СПОСОБ РЕЗЕРВИРОВАНИЯ АККУМУЛЯТОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ACCUMULATOR BACKUP AND DEVICE FOR METHOD IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при эксплуатации аккумуляторных батарей в автономных системах электропитания, в частности в системах электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).
При создании и эксплуатации систем электропитания ИСЗ все более существенное значение приобретает проблема обеспечения необходимой надежности функционирования, которая определяется прежде всего количеством заряд-разрядных циклов, обеспечиваемым аккумуляторной батареей системы. Для увеличения количества заряд-разрядных циклов аккумуляторных батарей необходимо ограничение глубины их разряда, которая зависит от множества эксплуатационных факторов: от величины токов заряда и разряда, от изменения величины нагрузки, деградации емкостных характеристик аккумуляторов, изменения токов утечки аккумуляторов и множества других факторов.
Для повышения надежности функционирования систем электропитания ИСЗ часто используют наращивание мощности этих систем за счет установки дополнительных аккумуляторных батарей. (См., например, "Системы электропитания космических аппаратов". Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г.", глава 2). Однако это неизбежно ведет к резкому снижению удельных энергетических характеристик систем электропитания. В ряде случаев, особенно в условиях малых космических аппаратов, такой подход не допустим. Более целесообразным представляется увеличение длительности ресурса эксплуатации аккумуляторных батарей за счет резервирования отдельных аккумуляторов в составе батареи.
Наиболее близким техническим решением, которое выбрано в качестве прототипа, является "Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли" (Патент РФ №2334337 С1, от 13.06.2007 г.). В этом способе улучшение удельных энергетических характеристик системы электропитания обеспечивают за счет включения дополнительных аккумуляторов в состав батареи. При этом к каждому аккумулятору батареи подсоединяют диодные зарядные и разрядные байпасные цепи, а нагрузку подключают ко всем последовательно соединенным аккумуляторам через понижающий импульсный стабилизатор напряжения (в работе "Патент РФ №2334337 С1, от 13.06.2007 г." он назван преобразователем напряжения 3).
В рассматриваемом способе электропитания в процессе разряда аккумуляторов на нагрузку энергия дополнительно введенных аккумуляторов используется для токовой подпитки всех аккумуляторов батареи за счет уменьшения среднего значения тока разряда их (за счет уменьшения длительности открытого состояния ключевых устройств импульсного стабилизатора напряжения). Аккумуляторы батареи, как правило, имеют различные по своему качеству токовые заряд-разрядные характеристики. Снижение величины тока разряда аккумуляторов, имеющих лучшие заряд-разрядные характеристики в составе батареи, приводит к тому, что для аккумуляторов с пониженной токовой отдачей такая подпитка оказывается недостаточной и по величине, и по длительности, что снижает эффективность использования энергии резервных аккумуляторов, ухудшает токовые заряд-разрядные характеристики всей батареи, уменьшает обеспечиваемое ею количество заряд-разрядных циклов.
Последовательное соединение аккумуляторов в батарее приводит к тому, что она имеет токовые заряд-разрядные характеристики худшего по нагрузочной способности аккумулятора в ее составе. Поэтому для увеличения обеспечиваемого батареей количества заряд-разрядных циклов необходимо в процессе эксплуатации снижать за счет резервных аккумуляторов токовую нагрузку худших по нагрузочной способности аккумуляторов в составе батареи.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение обеспечиваемого количества заряд-разрядных циклов батареи, имеющей в своем составе последовательно соединенные основные и резервные аккумуляторы, повышение эффективности использования энергии резервных аккумуляторов.
Цель достигается тем, что при способе резервирования аккумуляторов автономной системы электропитания, содержащей источник электрической энергии ограниченной мощности и аккумуляторную батарею из последовательно соединенных N основных и К резервных аккумуляторов с байпасными зарядными и разрядными цепями на каждом из них, заключающемся в проведении заряд-разрядных циклов и контроле напряжения на аккумуляторной батарее, дополнительно подзаряжают от индивидуальных источников напряжения только наиболее разряжающиеся аккумуляторы батареи. Индивидуальные источники напряжения реализуют на основе общего для них преобразователя постоянного напряжения. Величину выходных напряжений индивидуальных источников в процессе эксплуатации поддерживают равной среднему значению напряжений на аккумуляторах батареи. Их выходные токи ограничивают допустимой величиной посредством ограничительных резисторов и предохранителей. При этом для питания индивидуальных источников используют электрическую энергию резервных аккумуляторов, в то время как для питания нагрузки используют электрическую энергию только основных аккумуляторов батареи.
В устройство резервирования аккумуляторов, содержащее аккумуляторную батарею с последовательно соединенными N основными К резервными аккумуляторами, с байпасными зарядными и разрядными цепями на каждом из них, и устройство контроля напряжения, подключенное к выходным клеммам аккумуляторной батареи, с этой целью дополнительно вводят и подключают цепями питания к резервным аккумуляторам преобразователь постоянного напряжения с N+K индивидуальными источниками напряжений на выходе, каждый из которых подключают через последовательно соединенные ограничительный резистор и предохранитель к одному из аккумуляторов батареи. При этом нагрузку подключают к основным аккумуляторам батареи, а величину выходных напряжений индивидуальных источников за счет соответствующего подбора коэффициента трансформации трансформатора преобразователя постоянного напряжения делают равной среднему значению напряжений на аккумуляторах батареи.
c
Согласно заявляемому способу распределение электрической энергии резервных аккумуляторов между аккумуляторами с наиболее низкой нагрузочной способностью в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи производят за счет соответствующего выбора коэффициента трансформации трансформатора преобразователя постоянного напряжения. Величину его выбирают такой, чтобы выходные напряжения индивидуальных источников напряжения U были бы равны отношению:
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mtext>С</mtext></msub><mo>=</mo><msub><mtext>U</mtext><mrow><mi>А</mi><mi>Б</mi></mrow></msub><mtext>/(N</mtext><mo>+</mo><mtext>K),                                                                          (1)</mtext></mrow>
АБ
где U - напряжение на аккумуляторной батарее;
N - количество основных аккумуляторов в батарее;
К - количество резервных аккумуляторов в батарее.
АБ
i
Так как напряжение на батарее U равно сумме напряжений U аккумуляторов, входящих в ее состав:
AБ
i
i
U=ZU
i
где U - напряжение i-го аккумулятора;
c
i
то выходные напряжения индивидуальных источников U в этом случае будут равны среднему значению напряжений U на аккумуляторах батареи:
<mrow><msub><mtext>U</mtext><mtext>C</mtext></msub><mo>=</mo><msup><mrow><mtext>(N</mtext><mo>+</mo><mtext>K)</mtext></mrow><mrow><mtext>-1</mtext></mrow></msup><mtext> </mtext><msub><mi>Σ</mi><mtext>i</mtext></msub><msub><mtext>U</mtext><mtext>i</mtext></msub><mtext>.                                                              (2)</mtext></mrow>
На чертеже изображена электрическая схема устройства, реализующего заявляемый способ в случае, когда в качестве резервного аккумулятора используют один аккумулятор из состава батареи, содержащей N+1 аккумуляторов. В состав устройства входят: преобразователь постоянного напряжения 1 с силовым трансформатором Тр, выходными транзисторами T1, Т2 и с индивидуальными источниками напряжения U1…U(N+1); блок ограничителей 2 с предохранителями (например, плавкими) П1…П(N+1) и ограничительными резисторами R1...R(N+1); аккумуляторная батарея 3 с диодными байпасными цепями, с одним резервным аккумулятором А1 и с основными аккумуляторами А2,…, A(N+1); устройство контроля напряжения 4.
Средняя точка первичной обмотки трансформатора Тр преобразователя постоянного напряжения 1 соединена с шиной "+" аккумуляторной батареи 3. Минусовая шина питания преобразователя постоянного напряжения 1 (коллекторы транзисторов Tl, Т2) соединена с шиной "-" резервного аккумулятора А1. Преобразователь постоянного напряжения 1 содержит в своем составе "N+1" индивидуальных источников напряжения U1…U(N+1), каждый из которых соединен через плавкий предохранитель П и ограничительный резистор R с одним аккумулятором батареи 3. Аккумулятор А1 - резервный, аккумуляторы A2…A(N+1) - основные аккумуляторы батареи 3, к которым подключают нагрузку. Ко всем аккумуляторам батареи подключены диодные зарядные и разрядные байпасные цепи. Коэффициент трансформации трансформатора Тр подобран таким образом, что величина выходных напряжений индивидуальных источников напряжения U1…U(N+1) равна среднему значению напряжений Uc на аккумуляторах батареи 3. Устройство контроля напряжения 4 соединено с выходными клеммами аккумуляторной батареи 3. Выходной сигнал устройства контроля напряжения 4 подают на вход управления первичного источника напряжения автономной системы электропитания для ограничения тока заряда. Так, если в качестве первичного источника напряжения используется солнечная батарея с зарядным преобразователем, то выходной сигнал устройства контроля напряжения 4 подают на вход управления зарядного преобразователя. На схеме условно обозначены выводные клеммы аккумуляторной батареи 3 "+"5 " - " и ее ток заряда Iз, подаваемый от первичного источника напряжения.
c
Устройство работает следующим образом. Предполагается, что в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи 3 источник ограниченной мощности (например, солнечная батарея с зарядным преобразователем), от которого запитана аккумуляторная батарея 3, обеспечивает режим заряда ее, ограничивая величину тока заряда Iз аккумуляторной батареи 3 и напряжение на ней допустимыми значениями. При этом преобразователь постоянного напряжения 1 формирует на выходах индивидуальных источников U1…U(N+1) напряжения U, равные среднему значению напряжений на аккумуляторах батареи.
i
i
c
c
i
c
i
i
c
c
Если текущее значение напряжения U на i-ом аккумуляторе из-за пониженной нагрузочной способности его оказывается меньше выходного напряжения подключенного к нему индивидуального источника (U<U), то диоды его выпрямителя открываются - напряжение U подается на i-й аккумулятор. За счет электрической энергии резервного аккумулятора А1 происходит частичная или полная компенсация тока разряда (тока нагрузки) аккумулятора с пониженной нагрузочной способностью и дозаряд его до напряжения, равного среднему значению напряжения на аккумуляторах батареи 3. При этом, чем меньше напряжение на аккумуляторе U, тем больше разность ΔU=U - U и тем большим током заряжается этот аккумулятор от индивидуального источника напряжения - от резервного аккумулятора А1. Если же напряжение на каком-то аккумуляторе батареи оказывается равным среднему значению напряжений на аккумуляторах батареи (U>U), то диоды выпрямителя его индивидуального источника оказываются закрытыми, напряжение U на этот аккумулятор не подается и дозаряд его не производится. Таким образом, от резервного аккумулятора подзаряжаются аккумуляторы только с наиболее низким выходным напряжением в составе батареи (с наиболее худшими заряд-разрядными характеристиками).
c
Если в процессе подзаряда основных аккумуляторов напряжение на резервном аккумуляторе А1 падает и становится ниже величины U, то снижается и напряжение на выходе индивидуальных источников U1…U(N+1). Выпрямительные диоды их закрываются, отключая тем самым индивидуальные источники от основных аккумуляторов. Преобразователь постоянного напряжения 1 начинает работать в режиме холостого хода. Процесс подзаряда основных аккумуляторов не возобновляется до тех пор, пока напряжения на основных аккумуляторах батареи понизятся за счет тока нагрузки и на некоторых из них станут меньше напряжения индивидуального источника.
c
c
Если же при этом одновременно производится заряд аккумуляторов батареи током заряда Iз, то за счет его напряжение на выходе резервного аккумулятора А1 может возрастать, в то время как напряжение на основных аккумуляторов A2…A(N+1) из-за тока нагрузки возрастет гораздо медленнее. Поэтому напряжения U на выходе индивидуальных источников тоже начинает возрастать и становится больше выходного напряжения одного из основных аккумуляторов, выпрямительные диоды его индивидуального источника открываются - режим подзаряда основных аккумуляторов возобновляется. При этом, если Iз превышает по величине ток потребления преобразователя постоянного напряжения 1, то напряжение на А1 будет продолжать расти, увеличивая выходные напряжения индивидуальных источников напряжения U1…U(N+1) и количество индивидуальных источников с открытыми выпрямительными диодами. Как только напряжение на аккумуляторной батарее 3 достигнет предельно допустимого значения, устройство контроля напряжения 4 вырабатывает сигнал на снижение тока заряда Iз или полное прекращение его. За счет тока нагрузки начинается спад напряжения на основных аккумуляторах батареи. При этом режим подзаряда основных аккумуляторов продолжается за счет энергии резервного аккумулятора А1 до тех пор, пока напряжение U станет ниже напряжений основных аккумуляторов батареи.
c
Таким образом, в режиме автомата происходит подзаряд аккумуляторов батареи с одновременной стабилизацией выходного напряжения индивидуальных источников напряжения на уровне U. При этом резервный аккумулятор А1 отдает электрическую энергию только тем основным аккумуляторам, которые имеют наиболее низкое выходное напряжение и, следовательно, обладают худшими токовыми заряд-разрядными характеристиками в составе батареи в текущий момент времени.
Байпасные цепи за счет соответствующего включения диодов при нормальном функционировании аккумуляторов выключены и существенного влияния на работу схемы не оказывают. Если же внутреннее сопротивление какого-либо аккумулятора батареи неожиданно возрастает, то включенный параллельно аккумулятору одиночный байпасный диод обеспечивает прохождение на нагрузку токов разряда аккумуляторов. Три последовательно включенных байпасных диода (количество диодов зависит от величины рабочего напряжения аккумулятора) обеспечивают прохождение токов заряда аккумуляторов и исключают возможность превышения напряжением аккумулятора предельно допустимого значения. Ограничительные резисторы R1…R(N+1) задают значения рабочих токов индивидуальных источников U1…U(N+1). Если внутреннее сопротивление аккумулятора неожиданно снижается до критического значения (например, возникает режим короткого замыкания аккумулятора), то предохранитель П в аварийном порядке отключает от него индивидуальный источник напряжения.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет увеличить обеспечиваемое количество заряд-разрядных циклов батареи, имеющей в своем составе последовательно соединенные основные и резервные аккумуляторы, за счет токовой подпитки от резервных аккумуляторов только тех ее основных аккумуляторов, токовые заряд-разрядные характеристики которых в текущий момент времени хуже аналогичных характеристик других основных аккумуляторов батареи, и, следовательно, обеспечивает достижение поставленной цели.
Источники информации
1. Суетин Б.П., Иванчура В.И., Чернышев А.И., Исляев Ш.Н. Системы электропитания космических аппаратов, Новосибирск: ВО Наука, 1994 г.
2. Патент РФ №2334337 C1, H02J 7/35, от 13.06.2007 г.