КОМПЛЕКС АВТОМАТИКИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Предлагаемая полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в системах электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА) с первичными источниками - солнечными батареями (СБ) и накопителями энергии - аккумуляторными батареями (АБ), в качестве согласующего устройства - комплексом автоматики и стабилизации (КАС), обеспечивающим питание нагрузки (бортовой аппаратуры КА) постоянным током, совместную работу СБ и АБ, а также управление и контроль функционирования СЭП КА на всех этапах ее эксплуатации.
Известен комплекс автоматики и стабилизации системы электропитания КА «Канопус-Вулкан» [1], обеспечивающий питание бортовой аппаратуры электрической энергией постоянного тока, с номинальным напряжением 28 В и мощностью до 750 Вт и содержащий стабилизатор напряжения (СН), зарядный блок (ЗБ) и разрядный блок (РБ), первый и второй коммутаторы (К1 и К2), датчики токов и напряжений солнечной батареи (ДТСБ и ДНСБ), нагрузки (ДТН и ДНН) и аккумуляторной батареи (ДТАБ и ДНАБ), блок контроля датчиков давления и температуры никель-водородной АБ (БКДТ), блок коммутации (БК), блок телеметрического контроля (БКТМ) и экстремальный регулятор мощности (ЭРМ) (фиг. 1).
Известное устройство работает следующим образом. В БК поступают команды на включение коммутаторов К1 и К2, предназначенных для подключения силовых цепей источников энергии - солнечной и никель-водородной аккумуляторной батареи типа 28НВ40. При замыкании контакта второго коммутатора К2 силовое напряжение аккумуляторной батареи поступает на вход разрядного блока, который осуществляет стабилизацию напряжения на выходе СЭП при работе от аккумуляторной батареи, когда СБ не освещена или отключена первым коммутатором К1. При замыкании контакта первого коммутатора напряжение солнечной батареи поступает на вход стабилизатора напряжения, который осуществляет стабилизацию напряжения на входе СЭП при освещенных панелях СБ. При этом через зарядный блок происходит заряд аккумуляторной батареи. Причем в соответствии с техническими характеристиками (диапазоны изменения напряжения) СБ и АБ стабилизатор напряжения и разрядный блок представляют собой импульсные транзисторные преобразователи постоянного тока понижающего типа, а зарядный блок представляет собой последовательное соединение импульсных транзисторных преобразователей понижающего и повышающего типа. Блок контроля датчиков давления АБ (типа УКЗА) и датчиков температуры АБ (типа ТЭП 012-03) БКДТ, измеряют параметры никель-водородной аккумуляторной батареи и обрабатывая их по заданному алгоритму управляют режимами работы АБ, воздействуя на входы отключения зарядного и разрядного блоков, через блок коммутации БК, осуществляющий также прием управляющих команд от других бортовых систем КА.
СБ опт
Экстремальный регулятор мощности солнечной батареи, используя сигналы с датчиков тока и напряжения СБ и воздействуя на управляющие входы СН и ЗБ, обеспечивает работу СБ при напряжении, при котором СБ генерирует максимально возможную в текущий момент времени мощность Р. Регулирование напряжения СБ в этой (оптимальной) точке ее ВАХ происходит за счет изменения токов заряда и разряда АБ.
В блок телеметрического контроля поступает информация с датчиков токов и напряжений солнечной батареи, нагрузки и аккумуляторной батареи, преобразовывается в требуемый диапазон и поступает в бортовую систему телеметрического контроля (БСТК) для контроля функционирования СЭП и выдачи при необходимости команд корректирующих алгоритм функционирования.
Известное устройство обладает высокой энергетической эффективностью вследствие максимального использования энергии солнечной батареи, автономностью работы за счет аппаратной реализации управления режимами работы АБ, СБ и СЭП в целом, хорошими ресурсными возможностями вследствие организации оптимальных режимов эксплуатации АБ, обеспечивает заданное качество электрической энергии постоянного тока для питания бортовой аппаратуры КА.
Однако надежность, энергетическую эффективность и мощность СЭП можно существенно увеличить, тем самым улучшить эксплуатационные характеристики КА.
Достигаемым техническим результатом предлагаемой полезной модели является (фиг. 2) повышение надежности и улучшение энергетических характеристик (возможностей) путем дополнительного введения: второго зарядного и второго разрядного блоков, обеспечивающих заряд и разряд на нагрузку второй никель-водородной АБ, второго блока контроля датчиков давления и температуры для измерения параметров второй никель-водородной аккумуляторной батареи, датчиков тока и напряжения второй никель-водородной аккумуляторной батареи, третьего и четвертого коммутатора К3 и К4 для подключения внешних разрядных резисторов для профилактических разрядов двух АБ. Во всех ЗБ и РБ применяются модули управления, позволяющие равномерно распределять токи заряда и разряда между двумя АБ. Причем в соответствии с техническими характеристиками (диапазоны изменения напряжения) СБ и АБ стабилизатор напряжения и первый и второй разрядные блоки представляют собой импульсные транзисторные преобразователи постоянного тока понижающего типа, а первый и второй зарядные блоки представляют собой последовательное соединение импульсных транзисторных преобразователей понижающего и повышающего типа.
Предложенное устройство работает следующим образом. По командам от стартового комплекса или от бортовых систем КА в БК поступают команды на включение коммутаторов К1 и К2, предназначенных для подключения силовых цепей источников энергии - солнечной и двух никель-водородных аккумуляторных батарей типа 28НВ40. При замыкании контактов К2.1, К2.2 второго коммутатора К2 силовое напряжение первой аккумуляторной батареи поступает на вход первого разрядного блока, силовое напряжение второй аккумуляторной батареи поступает на вход второго разрядного блока, два разрядных блока, работая параллельно, осуществляют стабилизацию напряжения на выходе СЭП, когда СБ не освещена или отключена первым коммутатором К1. При этом обеспечивается возможность питания нагрузки в два раза большей мощностью. За счет использования в разрядных блоках модулей управления, позволяющих распределять токи разряда между аккумуляторными батареями, аккумуляторные батареи будут разряжаться равными точками (в отсутствие внешних команд управления), обеспечивая тем самым максимально полное использование их емкости. В случае если произошел разбаланс по текущей емкости между двумя АБ, то по внешней команде управления блок коммутации воздействует на входы управления распределением токов разряда первого и второго разрядных блоков. Происходит перераспределение токов разряда между АБ и разбаланс по емкости может быть устранен. Аналогичным образом КАС функционирует и в случае, если по какой-либо причине (деградация параметров, отказы и т.д.) необходимо изменить распределение токовой нагрузки между АБ.
При замыкании контакта первого коммутатора напряжение солнечной батареи поступает на вход стабилизатора напряжения, который осуществляет стабилизацию напряжения на входе СЭП при освещенных панелях СБ. При этом через первый зарядный блок происходит заряд первой аккумуляторной батареи, а через второй зарядный блок-заряд второй АБ. За счет использования в зарядных блоках модулей управления, позволяющих распределять токи заряда между аккумуляторными батареями, аккумуляторные батареи будут заряжаться равными точками, обеспечивая тем самым максимально полное использование их емкости.
В случае возникновения неисправностей в каком либо из зарядных или разрядных блоках, или в случае отказа одной из АБ, СЭП сохраняет свою работоспособность (при обеспечении меньшей мощности нагрузки).
Первый и второй блоки контроля датчиков давления АБ (типа УКЗА) и датчиков температуры АБ (типа ТЭП 012-03) БКДТ, измеряют параметры первой и соответственно второй никель-водородной аккумуляторной батареи и обрабатывая их по заданному алгоритму реализуют аппаратный контур управления режимами работы двух АБ, воздействуя на входы отключения зарядных и разрядных блоков, через блок коммутации БК. Причем поскольку входы отключения зарядных и разрядных блоков разделены, режимы работы каждой из двух АБ устанавливаются индивидуально, тем самым обеспечивается максимально полное использование емкости АБ, а также выравнивание текущих емкостей после их полного заряда. БК осуществляет также прием управляющих команд от бортовых систем КА.
СБ опт
СБ опт
СБ опт
Экстремальный регулятор мощности солнечной батареи, используя сигналы с датчиков тока и напряжения СБ и воздействуя на управляющие входы СН и параллельно соединенные управляющие входы первого и второго ЗБ, обеспечивает поиск значения напряжения СБ U, при котором СБ генерирует максимально возможную в текущий момент времени мощность Р. Этот поиск происходит путем изменения напряжения СБ (перемещением рабочей точки на вольтамперной характеристике ВАХ СБ) в заданном диапазоне. После нахождения значения U происходит регулирование напряжения СБ в этой (оптимальной) точке ее ВАХ за счет изменения токов заряда и разряда двух или одной (если РБ или ЗБ второй АБ отключено) АБ.
В блок телеметрического контроля поступает информация с датчиков токов и напряжений солнечной батареи, нагрузки и двух аккумуляторных батарей, преобразовывается в требуемый диапазон и поступает в бортовую систему телеметрического контроля (БСТК) для контроля функционирования СЭП и выдачи при необходимости команд, корректирующих алгоритм функционирования СЭП.
В ходе циклирования аккумуляторных батарей в течение длительного срока активного существования КА в отдельных аккумуляторах АБ могут происходить деградационные изменения параметров, приводящие к снижению энергоемкости этих аккумуляторов и соответственно к разбалансу по емкости отдельных аккумуляторов в АБ. Это снижает энергетические возможности и эффективность эксплуатации батареи. Предложенное устройство позволяет провести профилактические работы с АБ. По внешней команде управления БК замыкает контактор К3 (или К4), подключая к выбранной АБ внешний разрядный резистор. Происходит глубокий разряд АБ на данный резистор. При этом работоспособность аккумуляторов восстанавливается. В это время СЭП функционирует нормально, обеспечивая на теневых участках орбиты меньшую мощность нагрузки. После размыкания контактора К3 (или К4) СЭП переходит полностью в штатный режим работы.
Таким образом, предложенное устройство обладает повышенной мощностью и надежностью, а также улучшенной энергетической эффективностью.
Литература
1 Аппаратура регулирования и контроля системы электропитания космического аппарата «Канопус-Вулкан» / В.Г. Солдатенко, В.О. Эльман, В.В. Быков, Д.В. Сергеев // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. Новосибирск: Наука, 2007. С. 17-23.