СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF LOAD SUPPLY WITH DIRECT CURRENT IN AUTONOMOUS POWER SUPPLY SYSTEM OF ARTIFICIAL 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 по удельным энергетическим характеристикам системы электропитания ИСЗ, так как она занимает порядка (15÷20)% массы ИСЗ и во многом определяет функциональные и ресурсные возможности создаваемого ИСЗ.
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.
Общим недостатком известных способов является то, что они функционально содержат три стабилизированных преобразователя: зарядный, разрядный и стабилизатор напряжения нагрузки при питании нагрузки от солнечных батарей, что усложняет систему электропитания, снижает ее удельные энергетические характеристики и ухудшает качество выходного напряжения.
аб
акк
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 N вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих аккумуляторы, соединенные 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 N в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения
акк
н
акк.мин
N≥(U+1)/U,
акк
где N - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;
н
U - напряжение на выходе автономной системы электропитания;
акк.мин
U - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора.
Этот способ выбран в качестве прототипа заявляемому изобретению.
Известный способ был успешно реализован на действующих ИСЗ.
Известный способ позволяет упростить разрядные преобразователи, исключив из них функцию формирования вольтодобавки (при этом в зарядных преобразователях вольтодобавка присутствует), что повышает удельные энергетические характеристики системы электропитания. Однако здесь также используются три стабилизированных преобразователя: зарядный, разрядный и стабилизатор напряжения нагрузки при питании ее от солнечных батарей, что снижает удельные энергетические характеристики системы электропитания и ухудшает стабильность и динамические характеристики выходного напряжения (качество напряжения нагрузки).
Задачей заявляемого изобретения является повышение удельных энергетических характеристик и качества выходного напряжения автономной системы электропитания ИСЗ.
Поставленная задача достигается тем, что при питании нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, заключающемся в стабилизации напряжения на нагрузке, содержащей в своем составе бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, мощность зарядных преобразователей рассчитывают исходя из суммарной мощности нагрузки и мощности, необходимой для заряда аккумуляторных батарей, а стабилизацию напряжения на нагрузке проводят только разрядными преобразователями, при этом каждый зарядный преобразователь управляется по величине тока заряда - в режиме заряда соответствующей аккумуляторной батареи и установленному уровню собственного выходного напряжения, а после полного заряда соответствующей аккумуляторной батареи управление по току заряда блокируют. Кроме того, цепь заряда-разряда аккумуляторной батареи блокируют диодом, включенным в направлении протекания тока разряда аккумуляторной батареи и зашунтированным контактами дополнительно введенного коммутатора, связанного с нагрузкой. При этом величину уровня собственного выходного напряжения зарядного преобразователя выбирают не более напряжения разомкнутой цепи заряженной аккумуляторной батареи и при этом предусматривают регулирование величины уровня собственного выходного напряжения зарядного преобразователя в процессе эксплуатации.
Стабилизация напряжения на нагрузке одним преобразователем автоматически улучшает стабильность и динамические характеристики выходного напряжения автономной системы электропитания, иными словами, улучшает качество выходного напряжения автономной системы электропитания ИСЗ, так как исключает смену режима стабилизации. При этом исключение из состава автономной системы электропитания одного функционального преобразователя (стабилизатора напряжения нагрузки при питании нагрузки от солнечных батарей) приведет к повышению удельных энергетических характеристик автономной системы.
В настоящее время во всем мире идет процесс повышения напряжения на выходе системы электропитания. Это объясняется тем, что с ростом напряжения (для питания нагрузки определенной мощности) пропорционально снижаются токи в бортовой аппаратуре, кабельной сети и, в том числе, в преобразователях самой автономной системы электропитания, что существенно снижает энергопотери, поскольку последние пропорциональны квадрату тока. В современных автономных системах электропитания применяется напряжение нагрузки 100 В. При таком напряжении нагрузки потери, связанные с падением напряжения на силовых ключах преобразователей (0,2÷0,5 В), становятся несущественными. Поэтому использование постоянного прохождения энергии солнечных батарей последовательно через два преобразователя (зарядный и разрядный преобразователи) полностью оправдано (в противовес применению специализированного преобразователя - стабилизатора напряжения нагрузки при питании нагрузки от солнечных батарей).
На фиг. 1 приведена функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ для реализации заявляемого способа. В приведенном примере используется одна аккумуляторная батарея. Применение комплекта из нескольких аккумуляторных батарей соответственно увеличит количество зарядных и разрядных преобразователей, но меняет суть заявляемого изобретения.
Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2 через зарядный преобразователь 3, разрядный преобразователь 4 и выходной фильтр 5. Аккумуляторная батарея 6 подключена через зарядный преобразователь 3 к солнечной батарее 1, а через разрядный преобразователь 4 - к входу выходного фильтра 5.
Нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на схеме не показано).
Параллельно аккумуляторной батарее 6 подключено устройство контроля аккумуляторной батареи 7, связанное входом с аккумуляторной батареей 6 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом - с нагрузкой 2.
В цепи заряда-разряда аккумуляторной батареи 6 установлены измерительный шунт 8 и диод 10, включенный в направлении протекания тока разряда аккумуляторной батареи и зашунтированный контактами 9 дополнительно введенного коммутатора (на схеме не показано) связанного с нагрузкой (бортовой ЭВМ).
Зарядный преобразователь 3 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.
Разрядный преобразователь 4 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14.
Выходной фильтр 5 выполнен на диоде 15, дросселе 16 и конденсаторе 17.
Схемы управления зарядных преобразователей 12 и разрядных преобразователей 14 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схема управления 12 зарядного преобразователя 3 дополнительно связаны с измерительным шунтом 8 и нагрузкой 2.
Устройство работает следующим образом.
В процессе эксплуатации аккумуляторная батарея 6 работает в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядный преобразователь 3, при этом обратная связь по току (с измерительного шунта 8) обеспечивает требующийся ток заряда аккумуляторной батареи 6. Разрядный преобразователь 4 подключен к аккумуляторной батарее 6 до измерительного шунта 8 (к выходу зарядного преобразователя 3), вынуждая зарядный преобразователь 3 дополнительно обеспечивать потребности разрядного преобразователя (нагрузки 2) в рамках поддержания требующегося тока заряда аккумуляторной батареи 6.
По окончании заряда аккумуляторной батареи 6 управление по току заряда блокируют и включают (при необходимости) управление по величине уровня собственного выходного напряжения зарядного преобразователя 3, которое выбирают не более напряжения разомкнутой цепи заряженной аккумуляторной батареи, что обеспечивает отсутствие протекания токов заряда и разряда аккумуляторной батареи.
Для большей надежности исключения возможности перезаряда аккумуляторной батареи 6 можно размыкать контакты 9 коммутатора по команде с нагрузки 2. При этом заряд будет невозможен, а разряд, при необходимости, может пойти через диод 10.
Устройство контроля 7 аккумуляторной батареи 6 контролирует напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторной батареи 6 и передает информацию об их состоянии в нагрузку 2.
В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, проводят регулирование величины уровня собственного выходного напряжения зарядного преобразователя, при необходимости, например при отказе одного аккумулятора в аккумуляторной батарее (что, как правило, допускается при длительном ресурсе работы ИСЗ - 10÷15 лет).
Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания ИСЗ позволяет повысить удельные энергетические характеристики и качество выходного напряжения автономной системы электропитания ИСЗ.