Кроме того, пропорционально количеству аккумуляторов растет величина зарядного напряжения аккумуляторной батареи. Так, в рассматриваемом примере для обеспечения заряда литий-ионной аккумуляторной батареи напряжение должно быть не менее чем 38·4,2=160 B (аналогично и для никель-водородной аккумуляторной батареи). Переход на работу с напряжением существенно более 100 B требует замены элементной базы и совершенствования технологии работ в плане обеспечения безопасности.

Принимая во внимание перечисленные недостатки, целесообразно использовать другие критерии оптимизации количества аккумуляторов в аккумуляторных батареях для питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли.

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

Поставленная задача достигается тем, что при стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи с использованием вольтодобавочных узлов вольтодобавочные узлы устанавливают только в цепях разряда аккумуляторных батарей, при этом число аккумуляторов в последовательной цепи Nакк аккумуляторных батарей выбирают исходя из соотношения:

(Uвых.макс+ΔUр)/2Uакк.мин+1<Nакк<(Uвх.мин-ΔUз)/Uакк.макс,

где

Nакк - число аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи;

Uвх.мин - минимальное напряжение на входе автономной системы электропитания, B;

Uвых.макс - максимальное выходное напряжение автономной системы электропитания, B;

Uакк.мин - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора, B;

Uакк.макс - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, B;

ΔUз - падение напряжения в зарядной цепи аккумуляторной батареи, B;

ΔUp - падение напряжения в разрядной цепи аккумуляторной батареи, B.

Кроме того, Uакк.мин и Uакк.макс принимают равными 1 B.

Совершенно очевидно, что с точки зрения удельных энергетических характеристик наличие вольтодобавочного узла увеличивает массу зарядного либо разрядного преобразователей. Однако полное исключение вольтодобавочных узлов в большинстве случаев невозможно. Поэтому предлагается перенести вольтодобавочный узел из зарядной цепи аккумуляторной батареи в разрядную цепь. С точки зрения удельных энергетических характеристик системы электропитания такой перенос существенно ничего не изменит, но позволит уменьшить количество аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи, а это уже повысит удельные энергетические характеристики системы электропитания.

Для исключения вольтодобавки в зарядных цепях аккумуляторной батареи необходимо, чтобы максимальное зарядное напряжение аккумуляторной батареи было не более, чем минимальное напряжение на входе автономной системы электропитания (на «освещенном» участке орбиты) плюс падение напряжения в зарядной цепи аккумуляторной батареи.

Это условие обеспечивается при выборе числа аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи исходя из следующего математического выражения:

Nакк<(Uвх.мин-ΔUз)/Uакк.макс.

При этом минимальное число аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи должно быть ограничено в соответствии со следующим математическим выражением:

(Uвых.макс+ΔUp)/2Uакк.мин+1<Nакк,

где

1 - один резервный аккумулятор, который может быть «закорочен» в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи.

Падение напряжения в зарядной и разрядной цепях аккумуляторной батареи (ΔUз и ΔUр) определяется в основном величиной падения напряжения на регулирующих ключах зарядного и разрядного преобразователей соответственно и не превышают 1 B, что позволяет принять эту величину для использования в расчетах.

На фиг.1 приведена функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ для реализации заявляемого способа.

Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 41-42, подключенные через зарядные преобразователи 51-52 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 61-62 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3. Кроме того, аккумуляторные батареи 41-42 содержат в своем составе цепи для закорачивания неисправного аккумулятора для литий-ионных аккумуляторных батарей либо байпасные диоды для никель-водородных аккумуляторных батарей (на чертеже не показано).

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

Параллельно аккумуляторным батареям 41-42 подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 71-72, связанные входом с аккумуляторными батареями 41-42 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом - с нагрузкой 2.

В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 81-82.

Каждый зарядный преобразователь 51-52 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10.

Каждый разрядный преобразователь 61-62 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12, и вольтодобавочного узла 13.

Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 14, управляемого схемой управления 15, входного фильтра - конденсатор 16 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 19 и конденсаторе 18.

Схемы управления: 10 - зарядных преобразователей 51-52, 12 - разрядных преобразователей 61-62, 15 - преобразователя напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных преобразователей 51-52 дополнительно связаны с измерительными шунтами 81-82 и нагрузкой 2.

Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 41-42 работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 51-52. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце) или на прохождение 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 41-42 через разрядные преобразователи 61-62.

Устройства контроля 71-7n контролируют напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 41-42 и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи по результатам анализа телеметрических данных, при необходимости, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию запускают программы профилактических работ с какой-либо аккумуляторной батареей, в частности на закорачивание отказавшего аккумулятора, при наличии такового.

Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания ИСЗ позволяет повысить эффективность использования аккумуляторных батарей, повысить удельные энергетические характеристики автономной системы электропитания и снизить стоимости ИСЗ.

1. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих Nакк аккумуляторов, соединенных последовательно, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи с использованием вольтодобавочных узлов, отличающийся тем, что вольтодобавочные узлы устанавливают только в цепях разряда аккумуляторных батарей, при этом число аккумуляторов в последовательной цепи Nакк аккумуляторных батарей выбирают исходя из соотношения:
(Uвых.макс+ΔUр)/2Uакк.мин+1<Nакк<(Uвх.мин-ΔUз)/ Uакк.макс,
где Nакк - число аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи;
Uвх.мин - минимальное напряжение на входе автономной системы электропитания, В;
Uвых.макс - максимальное выходное напряжение автономной системы электропитания, В;
Uакк.мин - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора, В;
Uакк.макс - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В.
ΔUз - падение напряжения в зарядной цепи аккумуляторной батареи, В;
ΔUp - падение напряжения в разрядной цепи аккумуляторной батареи, В.

2. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли по п.1, отличающийся тем, что ΔUз и ΔUp принимают равными 1В.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано для электропитания удаленных от электрических сетей объектов, например автономных метеостанций, строительных объектов, электроинструментов служб спасения и пр.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании и создании автономных энергетических установок, предназначенных для питания потребителей от фотоэлектрических солнечных батарей, эксплуатируемых длительное время при существенно изменяющихся условиях эксплуатации.

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

Изобретение относится к энергоустановкам (ЭУ) на основе батарей солнечных элементов (БСЭ) и накопителей энергии и способам их регулирования. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания космических аппаратов. .

Изобретение относится к области электротехники. .

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

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

Изобретение относится к области солнечной энергетики, в частности к непрерывно следящим за Солнцем солнечным установкам как с концентраторами солнечного излучения, так и с плоскими кремниевыми модулями, предназначенным для питания потребителей, например, в районах ненадежного и децентрализованного электроснабжения

Изобретение относится к области электротехники. Описаны системы и способы использования различных типов аккумуляторов для выборочного аккумулирования и отдачи энергии. Аккумуляторы выборочно аккумулируют энергию, вырабатываемую источником энергии, когда мощность источника превышает текущую потребность нагрузки в мощности, и отдают энергию, когда мощности источника недостаточно для обеспечения текущей потребности нагрузки в мощности. Технический результат - повышение эффективности использования источника энергии. 6 н. и 50 з.п. ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в расширении эксплуатационных возможностей системы, увеличении его нагрузочной мощности и обеспечении максимальной бесперебойности работы при поддержании оптимальных параметров работы аккумуляторной батареи при питании потребителей постоянным током. Для этого заявленная система содержит n выпрямителей, датчик тока нагрузки, измеритель напряжения нагрузки, аккумуляторную батарею, основную и выносную панели индикации, блок контроля температуры, контроллер, блок автоматического ввода резерва, выключатель выпрямителей нагрузки, выключатель выпрямителей батареи, вентилятор, диод, блок контроля изоляции, блок защиты первичных потребителей, блок защиты вторичных потребителей, блок отключения вторичных потребителей, выключатель-байпас, выключатель аккумуляторной батареи, измеритель тока нагрузки, измеритель тока заряда батареи, измеритель тока разряда батареи, датчик тока заряда батареи, датчик тока разряда батареи, два блока питания автоматики, блок питания датчиков тока, измеритель напряжения батареи, контактную группу, блок индикаторов, разделенный на две группы индикаторов, блок режимов заряда батареи, концентратор и рабочую станцию, а к выходу подключены силовые входы выпрямителей и блока контроля температуры, выпрямители разделены на два блока, имеющих модульную конструкцию, блок выпрямителей нагрузки и блок выпрямителей батареи. 2 ил.

Электросамолет содержит фюзеляж, крылья, двигатели, оперение и шасси. На фюзеляже и крыльях установлены солнечные батареи, соединенные с аккумуляторами и двигателями. Внешние поверхности электродвигателей и/или поверхности пропеллеров покрыты солнечными батареями, соединенными с аккумуляторами и двигателями. Солнечные батареи выполнены в виде кремниевой монокристаллической пленки. Вариантом является и то, что они покрыты прозрачным углепластиковым или стеклопластиковым составом. Изобретение направлено на повышение эффективности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании автономных систем электропитания преимущественно связных космических аппаратов (КА). Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования первичного источника электроэнергии (солнечной батареи) и удельных энергетических характеристик системы электропитания КА в целом. Указанный результат достигается тем, что вначале ограничивают напряжение на шинах солнечной батареи максимально допустимым уровнем, после чего стабилизацию каждого напряжения для «n» нагрузок проводят «n» сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят на шинах солнечной батареи с ограниченным максимально допустимым уровнем напряжения. При этом напряжение на шинах солнечной батареи ограничивают на уровне, превышающем Uрт.бс, где Uрт.бс - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в начале ресурса при установившейся температуре, В, часть солнечной батареи, не превышающую по мощности минимальную суммарную мощность нагрузок, подключают непосредственно на вход «n» сериесных стабилизированных преобразователей, а ограничение напряжения на шинах солнечной батареи проводят параллельным стабилизированным преобразователем. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ). Технический результат - повышение удельных энергетических характеристик и надежности автономной системы электропитания ИСЗ. Предлагается способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих Nакк аккумуляторов, соединенных последовательно, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, при этом разрядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего число аккумуляторов Nакк в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин, где Nакк - число аккумуляторов в последовательной цепи каждой аккумуляторной батареи; Uн - напряжение на выходе автономной системы электропитания, В; Uакк.мин - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора, В, зарядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего напряжение в рабочей точке солнечной батареи выбирают из соотношения:Uрт>Uакк.макс·Nакк+1, где Uрт - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В; Uакк.макс - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В, при этом рассчитанное число аккумуляторов Nакк дополнительно увеличивают исходя из соотношения: Nакк≥(Uн+1)/Uакк.мин+Nотказ, где Nотказ - число допустимого отказа аккумуляторов, а стабилизацию напряжения на нагрузке и заряд аккумуляторных батарей проводят с использованием экстремального регулирования напряжения солнечной батареи. 2 ил.

Устройство для передачи энергии автономному подводному аппарату содержит источник энергии на борту судна-носителя, кабель-трос, герметичный светодиодный излучатель высокой интенсивности, герметичную светоприемную панель. Излучатель на кабель-тросе опускают под воду и вводят в контакт со светоприемной панелью. Излучатель и светоприемная панель расположены навстречу друг к другу своими прозрачными слоями. Светоприемная панель преобразует свет в электрическую энергию, накапливаемую в аккумуляторных батареях автономного подводного аппарата. Обеспечивается надежная и экономичная передача энергии на борт подводного аппарата. 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Автономная система электропитания содержит солнечную батарею, накопитель электроэнергии, зарядно-разрядное устройство и нагрузку, состоящую из одного или нескольких стабилизаторов напряжения с подключенными к их выходам конечными потребителями электроэнергии. Отличительной особенностью системы является использование двунаправленного преобразователя напряжения в качестве зарядно-разрядного устройства, содержащего только два ключевых элемента. Суть изобретения заключается в том, что функции зарядного и разрядного устройства выполняет двунаправленный инвертирующий преобразователь напряжения электрически симметричный, т.е. вход и выход могут меняться местами в зависимости от того, в какую сторону необходимо передавать энергию. Технический результат заключается в минимизации силовой части зарядно-разрядного устройства, реализации алгоритма отбора максимальной мощности от солнечной батареи и исключении переходных процессов в виде пропадания напряжения на выходной шине при смене его режимов работы, и сохранении энергоснабжения на выходе системы только от солнечной батареи при выходе из строя зарядно-разрядного устройства. 3 ил.

Изобретение относится к космической технике и может быть использовано для обеспечения электропитания космических аппаратов (КА) и станций. Технический результат - использование системы терморегулирования для получения дополнительной энергии. Система энергоснабжения предназначена для применения на космических аппаратах и станциях в условиях космического пространства. В предлагаемом изобретении в существующую жидкостную систему терморегулирования, содержащую корпус, внутри которого расположен контур охлаждения и обогрева, состоящий из последовательно соединенных теплообменника с резервуаром теплоносителя, имеющего управляющий клапан, радиатора с травящим клапаном, магнитогидродинамического насоса для циркуляции теплоносителя в конуре, после теплообменника введена турбина, соединенная с электрогенератором, который через систему управления соединен с аккумуляторной батареей и нагрузкой. 1 ил.
Наверх