Способ обеспечения автономного электропитания
METHOD OF PROVIDING AUTONOMOUS POWER SUPPLY

Назначение
Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при создании и эксплуатации автономных систем электропитания различных объектов, в том числе при создании и эксплуатации бортовых систем электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА).
Уровень техники
Современная техника, среди прочих, ставит перед собой задачу по увеличению срока активного существования создаваемого объекта с автономным электропитанием. Особое место в ряде данных объектов занимают КА. На сегодня срок активного существования КА, определяемого номинальным временем эксплуатации, достигает 7-10 лет и ставится задача его увеличения до 15 лет. К числу систем современных КА, по сути определяющих срок активного существования КА, относится в первую очередь СЭП КА. Конструкция и характеристики СЭП во многом определяют конструктивный облик, срок активного существования КА в полете, его функциональные возможности, надежность, массогабаритные и экономические показатели, составляя до 25% массы, объема и стоимости КА (см. Тарасов B.C. "Система генерирования электроэнергии с увеличенным сроком активного существования для малого космического аппарата". Специальность 05.09.03. Электротехнические комплексы и системы. «Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2015 г. ). Поэтому проблема совершенствования технических характеристик СЭП КА имеет актуальное значение. В СЭП современных КА в качестве первичных источников энергии используются солнечные батареи (СБ), в которых солнечная энергия, преобразуется в электрическую энергию фотоэлектрическими преобразователями, и позволяет обеспечить питание всех устройств КА, а также заряд вторичных источников питания - накопителей электрической энергии в виде аккумуляторных батарей (АБ), являющегося одним из наиболее критичным звеном у СЭП. АБ осуществляет питание устройств КА в основном на теневых участках, возникающих в связи с периодическим прохождением КА теневых участков орбиты, затененных от Солнца Землей или участков частично затененных от Солнца Луной, а также в аварийных режимах в момент потери ориентации на Солнце и в нештатных режимах - при недостатке или отсутствии мощности солнечной батареи для питания всех подключенных потребителей, например при включении пиковых нагрузок, при маневрах КА для коррекции орбиты, при входах и выходах КА из теневых участков орбиты.
Недостатком известных различных способов и устройств электропитания КА от солнечных батарей и аккумуляторов, обеспечивающих стабилизацию постоянного напряжения на нагрузке (см., например, патент, РФ, №2396666), является избыточность однотипных функциональных узлов, что снижает удельные энергетические (мощностные) характеристики системы электропитания и, кроме того, они имеют общий недостаток - они не универсальны, а также отсутствие многофункциональности, что ограничивает область их использования. Известно, что для питания различной аппаратуры конкретного КА реализуется СЭП с единой шиной питания постоянного напряжения с одним или двумя номиналами напряжения, например 27 В, или 27 В и 40 В, или 27 В и 100 В. При переходе с одного номинала напряжения питания аппаратуры на другой требуется разработка новой системы электропитания с кардинальной переработкой источников тока -солнечной и аккумуляторной батарей и с соответствующими временными и финансовыми издержками.
Для космической техники важнейшей тактико-технической характеристикой СЭП КА является удельная мощность, т.е. отношение мощности, вырабатываемой системой электропитания, к ее массе, которая зависит прежде всего от удельно-массовых характеристик используемых источников тока, но и в значительной мере от принятой структурной схемы СЭП, формируемой комплексом электронного оборудования СЭП, который определяет режимы эксплуатации источников и эффективность использования их потенциальных возможностей.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению, в котором присутствует решение задач универсальности и повышения удельных энергетических характеристик системы электропитания КА, а также решение задачи по оптимизации параметров СБ и АБ, является "Способ электропитания космического аппарата" (патент, РФ, №2488911 от 10.02.2016 г. ), взятый авторами за прототип.
В данном способе электропитания КА поставленные задачи решаются способом электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, солнечной батареи и вторичных источников электроэнергии, аккумуляторных батарей, подключенных параллельно солнечной батарее в одноименной полярности через сериесный преобразователь в направлении протекания разрядного тока, заключающимся в стабилизации напряжения на нагрузке с несколькими номиналами напряжения и согласовании работы первичного и вторичных источников электроэнергии, причем напряжение первичного и вторичных источников электроэнергии преобразуют в переменное и трансформируют в требующиеся номиналы выходного напряжения, при этом не требуется, включение-отключение стабилизированных преобразователей напряжения и наличия индивидуального стабилизированного преобразователя напряжения в разрядной цепи аккумуляторной батареи (используется один общий стабилизированный преобразователь напряжения), что позволяет повысить удельные энергетические характеристики системы электропитания КА.
При этом общий стабилизированный преобразователь напряжения выполнен в виде мостового инвертора с общим трансформатором с n выходными обмотками, а вход зарядного устройства соединен с одной из выходных обмоток трансформатора, к другим же (n-1) выходным обмоткам трансформатора подключены переходные устройства связи с нагрузками со своими номиналами выходного напряжения, солнечную батарею выбирают с выходным напряжением в рабочей точке в конце ресурса исходя из соотношения:
где
Uсб - выходное напряжение в рабочей точке в конце ресурса СБ, В;
Uэл - напряжение одного фотопреобразователя в рабочей точке в конце ресурса солнечной батареи, В;
m - число (допустимое) отказавших фотопреобразователей в одной последовательной цепи;
Δсущ - величина несущественного снижения напряжения из-за отказа отдельных фотопреобразователей, какой-либо последовательной цепи фотопреобразователей относительно полностью исправных цепей, %.
Используется аккумуляторная батарея на основе Лития, причем аккумуляторную батарею выбирают с числом аккумуляторов в последовательной цепи исходя из соотношения:
где
N - число аккумуляторов в последовательной цепи АБ;
Ртени - максимальное энергопотребление нагрузки за период прохождения «теневого» участка орбиты, Вт⋅час;
Сак - емкость выбранного аккумулятора, А⋅час;
Uакк ср - среднее разрядное напряжение аккумулятора, В;
w - число (допустимое) отказавших аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторов АБ, т.е. w равно числу резервных аккумуляторов в АБ.
АБ на основе Лития, т.е. литий-ионные или литий-полимерные АБ, отличаются друг от друга типом используемого электролита (далее - литиевые АБ), которые в отличие, например, от никель-водородных не требуют проведения специальных профилактических автономных работ. Технологии изготовления литиевых АБ находятся сегодня в развитии и постоянно улучшаются. Активно разрабатываемые в последнее время в ряде стран, имеющих космическую программу, литиевые АБ по сравнению с другими типами аккумуляторов (например, никель-водородных, никель-кадмиевых, никель-металлогидридных) обладают значительными преимуществами по своим удельным энергетическим характеристикам (превышают их в 2-3 раза), большим напряжением на элементе, малым саморазрядом, очень хорошим временем эксплуатации и экологической чистотой, а также простотой режима заряда и эксплуатации. Удельная энергия литиевых аккумуляторов может достигать 130 и более Вт⋅ч/кг, а коэффициент полезного действия по энергии - 95%.
Для литий-ионного аккумулятора (напряжение единичного элемента) варьируется в следующих пределах (см. "Питание для холодного климата: морозостойкие литий-полимерные АКБ от ЕЕМВ". Новости электроники, №4, 2016 г.):
- номинальное значение напряжения - 3,6…3,7 В;
- максимальное (заряженное) - 4,2 В;
- минимальное (с учетом оптимального допустимого значения) - 2,5…3,0 В;
- среднее разрядное напряжение аккумулятора Uакк ср=3,1 В.
Система электропитания прототипа работает в следующих основных режимах.
1. Питание нагрузок от СБ.
При наличии мощности солнечной батареи, превышающей суммарную мощность потребляемой нагрузками, стабилизированный преобразователь напряжения поддерживает стабильное напряжение на нагрузке (потребителе электроэнергии). При этом на потребителях электроэнергии автоматически поддерживается стабильное постоянное и переменное напряжение с учетом коэффициентов трансформации обмоток. При необходимости заряда АБ величина ее зарядного тока ограничивается в пределах разницы между текущей мощностью солнечной батареи и суммарной мощностью нагрузок.
2. Питание нагрузки от АБ.
Режим формируется при недостатке или отсутствии мощности СБ для питания всех подключенных потребителей, например при включении пиковых нагрузок, при маневрах КА для коррекции орбиты, при входах и выходах КА из теневых участков орбиты или при нахождении КА на теневом участке орбиты.
В этом режиме напряжение на входе стабилизированного преобразователя напряжения снижается до уровня рабочей точки СБ в конце ресурса, и недостающая для питания нагрузок мощность от СБ добавляется за счет разряда АБ, которая подключается параллельно солнечной батарее через сериесные преобразователи в направлении протекания разрядного тока, причем разряд АБ осуществляется в два этапа: вначале стабилизируется напряжение на выходе сериесных преобразователей, равное напряжению в рабочей точке СБ в конце ресурса, а затем это напряжение преобразуется в переменное и трансформируется в требующиеся номиналы выходного напряжения, при этом АБ выбираются с минимальным разрядным напряжением не менее напряжения в рабочей точке солнечной батареи, а глубину разряда АБ (минимальное разрядное напряжение) не допускают ниже заданного предельного значения (см. патенты, РФ, №2510105, №2521538).
Оптимизация СБ по напряжению, АБ - по количеству аккумуляторов в последовательной цепи в соответствии с выражениями (1, 2) позволяет повысить надежность СЭП КА при выходе из строя m фотопреобразователей в одной последовательной цепи СБ и/или w аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторов АБ, однако в прототипе имеются недостатки, приводящие к снижению надежности эксплуатации СЭП КА и в итоге - к снижению живучести КА и его срока активного существования:
- w резервных аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторов АБ постоянно находятся "в рабочем" состоянии при заряде и разряде АБ (через них протекает зарядный и разрядный ток АБ), что существенно снижает их ресурс до включения в качестве основных (до момента исключения отказавших аккумуляторов из АБ);
- поскольку для обеспечения работоспособности силового транзисторного ключа сериесного преобразователя необходимо выполнение условия при котором абсолютное значение напряжения в рабочей точке СБ в конце ресурса |Ucб| должно превышать абсолютное значение напряжения АБ |Uaб|, т.е.
то ввиду изменения напряжения АБ (Uaб) в широких пределах от максимального значения при наличии w резервных аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторов АБ, до номинального значения при w=0 (т.е. при минимально необходимом количестве аккумуляторов в АБ), напряжение на силовом транзисторе также изменяется в соответствии с данными изменениями, что приводит к снижению эффективности и надежности работы сериесного преобразователя;
- ограничение максимального значения Ua6 осуществляется за счет ограничения величины w, от значения которой прямо пропорционально зависит надежность и ресурс работы АБ.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и срока активного существования системы автономного электропитания.
Раскрытие изобретения
Сущность предлагаемого изобретения заключается в постоянном обеспечении в течение всего срока эксплуатации солнечной и аккумуляторной батарей условия "минимального числа аккумуляторов", т.е. АБ выбирают с минимально допустимым числом аккумуляторов, обеспечивающим ее минимальное рабочее разрядное напряжение, превышающее напряжение в рабочей точке в конце ресурса СБ, и данный номинальный режим сохраняют в течение всего срока эксплуатации СБ и АБ, являющийся наиболее "благоприятным" режимом для силового транзисторного ключа сериесного преобразователя, при этом отказавший аккумулятор в АБ исключают путем шунтирования байпасным переключателем и затем подключают к АБ один из резервных аккумуляторов через последовательный байпасный переключатель, в результате чего:
- обеспечивается минимальное снижения ресурса резервных аккумуляторов ввиду нахождения их в энергосберегающем режиме до включения в последовательную цепь аккумуляторов АБ;
- повышается эффективность и надежность работы сериесного преобразователя, поскольку количество последовательно включенных аккумуляторов в АБ в рабочем режиме постоянно и напряжение на силовом транзисторе сериесного преобразователя изменяется в узком диапазоне в течение всего срока эксплуатации СЭП;
- обеспечивается выбор необходимого количества резервных аккумуляторов для достижения требуемой надежности СЭП, не ограничивающегося режимами работы сериесного преобразователя.
В результате повышаются надежность и ресурс работы СЭП и в итоге - живучесть и срок его активного существования.
Предлагаемый способ обеспечения автономного электропитания, снабженного первичным источником ограниченной мощности СБ и вторичным источником электроэнергии АБ, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке с несколькими номиналами напряжения и согласовании работы СБ и АБ, причем напряжение СБ и АБ преобразуют в переменное через общий стабилизированный преобразователь напряжения и трансформируют в требуемые номиналы выходного напряжения, заряд АБ проводят от выходного трансформируемого напряжения, при этом АБ подключают параллельно СБ в одноименной полярности через сериесный преобразователь в направлении протекания разрядного тока, причем разряд АБ проводят в два этапа: вначале стабилизируют напряжение на выходе сериесного преобразователя, равное напряжению в рабочей точке СБ в конце ресурса, исходя из соотношения (1), а затем это напряжение преобразуют в переменное и трансформируют в требуемые номиналы выходного напряжения, при этом аккумуляторную батарею выбирают с числом аккумуляторов, обеспечивающим ее минимальное рабочее разрядное напряжение, превышающее напряжение в рабочей точке в конце ресурса солнечной батареи, и данный номинальный оптимальный режим сохраняют в течение всего срока эксплуатации солнечной и аккумуляторной батарей, посредством того, что шунтируют байпасным переключателем отказавший аккумулятор в аккумуляторной батарее и затем взамен ему подключают к аккумуляторной батарее один из резервных аккумуляторов через последовательный байпасный переключатель.
Графические иллюстрации
Изобретение проиллюстрировано графическими фигурами Фиг. 1 и Фиг. 2.
На приведенной графической фиг. 1 приведен пример структурной схемы для реализации заявляемого способа обеспечения автономного электропитания, содержащей составляющие, обозначенные позициями:
1 - Солнечная батарея;
2 - Стабилизированный преобразователь напряжения;
3 - Аккумуляторная батарея;
(3-1) - Сериесный преобразователь;
(3-2) - Силовой транзисторный ключ сериесного преобразователя;
(3-3) - Устройство управления;
4 - Зарядное устройство аккумуляторной батареи;
5 - Трансформатор;
(6-1, 6-2) - Локальные модули питания нагрузок;
7 - Потребители электроэнергии;
(8, 9, 10) - Последовательные байпасные переключатели (n штук);
11 - БШПП (Блок шунтирующих байпасных переключателей);
12 - БКиВ (Блок контроля и выравнивания напряжений и температур в АБ);
13 - Микро ЭВМ (локальный контроллер);
(14, 15, 16) - Выходной фильтр сериесного преобразователя на дросселе 14, конденсаторе 15 и диоде 16;
17 - Ключи шунтирующих байпасных переключателей
18 - Ключи последовательных байпасных переключателей
19 - Резервные аккумуляторы (19-1) - (19-n).
Описание способа обеспечения автономного электропитания
Стабилизированный преобразователь напряжения 2 выполнен в виде мостового инвертора. Описания мостовых инверторов приведены, например, в статьях: «Высокочастотные преобразователи напряжения с резонансным переключением», автор А.В. Лукин (Электропитание, научно-технический сборник выпуск 1, под редакцией Ю.И. Конева. Ассоциация «Электропитание», М., 1993), «The Series Connected Buck Boost Regulator For High Efficiency DC Voltage Regulation)), автор Arthur G. Birchenough (NASA Technical Memorandum 2003-212514, NASA Lewis Research Center, Cleveland, ОН), а также в статье «Структурная схема и схемотехнические решения комплексов автоматики и стабилизации негерметичного геостационарного КА с гальванической развязкой бортовой аппаратуры от солнечных и аккумуляторных батарей» авторов: Поляков С.А., Чернышев А.И., Эльман В.О., Кудряшов B.C., см. «Электронные и электромеханические системы и устройства: сборник научных трудов НПЦ «Полюс». - Томск: МГП «РАСКО» при издательстве «Радио и связь», 2001.
Формирование переменного напряжения на выходе стабилизированного преобразователя напряжения 2 обеспечивается его устройством управления 2-1, которое по определенному закону открывает попарно транзисторы 2-2, 2-5 и 2-3, 2-4 соответственно.
Выход стабилизированного преобразователя напряжения 2 соединен с первичной обмоткой 5-1 трансформатора 5. Солнечная батарея 1 соединена со стабилизированным преобразователем напряжения 2 плюсовой и минусовой шинами.
Зарядное устройство 4 своим входом соединено с вторичной обмоткой 5-5 трансформатора 5, одним выходом - с минусовой шиной АБ 3, а вторым выходом - через последовательный байпасный переключатель 10 - с плюсовой шиной n-го последовательно соединенных т резервных аккумуляторов 19, минусовая шина первого аккумулятора которых (19-1) соединена с плюсовой шиной N-го (3.1-N) АБ 3. Шунтирующие байпасные переключатели БШПП 11 подключатся параллельно к N аккумуляторам АБ 3 и к резервным аккумуляторам 19 для их шунтирования, а байпасные переключатели 8, 9, 10 - последовательно к каждому из т резервных аккумуляторов 19 для их последовательного подключения к плюсовой шине АБ 3. Сериесный преобразователь (3-1) состоит из силового транзисторного ключа (3-2), устройства управления (3-3), выполненной на основе широтно-импульсного модулятора, выходного фильтра на дросселе 14, конденсаторе 15 и диоде 16 (см. патент, РФ, №2521538).
К вторичным обмоткам (5-2), (5-3) трансформатора 5 подключены локальные модули питания нагрузок (6-1), (6-2) со своими номиналами выходного напряжения постоянного тока, выходом подключенные к потребителям электроэнергии 7 (к нагрузке), в данном случае - к (7-1) и (7-2) соответственно.
Вторичная обмотка (5-4) трансформатора 5 подключена непосредственно к потребителям электроэнергии переменного тока (7-3).
Один из локальных модулей питания нагрузок выбран в качестве основного и по нему осуществляют стабилизацию напряжения. С этой целью локальный модуль питания нагрузок (6-1) соединен обратной связью с устройством управления (2-1) стабилизированного преобразователя напряжения 2.
Система электропитания работает в следующих основных режимах.
1. Питание потребителей электроэнергии 7 от СБ 1.
При наличии мощности СБ 1, превышающей суммарную мощность, потребляемой нагрузками, стабилизированный преобразователь напряжения 2, связанный обратной связью с локальным модулем (6-1), поддерживает стабильное напряжение на потребителях электроэнергии (7-1). При этом на потребителях электроэнергии (7-2) и (7-3) автоматически поддерживается стабильное постоянное и переменное напряжение с учетом коэффициентов трансформации обмоток. При необходимости заряда АБ 3 величина ее зарядного тока ограничивается в пределах разницы между текущей мощностью СБ 1 и суммарной мощностью потребителей электроэнергии 7.
2. Питание потребителей электроэнергии 7 от аккумуляторов.
Режим формируется при недостатке или отсутствии мощности СБ 1 для питания всех подключенных потребителей электроэнергии 7, например, при включении пиковых нагрузок, при маневрах КА для коррекции орбиты, при входах и выходах КА из теневых участков орбиты или при нахождении КА на теневом участке орбиты. В этом режиме напряжение на входе стабилизированного преобразователя напряжения 2 снижается до уровня рабочей точки СБ 1 в конце ресурса, и недостающая для питания потребителей электроэнергии 7 мощность от СБ 1 добавляется за счет разряда АБ 3.
СБ 1 выбирают с выходным напряжением в рабочей точке в конце ресурса Ucб
исходя из соотношения (1), приведенного в описании выше, а именно:
АБ 3 выбирают с числом аккумуляторов в последовательной цепи N исходя из соотношения:
при этом первое слагаемое
в выражении (4) обеспечивает выполнение условия в соответствии с выражением (3). Соблюдение условия в соответствии с выражением (3) означает, что напряжение на клемме АБ 3, подключаемой к транзисторному ключу (3-2), должно быть всегда положительным (или отрицательным, когда объединены положительные клеммы СБ 1 и АБ 3 и используется транзистор p-n-р типа) относительно выходного напряжения в рабочей точке в конце ресурса на СБ 1, тем самым при разряде АБ 3 обеспечивается поддержание силового транзисторного ключа (3-2) сериесного преобразователя (3-3) в открытом состоянии.
Второе слагаемое 1 в выражении (4) обеспечивает количество аккумуляторов в АБ 3 на один больше ("запас" в виде одного аккумулятора), и позволяет исключить "сбои" в работе СЭП КА при исключении из АБ 3 вышедшего из строя аккумулятора. При разряде АБ 3 напряжение на выходе сериесного преобразователя (3-1) стабилизируют равным напряжению в рабочей точке СБ 1 в конце ресурса с помощью устройства управления (3-3), выполненной на основе широтно-импульсного модулятора, силового транзисторного ключа (3-2) и выходного фильтра выполненного на дросселе 14, конденсаторе 15 и диоде 16, а затем это напряжение преобразуют в переменное с помощью стабилизированного преобразователя напряжения 2 и трансформируют с помощью трансформатора 5 и локальных модулей питания нагрузок (6-1), (6-2) в требуемые номиналы выходного напряжения для потребителей электроэнергии 7.
Напряжение на АБ 3 в предлагаемом устройстве формируется последовательно соединенными "минимального числа" и "запасного" аккумуляторами в соответствии с выражением (4), при этом "минимальное число аккумуляторов" обеспечивает минимально допустимое напряжение в последовательной цепи аккумуляторов АБ 3 в соответствии с выражением (3). Номинальное напряжение Uнoм на АБ 3 в виде результирующего значения минимально допустимого напряжения и напряжения одного аккумулятора (напряжения "запаса") обеспечивает номинальный режим силового транзисторного ключа (3-2) и данный номинальный режим сохраняется в течение всего срока активного существования КА.
Номинальный режим обеспечивается следующим образом. В исходном состоянии напряжение на положительной шине АБ 3 соответствует номинальному значению Uном. Данное Uном через замкнутые ключи последовательных байпасных переключателей (8, 9, 10) подключается к коллектору силового транзисторного ключа (3-2).
В процессе эксплуатации аккумуляторы АБ 3, а также резервные аккумуляторы 19 с помощью БКиВ 12 и Микро ЭВМ 13 контролируют и обеспечивают выравнивания их напряжений и температур (см., например, патент, РФ, №2390478).
При выходе из строя аккумулятора в АБ 3 по сигналу с Микро ЭВМ 13 отказавший аккумулятор исключают путем шунтирования ключами шунтирующего байпасного переключателя БШПП 11 (см., например, патент, РФ, №2415489) при этом затем (на этапе заряде АБ 3) к плюсовой шине АБ 3 подключают первый (19-1) из резервных аккумуляторов 19 через первый последовательный байпасный переключатель 8, сохраняя, при этом условие выражения (4).
При выходе из строя следующего аккумулятора в АБ 3, его аналогично шунтируют ключами байпасного переключателя БШПП 11 при этом затем последовательно к байпасному переключателю 8 подключают второй (19-2) из резервных аккумуляторов 19 через второй последовательный байпасный переключатель 9, сохраняя, при этом условие выражения (4) и т.д. до подключения аналогичным образом n-го из резервных аккумуляторов 19.
Аккумуляторные батареи АБ 3 с блоком шунтирующих байпасных переключателей БШПП 11 и резервные аккумуляторы 19 с последовательными байпасными переключателями (8, 9, 10) могут быть выполнены, например, в виде структурной схемы, представленной на фиг.2, и содержащей составляющие, обозначенные позициями:
11.1-1 - ключи 17.1-1, 17.2-1 первого шунтирующего байпасного переключателя 11;
11.2-1 - управляющий элемент первого шунтирующего байпасного переключателя 11;
11.1-2- ключи 17.1-2, 17.2-2 второго шунтирующего байпасного переключателя 11;
11.2-2 - управляющий элемент второго шунтирующего байпасного переключателя 11;
11.1-N - ключи 17.1 - N, 17.2- N N-го шунтирующего байпасного переключателя 11;
11.2-N - управляющий элемент N-го шунтирующего байпасного переключателя 11;
8-1 - ключи 18.1-1, 18.1-2 первого последовательного байпасного переключателя 8;
8-2 - управляющий элемент первого последовательного байпасного переключателя 8;
9-1 - ключи 18.2-1, 18.2-2 второго последовательного байпасного переключателя 9;
9-2 - управляющий элемент второго последовательного байпасного переключателя 9;
10-1 - ключи 18.n-1, 18.n-2 n-го последовательного байпасного переключателя 10;
10-2 - управляющий элемент n-го последовательного байпасного переключателя 10.
В исходном состоянии контакты ключей 17.1-1, 17.1-2, 17,1-N шунтирующих байпасных переключателей 11 и контакты ключей 18.1-1, 18.2-1, 18.n-1 последовательных байпасных переключателей 8, 9, 10 замкнуты и напряжение питания + Uпит равно + Uном, которое равно сумме напряжений на аккумуляторах (3.1-1÷3.1-N), т.е. - напряжению АБ 3. При выходе из строя одного из аккумуляторов (3.1-1÷3.1-N) разомкнутый ключ одного из байпасных переключателей (11.1-1)÷(11.1-N), шунтирующего данный аккумулятор, замыкают, а замкнутый - размыкают по сигналу от Микро ЭВМ 13, поступающему на один из управляющий элемент (11.2-1÷11.2-N) данного шунтирующего байпасного переключателя (см., патент, РФ, №2415489), тем самым данный аккумулятор исключают из последовательной цепи аккумуляторов АБ 3. Затем, по сигналу от Микро ЭВМ 13, поступающему на первый управляющий элемент 8-2 первого резервного аккумулятора 19-1, ключ (8.1-1) данного аккумулятора размыкают, а ключ (8.2-1) замыкают, тем самым обеспечивают последовательное подключение данного резервного аккумулятора к последовательной цепи аккумуляторов АБ 3 взамен вышедшему из строя аккумулятора. При этом напряжение + Uпит сохраняет прежнее номинальное значение + Uном.
Для исключения сбоев в работе последовательных байпасных переключателей 8, 9, 10 плюсовую шину питания управляющих элементов (8-2), (9-2), (10-2) следует подключать непосредственно к точке + Uном.
При следующем выходе аккумулятора в АБ 3 его шунтируют аналогичным образом и подключают к АБ 3 уже следующий второй резервный аккумулятор 19-2, и т.д. до подключения последнего резервного аккумулятора 19-n.
Следует отметить, что наличие "запасного" аккумулятора в АБ 3 позволяет "не нарушать" работу СЭП ИК при исключении вышедшего из строя аккумулятора и подключении резервного аккумулятора в последовательную цепь аккумуляторов АБ 3. К резервным аккумуляторам 19 также подключают шунтирующие байпасные переключатели 11 с ключами и управляющими элементами (на Фиг. 2 не показано), которые обеспечивают шунтирование вышедшего из строя аккумулятора.
Следует отметить, что в отличие от прототипа резервные аккумуляторы 19 в предлагаемом способе электропитания КА до подключения их последовательную цепь аккумуляторов АБ 3 находятся в энергосберегающем режиме, в результате чего увеличивается ресурс их работы. Под энергосберегающим режимом АБ следует понимать поддержание ее в режиме хранения с проведением периодической тренировки в виде циклического заряда-разряда.
Известно, что оптимальным условием хранения для АБ является заряженность до 40% номинальной емкости (см. Фрэн Хоффард, "Правильная эксплуатация может продлить жизнь литий-ионного аккумулятора", www.powerelectronics.com), поэтому в предлагаемом способе изобретения периодический подзаряд резервных аккумуляторов 19 осуществляют на этапе заряде АБ 3 (в виду того, что питание потребителей электроэнергии 7 в данном режиме осуществляется от СБ 1) путем поочередного подключения их к АБ 3 (затем отключения) с помощью последовательных байпасных переключателей 8, 9, 10. Причем при отключении замкнутый ключ последовательных байпасных переключателей 8, 9, 10 данного аккумулятора размыкают, а затем разомкнутый ключ замыкают. Аналогично образом, при необходимости, периодически проводится тренировочный циклический заряд-разряд резервных аккумуляторов 19 путем поочередного их подключения-отключения к АБ 3. Поочередное подключение-отключение резервных аккумуляторов к АБ 3 позволяет "удерживать" ее напряжение в узком диапазоне.
Таким образом, использование предлагаемого способа обеспечения автономного электропитания позволяет увеличить надежность и ресурс работы СЭП за счет:
- повышение эффективности и надежности работы сериесного преобразователя за счет сохранения номинального напряжения аккумуляторной батареи и напряжения на силовом транзисторе сериесного преобразователя в узком диапазоне в течение всего срока эксплуатации СЭП;
- обеспечения минимального снижения ресурса резервных аккумуляторов ввиду нахождения их в режиме хранения и тренировки до включения в последовательную цепь аккумуляторов АБ;
- выбора необходимого количества резервных аккумуляторов для достижения требуемой надежности СЭП КА, не ограничивающегося режимами работы сериесного преобразователя.
В результате повышения надежности и ресурса работы СЭП повышается ее живучесть и срок активного существования.