СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF FEEDING OF LOAD BY DIRECT CURRENT IN AUTONOMOUS ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM OF MAN-MADE EARTH SATELLITE

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 система электропитания 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 зарядные или разрядные преобразователи (или те и другие) содержат в своем составе вольтодобавочные узлы, которые вносят существенный вклад в весовые характеристики автономной системы электропитания, снижая ее удельные энергетические характеристики.
аб
акк
Известен способ питания нагрузки постоянным током (патент №2334337 RU) в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и комплекта из N вторичных источников электроэнерги - аккумуляторных батарей, содержащих N 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.
Известный способ позволяет упростить разрядные преобразователи, исключив из них функцию формирования вольтодобавки. (При этом в зарядных преобразователях волтодобавочные узлы присутствуют).
Известный способ был успешно реализован при напряжении на выходе системы электропитания 27 В и 40 В.
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 потери энергии, поскольку последние пропорциональны квадрату тока. При этом известный способ становится неэффективным.
акк
Наиболее близким техническим решением является способ питания нагрузки постоянным током по заявке №2010127541 RU от 2.07.2010 г.(положительное решение от 14.03.2012 г.) в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи, и комплекта из вторичных источников электроэнергии -аккумуляторных батарей, содержащих N 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, согласно которому вольтодобавочные узлы устанавливают только в цепях разряда аккумуляторных батарей.
Этот способ выбран в качестве прототипа заявляемому изобретению.
В известном изобретении вольтодобавочный узел перенесен из зарядной цепи аккумуляторной батареи в разрядную цепь. С точки зрения удельных энергетических характеристик системы электропитания, такой перенос существенно ничего не меняет, но позволяет уменьшить количество аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи, а это уже повысит удельные энергетические характеристики системы электропитания.
Недостатком известного способа является необходимость формирования вольтодобавочных узлов в разрядных преобразователях, что снижает удельные энергетические характеристики автономной системы электропитания.
Задачей заявляемого изобретения является повышение удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания.
Поставленная задача решается тем, что при питании нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи, и комплекта из «n» вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, с использованием в разрядных преобразователях вольтодобавочных узлов, вольтодобавочные узлы разрядных преобразователей объединены в общий вольтодобавочный узел, при этом, регулирующие ключи разрядных преобразователей установлены между соответствующей аккумуляторной батареей и общим вольтодобавочным узлом.
Действительно, объединение вольтодобавочных узлов в один общий вольтодобавочный узел позволит снизить итоговый вес за счет сокращения конструктивных элементов и объективного повышения удельных энергетических характеристик элементов электрической схемы. В сою очередь это приведет к повышению удельных энергетических характеристик автономной системы электропитания в целом.
На фиг.1 приведена функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ для реализации заявляемого способа.
1
2
1
2
1
2
Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 4-4, подключенные через зарядные преобразователи 5-5 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6-6 и общий вольтодобавочный узел 13 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3.
При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на рисунке не показано).
1
2
1
2
1
2
Параллельно аккумуляторным батареям 4-4 подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7-7, связанные входом с аккумуляторными батареями 4-4 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2.
1
2
В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8-8.
1
2
Каждый зарядный преобразователь 5-5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10.
1
2
Каждый разрядный преобразователь 6-6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.
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.
1
2
1
2
1
2
1
2
Схемы управления: 10 зарядных преобразователей 5-5, 12-разрядных преобразователей 6-6, 15 - преобразователя напряжения 3, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5-5 дополнительно связаны с измерительными шунтами 8-8 и нагрузкой 2.
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4-4 работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 5-5. 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.
1
2
1
2
При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4-4 через разрядные преобразователи 6-6.
1
n
1
2
Устройства контроля 7-7 контролируют напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4-4 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 корректируют распределение токов разряда между разрядными преобразователями, в зависимости от текущего состояния каждой аккумуляторной батареи, для обеспечения максимальной разрядной мощности от всего комплекта аккумуляторных батарей.
Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания ИСЗ позволяет повысить удельные энергетические характеристики автономной системы электропитания, что в свою очередь позволяет повысить энерговооруженность ИСЗ, в пределах установленной его массы.