Интеллектуальный автономный источник питания

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ АВТОНОМНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ
Заявленное техническое решение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания, использующим в качестве первичных источников энергии солнечные батареи, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторы.
Известно устройство на солнечных батареях, которое включает в себя аккумуляторную батарею, солнечную батарею и DC-восприимчивое (DC, Direct Current,  постоянный ток) АС устройство (AC, Alternating Current, переменный ток), такое как компактная флуоресцентная лампа. Энергия от солнечной батареи через первый DC/DC преобразователь обеспечивает зарядку аккумуляторной батареи, а через второй DC/DC преобразователь, обеспечивает питание постоянного тока на DC восприимчивое АС устройство [Патент РФ № 2503120, кл. H02М, опубл. 27.12.2013 г.].
Недостатками этого устройства является уменьшение выходного напряжения при разряде аккумуляторных батарей и отсутствие информации о возможном ресурсе работы источника.
Известна автономная система электропитания космических аппаратов, использующих в качестве первичных источников энергии солнечные батареи, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата состоит в том, что управляют стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электропитания. При этом с помощью измерительных шунтов контролируют ток нагрузки и токи заряда/разряда аккумуляторных батарей. Кроме того, контролируют выходное напряжение системы электропитания с помощью пороговых датчиков и отключают нагрузку при достижении пороговых значений выходного напряжения. Дополнительно контролируют динамику переходных процессов изменения выходного напряжения и тока нагрузки во времени с помощью быстродействующих запоминающих устройств, которые запускают по достижении пороговых значений выходного напряжения. Повторное включение нагрузки проводят после анализа результатов запомненной динамики переходных процессов [Патент РФ № 2567930, кл. H02J, B64G, опубл. 10.11.2015 г.].
Недостатками этого устройства является изменение выходного напряжения при разряде аккумуляторных батарей и отсутствие информации о возможном ресурсе его работы.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании такого интеллектуального автономного источника питания (АИП), который передает потребителю информацию о текущих параметрах электропитания и остаточном ресурсе работы.
Поставленная задача достигается за счет того, что интеллектуальный автономный источник питания содержит солнечную батарею, аккумулятор с блоком заряда аккумулятора, стабилизирующий преобразователь и информационно-управляющий блок, соединенные соответствующим образом между собой.
Сущность заявляемого технического решения поясняется фиг. 1, где представлена структурная схема реализации интеллектуального автономного источника питания.
Интеллектуальный автономный источник питания состоит из солнечной батареи 1, блока заряда аккумулятора 2, аккумулятора 3, стабилизирующего преобразователя 4 и информационно-управляющего блока 5.
Заявляемое техническое решение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
Солнечная батарея 1 реализована в виде плоской или цилиндрической поверхности, на которой размещены солнечные элементы, объединенные в единый электрический узел. Солнечные элементы могут быть гибкими или жесткими. Солнечная батарея 1 присоединена к блоку заряда аккумулятора 2, присоединенного к аккумулятору 3, который в свою очередь присоединен ко входу стабилизирующего преобразователя 4. Кроме этого солнечная батарея 1, аккумулятор 3 и стабилизирующий преобразователь 4 присоединены ко входам информационно-управляющего блока 5. Выходное напряжение интеллектуального автономного источника питания снимается с выхода стабилизирующего преобразователя 4. Выход информационно-управляющего блока 5 соединен с управляющим входом стабилизирующего преобразователя 4. Дополнительные вход/выход информационно-управляющего блока 5 предназначены для передачи информации о текущих параметрах питания и прогнозируемом ресурсе работы.
Рассмотрим работу интеллектуального автономного источника питания.
Выходное напряжение интеллектуального автономного источника питания (питание нагрузки) формируется стабилизирующим преобразователем 4, который производит изменение величины (в сторону уменьшения или увеличения, в зависимости от необходимости) и стабилизацию выходного напряжения при изменении тока в цепи нагрузки и входного напряжения, получаемого от аккумулятора 3.
Аккумулятор 3 заряжается через блок зарядки 2 от солнечной батареи 1.
Информационно-управляющий блок 5 с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) измеряет температуру, напряжения и токи в цепях солнечной батареи 1, аккумулятора 3 и стабилизирующего преобразователя 4. Информационно-управляющий блок 5 формирует управляющий сигнал для выключения стабилизирующего преобразователя 4 в случае недопустимого разряда аккумулятора или по внешней команде. Информационно-управляющий блок 5 формирует выходные сигналы обмена по цифровой шине обмена данными (температуру, напряжения, токи, прогноз оставшегося ресурса работы при условии, что параметры энергопотребления соответствуют текущим).
Блок заряда аккумулятора 2 формирует необходимые для заряда аккумулятора конкретного используемого типа выходное напряжение и ток, обеспечивая максимальное использование солнечной энергии (режим работы в точке максимальной мощности) солнечной батареи 1, и обеспечивая максимальное число циклов заряд/разряд аккумулятора.
Возможность реализации заявляемых технических решений может быть обоснована указанием на типы конкретных элементов.
http://mobilesolar.ru/products/8966789
Солнечная батарея 1 может состоять из кремниевых солнечных элементов. Например, кремниевый солнечные элементы 52х19 мм артикул 79 (рабочее напряжение 0,5 В, максимальный рабочий ток 0,28 А, ток короткого замыкания 0,32 А, максимальная мощность 0,14 Вт) [].
Блок заряда аккумулятора 2 представляет собой схему, обеспечивающую заряд аккумулятора от солнечной батареи в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию последнего. Блок заряда 2 может быть BQ25505RGRT. Напряжение зарядки батареи - 5.5 В, тип батареи - LiFePO4, Li-Ion, Li-Pol, максимальный ток зарядки - 100 мА, входное напряжение - 4 В, максимальная рабочая температура - +85 °C, минимальная рабочая температура -40 °C [http://www.chipdip.ru/product/bq25505rgrt-1].
http://lr6.ru/akkumuljatory/promyshlennye-akkumuljatory/akkumuljator-li-fe/3211
В качестве аккумулятора 3 может быть использоваться любой аккумулятор, обеспечивающей работу в температурном диапазоне работы интеллектуального автономного источника питания и имеющий необходимые напряжение и емкость. Например, аккумулятор LiFePO4 ANR26650M1-B (размер Ø26x65 мм, вес 76 г, номинальная емкость 2,5 А·ч, номинальное напряжение 3,3 В, внутреннее сопротивление 6 мОм, количество жизненных циклов >1000) [].
http://datasheet.elcodis.com/pdf/63/93/639300/ltc3525esc6-3pbf.pdf
В качестве стабилизирующего преобразователя 4 может использоваться преобразователь, обеспечивающий требуемые выходное напряжение и ток. Например, управляемый импульсный стабилизирующий преобразователь напряжения LTC3525-3,3 (входное напряжение 0,85-3,3 В, максимальный выходной ток 0,45 А, кпд 85-95% при выходном токе 1-10 мА) [].
http://
http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp432p401r.pdf
В качестве информационно-управляющего блока 5 может использоваться любой универсальный энергоэкономичный микропроцессор, содержащий АЦП и порт ввода/вывода (UART, I2C и подобные), например, MSP430x11x2 [www.ti.com/lit/ds/slas361d/slas361d.pdf], или MSP432P401R [].
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является удобство использования за счет возможности управления работой источника питания и наличии его параметров – температуры, токов, напряжений, а также остаточного ресурса работы, которые измеряются (вычисляются) и могут передаваться потребителю периодически или по запросу.