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.
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 он неработоспособен при применении литий-ионных аккумуляторных батарей. Так, например, устройства защиты аккумуляторов от переполюсовки проблематично (скорее невозможно) реализовать при отсутствии мощности первичного источника электроэнергии - СБ.
Кроме того, известный способ не учитывает, что:
1. К АБ остаются подключенными по нерегулируемым цепям разряда, развязанным диодами в направлении протекания разрядного тока, обобщенная шина СБ-АБ, используемая для подключения наиболее ответственных узлов СЭС;
2. Наличие устройств контроля состояния АБ и прочее. Следовательно, наряду с саморазрядом АБ, присутствует и некоторый ток внешнего разряда АБ. Полное же отключение устройств контроля от АБ чаще всего нецелесообразно.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности СЭС путем предотвращения выхода из строя аккумуляторов литий-ионной АБ и восстановления нормального функционирования СЭС в процессе и после нештатной или аварийной ситуации.
Поставленная задача решается 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. Кроме того, запрещают работу всех разрядных устройств при достижении напряжения на аккумуляторной батарее величины не менее (2,7n+ΔU(n-1)), В, либо напряжения на каком-либо аккумуляторе не менее 2,7 В, где ΔU - максимально допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению, 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, формируют сигнал на отключение сеансной нагрузки и, если это не приводит к повышению напряжения АБ, запрещают работу всех разрядных устройств. Сигналом на переход СЭС в режим хранения может быть также снижение напряжения на выходных шинах СЭС до определенного значения (при недостатке мощности работающих разрядных устройств выходное напряжение СЭС начнет снижаться).
Следует отметить, что сеансная нагрузка (для связных КА это, в основном, ретранслятор) рассчитана на работу в узком диапазоне питающего напряжения, в то время как дежурная нагрузка (системы терморегулирования, ориентации, командно-измерительная и т. д.) должна сохранять работоспособность в диапазоне питающего напряжения от нуля до номинального значения и несколько выше.
Таким образом, в случае нештатной или аварийной ситуации на объекте (потеря ориентации СБ на Солнце) вначале формируют сигнал на отключение сеансной нагрузки, после чего запрещают работу всех разрядных устройств, дополнительно блокируют потребление по нерегулируемым цепям разряда аккумуляторных батарей, что позволяет избежать критичного разряда аккумуляторов АБ, приводящего к выходу их из строя, а также защитить сеансную нагрузку от воздействия несанкционированного напряжения питания.
При случайном появлении освещенности СБ или восстановлении ориентации СБ на Солнце начнет осуществляться заряд АБ. Через некоторое время после начала заряда напряжение на аккумуляторах возрастет выше минимально допустимого (установленного) уровня.
При достижении требуемого уровня заряженности у аккумуляторных батарей снимают запрет работы всех разрядных устройств и блокировку потребления по нерегулируемым цепям разряда АБ. Питание бортовых потребителей возобновляется от стабилизатора напряжения или от разрядных устройств, в зависимости от соотношения мощности нагрузки и мощности, генерируемой СБ. Поскольку АБ заряжены, то напряжение на выходе СЭС будет равно номинальному.
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. Кроме того, нагрузка разделена на дежурную и сеансную составляющие (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
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 на конденсаторе 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, 14 стабилизаторов напряжения 3, 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.
1
n
Обобщенная шина СБ-АБ 19, используемая для подключения наиболее ответственных узлов СЭС, связана с солнечной 1 и аккумуляторными 4-4 батареями через диоды 21, 20 и 22 соответственно, при этом в цепях связи с АБ предусмотрены коммутаторы 23 и 24, управляемые нагрузкой 2.
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. 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 стабилизатор напряжения 3.
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. Напряжение аккумуляторной батареи в целом может быть вычислено путем суммирования напряжения аккумуляторов.
В процессе эксплуатации КА, по результатам анализа информации о состоянии АБ (в основном - напряжение аккумуляторов и АБ в целом), по заранее заложенной в бортовую ЭВМ программе формируется запрет на работу всех разрядных устройств и блокировка неуправляемых цепей разряда АБ. Снятие запрета и блокировки может быть проведено также по программе или по команде с Земли через командно-измерительную радиолинию после анализа телеметрической информации с КА.
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 вначале формируют сигнал на отключение сеансной нагрузки и только после этого запрещают работу всех разрядных устройств, дополнительно блокируют потребление по нерегулируемым цепям разряда аккумуляторных батарей.
При использовании в качестве аккумуляторных батарей литий-ионных аккумуляторных батарей, в процессе разряда уровень заряженности АБ контролируют по их напряжению либо напряжению аккумуляторов каждой аккумуляторной батареи.
При этом запрещают работу всех разрядных устройств при достижении напряжения на аккумуляторной батарее величины не менее (2,7n+ΔU(n-1)), В, либо напряжения на каком-либо аккумуляторе не менее 2,7 В, где n - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее, a ΔU - максимально допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению, В.
На фиг.2 приведена разрядная характеристика литий-ионного аккумулятора ЛИГП-10А, изготовления предприятия ОАО "Сатурн", г.Краснодар.
Как видно из чертежа, по характеру снижения напряжения аккумулятора, при напряжении 2,7 В емкость в аккумуляторе минимальна.
В случае если контроль аккумуляторной батареи проводится по ее общему напряжению, необходимо 2,7 В умножить на количество аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи и добавить величину (поправку), учитывающую допустимый разбаланс аккумуляторов по напряжению. При этом выбрать «худший» вариант, когда все аккумуляторы, кроме одного, равны по напряжению и превосходят упомянутый один на величину допустимого разбаланса по напряжению.
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.
Таким образом, заявляемый способ управления автономной системой электроснабжения космического аппарата обеспечивает предотвращение выхода из строя аккумуляторов литий-ионной АБ и восстановление нормального функционирования СЭС в процессе и после нештатной или аварийной ситуации КА, что повышает надежность СЭС и КА в целом.