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. В случае применения литий-ионных аккумуляторных батарей полный их разряд приведет к необратимому отказу аккумуляторов. Кроме того, при применении литий-ионных аккумуляторных батарей, ограничение заряда которых проводится по напряжению батареи (аккумуляторов), заряд аккумуляторных батарей может оказаться невозможным из-за повышенного внутреннего сопротивления аккумуляторов по причине их пониженной температуры в данной ситуации. На практике (в такой ситуации) имело место отключение заряда АБ сразу после его включения, так как зарядное напряжение оказалось выше его предельного уровня, хотя напряжение разомкнутой цепи АБ было достаточно низким. При этом в рабочем диапазоне температур напряжение разомкнутой цепи не отличается существенно от зарядного напряжения.
Известен способ управления автономной системой электроснабжения (заявка №2010141492 от 08.10.2010 г., положительное решение от 18.06.2012 г.), содержащей солнечную батарею и «N» аккумуляторных батарей, каждая из которых состоит из «n» последовательно соединенных аккумуляторов, где «N»≥1, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой, и «N» зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения и зарядно-разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электроснабжения, 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, запрете на работу всех разрядных устройств, когда мощности оставшихся в работе разрядных устройств недостаточно для питания нагрузки, отличающийся тем, что при использовании в качестве аккумуляторных батарей литий-ионных аккумуляторных батарей, в процессе разряда уровень заряженности контролируют по их напряжению либо напряжению аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи, кроме того, нагрузка разделена на дежурную и сеансную составляющие, при этом, 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, вначале формируют сигнал на отключение сеансной нагрузки, после чего запрещают работу всех разрядных устройств, дополнительно блокируют потребление по нерегулируемым цепям разряда аккумуляторных батарей, а после восстановления ориентации солнечных батарей на Солнце и заряда аккумуляторных батарей до заданного значения напряжения снимают запрет на работу разрядных устройств и блокировку по нерегулируемым цепям разряда аккумуляторных батарей.
Этот способ принят за прототип заявляемому изобретению. Известный способ решает задачу предотвращения выхода из строя аккумуляторов литий-ионных АБ, восстановления нормального функционирования СЭС после нештатной или аварийной ситуации. Однако он не решает задачу обеспечения заряда литий-ионных АБ в случае возникновения нештатной пониженной температуры аккумуляторов АБ. Это снижает надежность эксплуатации АБ в составе СЭС КА.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности эксплуатации АБ в составе СЭС КА.
Поставленная задача решается тем, что при управлении автономной системой электроснабжения космического аппарата, содержащей солнечную батарею и «N» аккумуляторных батарей, где «N»≥1, стабилизатор напряжения, включенный между солнечной батареей и нагрузкой и «N» зарядных и разрядных устройств, заключающийся в управлении стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электроснабжения, напряжения аккумуляторных батарей, запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении предельного уровня зарядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов, снятии этого запрета при достижении определенного уровня напряжения аккумуляторной батареи, запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении предельного уровня разрядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов, снятии этого запрета при достижении определенного уровня напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов устанавливают минимальный период времени достижения предельного уровня зарядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов от момента включения заряда, при этом при включении заряда и достижении предельного уровня напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов в течение времени менее установленного минимального периода включают режим ограничения тока заряда по установленному уровню напряжения заряда аккумуляторной батареи. При этом минимальный период времени достижения предельного уровня напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов устанавливают не более 1 минуты. Кроме того, отключение режима ограничения тока заряда по установленному уровню напряжения заряда аккумуляторной батареи проводят после снижения зарядного напряжения ниже установленного уровня напряжения заряда.
Действительно, литий-ионные аккумуляторные батареи имеют очень низкое внутреннее сопротивление в рабочем диапазоне температур. Однако при снижении температуры аккумуляторов до уровня, близкого к температуре замерзания электролита, их внутреннее сопротивление существенно повышается, что может привести к тому, что при включении заряда и появлении зарядного тока напряжение аккумуляторной батареи (аккумуляторов) превысит предельный уровень и заряд отключится. Для обеспечения заряда аккумуляторной батареи необходимо уменьшить зарядный ток до величины, при которой зарядное напряжение не превысит предельный уровень. При этом одновременно с зарядом будет идти процесс повышения температуры аккумуляторов до рабочего диапазона. После достижения температуры аккумуляторной батареи рабочего диапазона ток заряда может быть повышен до номинальной величины. Объективным признаком вхождения аккумуляторной батареи в рабочий диапазон температур может быть факт снижения зарядного напряжения.
Следует обратить внимание на минимальный период времени достижения предельного уровня зарядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов от момента включения заряда, так как при напряжении на литий-ионном аккумуляторе более 4,3 В возможно осаждение металлического лития на аноде, ведущее к выходу аккумулятора из строя. Учитывая определенную инертность электрохимических процессов и динамику стабильной работы устройств переключения режимов работы стабилизированных преобразователей, представляется рациональным ограничить величину периода времени достижения предельного уровня зарядного напряжения аккумуляторной батареи одной минутой.
Отключение режима ограничения тока заряда по установленному уровню напряжения заряда аккумуляторной батареи при необходимости можно провести после снижения зарядного напряжения ниже установленного уровня напряжения заряда.
На фиг.1 приведена функциональная схема автономной системы электроснабжения КА для реализации заявляемого способа.
1
n
1
n
1
n
Автономная система электроснабжения КА содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через стабилизатор напряжения 3, аккумуляторные батареи 4-4, подключенные через зарядные устройства 5-5 к солнечной батарее 1, а через разрядные устройства 6-6 к входу выходного фильтра стабилизатора напряжения 3.
При этом нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.
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
n
В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8-8.
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.
Стабилизатор напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра-конденсатора 15 и выходного фильтра на диоде 17, дросселе 18 и конденсаторе 16.
1
n
1
n
1
1
Схемы управления: 10 зарядных устройств 5-5, 12 - разрядных устройств 6-6, 14 - стабилизатора напряжения 3 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных устройств 5-5n дополнительно связаны с измерительными шунтами 8-8n и нагрузкой 2.
1
1
n
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4-4n работают в основном в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные устройства 5-5. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации КА на Солнце) или на прохождение штатных теневых участков орбиты.
Питание нагрузки 2 осуществляется при этом от солнечной батареи 1 через стабилизатор напряжения 3.
1
1
n
При прохождении теневых участков орбиты либо при нарушении ориентации КА нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4-4n 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. Напряжение аккумуляторной батареи в целом может быть вычислено путем суммирования напряжения аккумуляторов.
В процессе эксплуатации КА по результатам программного анализа информации о состоянии АБ (в основном - напряжение аккумуляторов и АБ в целом и токах заряда или разряда) по заранее заложенной в бортовую ЭВМ программе проводится включение и отключение заряда АБ либо ограничение, при необходимости, разряда. При этом контролируется минимальный период времени достижения предельного уровня зарядного напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов от момента включения заряда (появление зарядного тока) и при включении заряда и достижении предельного уровня напряжения аккумуляторной батареи либо ее аккумуляторов, в течение времени менее установленного минимального периода включают режим ограничения тока заряда по установленному уровню напряжения заряда аккумуляторной батареи. Для этого схемы управления зарядных устройств имеют несколько уровней стабилизации зарядного тока или зарядного напряжения (или то и другое), кроме того, они имеют связь с нагрузкой (бортовой ЭВМ).
Таким образом, заявляемый способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата обеспечивает надежную эксплуатацию АБ в составе СЭС КА при возникновении нештатных ситуаций, связанных со снижением температуры АБ ниже рабочего диапазона, что повышает надежность эксплуатации АБ в составе СЭС КА.