СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
METHOD TO CONTROL AUTONOMOUS SYSTEM OF SPACECRAFT POWER SUPPLY

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения (СЭС) космических аппаратов (КА), с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей (СБ), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей (АБ).
Известен способ управления автономной системой электроснабжения (патент РФ №2059988, H02J 7/35), содержащей солнечную батарею (СБ), стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, «n» аккумуляторных батарей (n≥1) и по «n» (по числу АБ) зарядных и разрядных устройств, а также для каждой АБ - устройства контроля степени заряженности.
В известной СЭС осуществляется непрерывное управление стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного (напряжение СБ) и выходного напряжений СЭС. При этом зарядные устройства обеспечивают заряд АБ, а стабилизатор напряжения и разрядное устройство обеспечивают питание потребителей.
Цепи непрерывного управления (обратной связи) зарядного устройства подключены к шине СБ и шине нагрузки, а цепи непрерывного управления стабилизатора напряжения и разрядного устройства подключены к шине нагрузки.
В зависимости от степени заряженности или разряженности АБ производится запрет или разрешение работы зарядного устройства и разрядного устройства.
Такое управление обеспечивает длительную автономную работу СЭС. Однако оно не обеспечивает сохранение работоспособности СЭС при нештатных или аварийных ситуациях на КА. В случае нештатного, незапланированного нарушения ориентации солнечных батарей КА на Солнце происходит нарушение энергобаланса в СЭС. Если потеря ориентации будет достаточно длительной, может произойти полный разряд всех АБ. Питание бортовых потребителей после этого прекратится.
Известен способ управления автономной системой электроснабжения (патент РФ №2168828, H01J 7/36), содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, где n≥1, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батарей и нагрузкой и по n зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы, контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей, запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей и отключении части разрядных устройств, когда мощности оставшихся в работе разрядных устройств недостаточно для питания нагрузки, запрещают работу всех разрядных устройств и стабилизатора напряжения, а также прекращают управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности, после этого при опасности переполюсовки аккумуляторов какой-либо аккумуляторной батареи к ней подключают устройство защиты аккумуляторов от переполюсовки, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце сначала производят заряд аккумуляторных батарей до некоторого значения емкости, а затем разрешают работу стабилизатора напряжения и возобновляют управление разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности, устройство защиты аккумуляторов от переполюсовки отключают после начала заряда аккумуляторной батареи.
Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению.
Известный способ решает задачу предотвращения выхода из строя аккумуляторов АБ, восстановления нормального функционирования СЭС после нештатной или аварийной ситуации.
Однако известный способ не учитывает следующий факт. В настоящее время на КА нашли широкое применение СЭС с несколькими номиналами выходного напряжения. Как правило, это системы электроснабжения с параллельным стабилизатором напряжения солнечной батареи (на уровне 100 В и более) и дополнительной стабилизацией напряжений нагрузок меньшего номинала от шин первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями. Структура таких СЭС отражена в патенте №2258292 RU от 10 августа 2005 г. согласно которому питание нагрузки постоянным током от источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключается в стабилизации напряжения на нагрузке и согласовании работы первичного и вторичного источников электроэнергии, при этом стабилизируют n номиналов напряжения, причем вначале стабилизируют напряжение на нагрузке, имеющей максимальное напряжение питания, а стабилизацию напряжения остальных (n-1) нагрузок проводят от шин питания первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, при этом согласование работы первичного и вторичного источников электроэнергии проводят только на первом уровне стабилизации напряжения, кроме того, стабилизацию напряжения на первом уровне проводят шунтовым или короткозамкнутым стабилизированным преобразователем.
Применительно к таким СЭС известное изобретение требует существенной и принципиальной доработки.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности СЭС при возниковении аварийных ситуаций связанных с незапланированной потерей ориентации КА на Солнце.
Поставленная задача решается тем, что в автономной системе электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и n аккумуляторных батарей, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батарей и нагрузкой и по n зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы, контроле степени заряженности и разряженности аккумуляторных батарей, запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разряженности данной аккумуляторной батареи, снятии этого запрета при достижении определенного уровня заряженности данной аккумуляторной батареи, при этом, в случае потери ориентации солнечных батарей на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей, запрещают(блокируют) работу всех разрядных устройств, после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце и заряда аккумуляторных батарей до заданного уровня снимают блокировку работы всех разрядных устройств, в системе электроснабжения с параллельным стабилизатором напряжения солнечной батареи и дополнительной стабилизацией напряжений нагрузок меньшего номинала от шин первой нагрузки сериесными стабилизированными преобразователями, блокируют так же работу данных сериесных стабилизированных преобразователей, при этом контролируют ток солнечной батареи, а снимают блокировку работы сериесных стабилизированных преобразователей после превышения тока солнечной батареи заранее заданного значения. При этом, блокировку работы сериесных стабилизированных преобразователей снимают после превышения тока солнечной батареи величины рассчитанной исходя из соотношения:
сп
сп
зар
зар
Iбc>(∑P/U+P/U)·n·k, где
Iбс - ток солнечной батареи; А;
сп
P - мощность сериесного стабилизированного преобразователя; Вт;
сп
U - напряжение нагрузки сериесного стабилизированного преобразователя; Вт;
зар
P - мощность для заряда аккумуляторных батарей; Вт;
зap
U - минимальное зарядное напряжение; Вт;
n - число аккумуляторных батарей;
k - коэффициент технологического запаса (учитывающий КПД преобразователей и прочее),
или величины рассчитанной исходя из соотношения:
сп
БС
Iбс>(∑P)k/U, где
Iбс -ток солнечной батареи, А;
сп
P - мощность сериесного стабилизированного преобразователя, Вт;
k - коэффициент технологического запаса (учитывающий КПД преобразователей и прочее);
БС
U - номинальное напряжение солнечной батареи, В.
При разряде каждой АБ до нижнего установленного уровня данная АБ переводится в режим хранения.
После отключения соответствующего разрядного устройства питание нагрузки осуществляется оставшимися включенными разрядными устройствами от других АБ, еще не достигших установленного уровня разряженности.
В случае, если после запрета работы нескольких разрядных устройств мощности оставшихся в работе АБ и соответствующих разрядных устройств окажется недостаточно для обеспечения питания бортовых потребителей, запрещают работу всех разрядных устройств и сериесных стабилизированных преобразователей. Сигналом на переход СЭС в режим хранения может быть, так же, снижение напряжения на выходных шинах СЭС до определенного значения (при недостатке мощности работающих разрядных устройств выходное напряжение СЭС начнет снижаться).
На фиг.1 приведены графики вольт-амперных характеристик (ВАХ) СБ при выходе ее из тени 1, график мощности СБ в зависимости от напряжения 2 и характеристика потребления тока нагрузкой 3 в зависимости от напряжения. Последняя изображена линейной, что достаточно близко к реальной для дежурного режима работы СЭС КА. При этом, Uxx - напяжение холостого хода СБ, a Upт - напряжение в рабочей точке (точке максимальной мощности) СБ.
При случайном появлении освещенности СБ или восстановлении ориентации СБ на Солнце и повышения напряжения на выходе параллельного стабилизатора до номинального значения начнет осуществляться заряд АБ. При этом можно снять блокировку работы разрядных устройств и сериесных стабилизированных преобразователей. Однако, раннее включение сериесных стабилизированных преобразователей может привести к тому, что напряжение СБ останется на уровне меньше номинального значения (по вольт-амперной характеристике - левее напряжения в рабочей точке) из-за потребления нагрузки автономной системы электропитания при не регулирующих сериесных преобразователях (силовые транзисторы полностью открыты). Это явление характерно для СЭС с высоким выходным напряжением (100 В и более), когда для получения высокой удельной мощности используют СБ с высоким напряжением и пропорционально меньшим током (для снижения активных потерь мощности). Поэтому эффективным решением здесь будет включение сериесных стабилизированных преобразователей при токе СБ достаточном для обеспечения как заряда аккумуляторных батарей, так и для питания потребителей через сериесные преобразователи напряжения. Это состояние рабочей точки СБ (приближенное к напряжению холостого хода или точнее к рабочей точке с максимальной мощностью). При использовании в системе электроснабжения параллельного стабилизатора напряжения солнечной батареи имеется возможность контролировать ток СБ даже при отсутствии нагрузки, так как в этом случае весь ток идет через короткозамыкающий регулирующий транзистор (после достижения уровня стабилизируемого напряжения, например 100 В).
На фиг.2, приведена функциональная схема автономной системы электроснабжения КА для реализации заявляемого способа в которой используется один сериесный стабилизированный преобразователь для организации второго (более низкого, например 27 В) напряжения.
1
n
1
n
1
n
Автономная система электроснабжения КА содержит солнечную батарею 1 с токовым измерительным шунтом 1-1 в минусовой цепи, подключенную к нагрузке 2, через параллельный стабилизатор напряжения 3 солнечной батареи 1, аккумуляторные батареи 4-4, подключенные через зарядные устройства 5-5 к солнечной батарее 1, а через разрядные устройства 6-6 к входу выходного фильтра 23 стабилизатора напряжения 3. Параллельно нагрузке 2 через сериесный стабилизированный преобразователь напряжения 20 подключена низковольтная нагрузка 2-1.
При этом нагрузка 2-1 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию (на схеме не показано).
1
n
1
n
1
n
Параллельно аккумуляторным батареям 4-4 подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7-7 связанные входом с аккумуляторными батареями 4-4 для контроля напряжения аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2-1.
1
n
В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8-8.
Параллельный стабилизатор напряжения 3 состоит из короткозамыкающего регулирующего транзистора 21, управляемого схемой управления 22 и развязывающего диода 23 в плюсовой шине СБ.
1
n
Зарядные устройства 5-5 состоят из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10, вольтодобавочного узла, выполненного на трансформаторе 5-3, транзисторах 5-1 и 5-2 и выпрямителя на диодах 5-4 и 5-5.
1
n
Разрядные устройства 6-6 состоят из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.
Сериесный стабилизированный преобразователь напряжения 20 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 15 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 18 и конденсаторе 16.
1
n
1
n
1
n
1
n
Схемы управления: 10 - зарядных устройств 5-5, 12 - разрядных устройств 6-6, 22 - параллельного стабилизатора напряжения 3 и 14 - сериесного стабилизированного преобразователя напряжения 20, выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных устройств 5-5 дополнительно связаны с измерительными шунтами 8-8 и нагрузкой 2.
Датчик контроля тока 19 солнечной батареи 1 подключен входом к шунту 1-1 солнечной батареи 1, а выходом к сериесному стабилизированному преобразователю напряжения 20.
1
n
1
n
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 устройства 5-5. Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через параллельный стабилизатор напряжения 3, а нагрузки 2-1 через сериесный стабилизированный преобразователь 20.
1
n
1
n
При прохождении теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4-4 через разрядные устройства 6-6.
1
n
1
n
Устройства контроля аккумуляторных батарей 7-7 контролируют напряжение аккумуляторов аккумуляторных батарей 4-4 и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2-1.
В процессе эксплуатации КА, по результатам анализа информации о состоянии АБ (в основном - напряжение аккумуляторов и АБ в целом), по аппаратной логике или по заранее заложенной в бортовую ЭВМ программе формируется запрет на работу всех разрядных устройств и сериесного стабилизированного преобразователя.
Данная ситуация возникнет в случае потери ориентации солнечных батарей КА на Солнце, аварийном разряде аккумуляторных батарей и отключении части разрядных устройств, когда мощности оставшихся в работе разрядных устройств недостаточно для питания нагрузки. При этом, запрещают работу всех разрядных устройств, дополнительно запрещают работу сериесного стабилизированного преобразователя напряжения 20.
После восстановления (частичного или полного) ориентации солнечных батарей на Солнце после повышения напряжения на выходе параллельного стабилизатора 3 до номинального значения идет заряд аккумуляторных батарей. Запрет на работу разрядных устройств снимается после заряда АБ до определенного уровня, а запрет на работу сериесного стабилизированного преобразователя напряжения 20 снимают по сигналу датчика 19 контроля тока СБ, после превышения тока солнечной батареи заранее заданного значения. Величину заранее заданного значения тока СБ можно рассчитать исходя из соотношения:
сп
сп
зар
зар
IбС>(∑P/U+P/U)·n·k, где
Iбс - ток солнечной батареи;
сп
P - мощность сериесного стабилизированного преобразователя;
сп
U - напряжение нагрузки сериесного стабилизированного преобразователя;
зар
P - мощность для заряда аккумуляторных батарей;
зap
U - минимальное зарядное напряжение;
n - число аккумуляторных батарей;
k - коэффициент технологического запаса (учитывающий КПД преобразователей и прочее) или исходя из соотношения:
сп
БС
Iбс>(∑P)k/U, где
Iбс - ток солнечной батареи, А;
сп
P - мощность сериесного стабилизированного преобразователя, Вт;
k - коэффициент технологического запаса (учитывающий КПД преобразователей и прочее);
БС
U - номинальное напряжение солнечной батареи, В.
Таким образом, заявляемый способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата обеспечивает повышение надежности СЭС при возниковении аварийных ситуаций связанных с незапланированной потерей ориентации КА на Солнце.