СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ В АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ИСКУССТВЕННОГО СПУТНИКА ЗЕМЛИ
METHOD OF LOAD FEEDING BY DIRECT CURRENT IN AUTONOMOUS ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM OF MAN-MADE SATELLITE

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано при проектировании автономных систем электропитания искусственных спутников Земли (ИСЗ).
В настоящее время в космической технике успешно развивается процесс создания ИСЗ для решения широкого круга народнохозяйственных задач. Это связь, навигация, геодезия, картография, метеорология и многое другое.
При создании ИСЗ существенное значение имеет оптимизация системы электропитания ИСЗ, так как она занимает порядка (15-20)% массы ИСЗ и во многом определяет функциональные и ресурсные возможности создаваемого спутника.
Известны способы питания нагрузки постоянным током в автономных системах электропитания ИСЗ, описанные в монографии «Системы электропитания космических аппаратов, Новосибирск, ВО "Наука", 1994 г.».
Известные способы и автономные системы электропитания ИСЗ предусматривают стабилизацию напряжения от первичного источника ограниченной мощности (солнечной батареи) на нагрузке стабилизированными преобразователями различного типа.
Общим недостатком известных способов является то, что они не дают рекомендаций по оптимизации аккумуляторных батарей, количества аккумуляторов в аккумуляторных батареях, что затрудняет создание системы электропитания с высокими удельными энергетическими характеристиками и высокой надежностью.
аб
акк
акк
Наиболее близким техническим решением является способ питания нагрузки постоянным током (патент RU №2334337) в автономной системе электропитания искусственного спутника Земли от источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и комплекта из N вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, содержащих N аккумуляторов, соединенных последовательно, с байпасными зарядными и разрядными цепями на каждом аккумуляторе, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряд-разрядных циклов через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, контроле аккумуляторных батарей и проведении профилактических работ с аккумуляторными батареями, при этом число аккумуляторов N в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения:
акк
н
акк.мин
N≥(U+1)/U,
акк
где N - число аккумуляторов в аккумуляторной батарее;
н
U - напряжение на выходе автономной системы электропитания;
акк.мин
U - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора.
Этот способ выбран в качестве прототипа заявляемого изобретения.
Известный способ позволяет упростить разрядные преобразователи, исключив из них функцию формирования вольтодобавки (при этом в зарядных преобразователях вольтодобавка присутствует).
Известный способ был успешно реализован при напряжении на выходе системы электропитания 27 В и 40 В.
н
акк
акк.мин
акк
Анализ известного способа показывает, что количество аккумуляторов в последовательной цепи аккумуляторной батареи становится достаточно большим. Так, при U=40 В и использовании никель-водородных аккумуляторных батарей с минимальным разрядным напряжением 1 В, число аккумуляторов составит: N≥(40+1)/1≥41 аккумулятора, однако при использовании литий-ионных аккумуляторных батарей с U=2,7 В, число аккумуляторов составит: N≥(40+1)/2,7≥16 аккумуляторов. При этом здесь не предусматривается дополнительное число аккумуляторов для парирования возможных отказов каких-либо аккумуляторов в процессе эксплуатации (обычно это 1 или 2 аккумулятора). Кроме того, пропорционально количеству аккумуляторов растет величина зарядного напряжения аккумуляторной батареи. Так в рассматриваемом примере для обеспечения заряда литий-ионной аккумуляторной батареи зарядное напряжение должно быть не менее чем 16·4,2+1=68,2 В (для никель-водородной аккумуляторной батареи величина зарядного напряжения несколько больше).
В прототипе необходимое зарядное напряжение обеспечивают за счет применения в цепях заряда вольтодобавочных узлов. С точки зрения удельных энергетических характеристик системы электропитания ИСЗ наличие вольтодобавочных узлов увеличивает массу системы электропитания (зарядного либо разрядного преобразователей) и соответственно снижает ее удельные энергетические характеристики.
Задачей заявляемого изобретения является повышение удельных энергетических характеристик и надежности автономной системы электропитания ИСЗ.
акк
Поставленная задача достигается тем, что при стабилизации напряжения на нагрузке, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, при этом разрядные преобразователи выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего число аккумуляторов N в каждой аккумуляторной батарее выбирают из соотношения:
акк
н
акк.мин
N≥(U+1)/U, где
акк
N - число аккумуляторов в последовательной цепи каждой аккумуляторной батареи;
н
U - напряжение на выходе автономной системы электропитания, В;
акк.мин
U - минимальное разрядное напряжение одного аккумулятора, В, зарядные преобразователи также выполнены без вольтодобавочных узлов, для чего напряжение в рабочей точке солнечной батареи выбирают из соотношения:
рт
акк.макс
акк
U>U·N+1, где
рт
U - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В;
акк.макс
U - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В,
акк
при этом рассчитанное число аккумуляторов N дополнительно увеличивают исходя из соотношения:
акк
н
акк.мин
отказ
N≥(U+1)/U+N, где
отказ
N - число допустимого отказа аккумуляторов, а стабилизацию напряжения на нагрузке и заряд аккумуляторных батарей проводят с использованием экстремального регулирования напряжения солнечной батареи.
Для исключения вольтодобавочных узлов в зарядных цепях аккумуляторных батарей необходимо, чтобы максимальное зарядное напряжение аккумуляторной батареи было не более чем минимальное напряжение на входе автономной системы электропитания (на «освещенном» участке орбиты) плюс падение напряжения в зарядной цепи аккумуляторной батареи.
Это условие обеспечивается, если напряжение в рабочей точке солнечной батареи будет выбрано из соотношения:
рт
акк.макс
акк
U>U·N+1, где
рт
U - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В;
акк.макс
U - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В, при этом в системе электропитания должно использоваться экстремальное регулирование напряжения солнечной батареи.
Падение напряжения в зарядных цепях аккумуляторной батареи определяется, в основном, величиной падения напряжения на регулирующих ключах зарядных преобразователей и не превышает 1 В, что позволяет принять эту величину для использования в расчетах.
акк
Следует так же принять во внимание проектное допущение отказа ограниченного числа аккумуляторов при эксплуатации, для чего рассчитанное число аккумуляторов N (согласно прототипа) дополнительно увеличивают исходя из соотношения:
акк
н
акк.мин
отказ
N≥(U+1)/U+N, где
отказ
N - число допустимого отказа аккумуляторов.
На фиг.1 приведены вольтамперные характеристики (ВАХ) солнечной батареи в начале эксплуатации ВАХ1 и в конце эксплуатации ВАХ2 и соответствующие им характеристики мощности солнечной батареи от напряжения P1, P2. Каждая ВАХ состоит из трех основных точек: это ток короткого замыкания (Iкз1, Iкз2), напряжение холостого хода (Uxx1, Uxx2) и напряжение в рабочей точке (Uрт1, Uрт2). Напряжение в рабочей точке соответствует точке максимальной мощности солнечной батареи. При этом Uрт2 выбирается на этапе проектирования исходя из соотношения:
рт
акк.макс
акк
U>U·N+1, где
рт
U - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В;
акк.макс
U - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В.
На фиг.2 приведена функциональная схема автономной системы электропитания ИСЗ для реализации заявляемого способа.
1
2
1
2
1
2
1
2
Автономная система электропитания ИСЗ содержит солнечную батарею 1, подключенную к нагрузке 2, через преобразователь напряжения 3, аккумуляторные батареи 4-4, подключенные через зарядные преобразователи 5-5 к солнечной батарее 1, а через разрядные преобразователи 6-6 к входу выходного фильтра преобразователя напряжения 3. Кроме того, аккумуляторные батареи 4-4 содержат в своем составе цепи для обхода неисправного аккумулятора для литий-ионных аккумуляторных батарей, либо байпасные диоды для никель-водородных аккумуляторных батарей (на рисунке не показано).
1
В цепи солнечной батареи 1 установлен измерительный шунт 1.
Нагрузка 2 в своем составе содержит бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию.
1
2
1
2
1
2
Параллельно аккумуляторным батареям 4-4 подключены устройства контроля аккумуляторных батарей 7-7, связанные входом с аккумуляторными батареями 4-4 для контроля напряжения и температуры аккумуляторов, а выходом с нагрузкой 2.
1
2
В цепи заряда-разряда аккумуляторных батарей установлены измерительные шунты 8-8.
1
2
Каждый зарядный преобразователь 5-5 состоит из регулирующего ключа 9, управляемого схемой управления 10.
1
2
Каждый разрядный преобразователь 6-6 состоит из регулирующего ключа 11, управляемого схемой управления 12.
Преобразователь напряжения 3 состоит из регулирующего ключа 13, управляемого схемой управления 14, входного фильтра - конденсатор 15 и выходного фильтра на диоде 16, дросселе 18 и конденсаторе 17.
Схема управления 14 преобразователя напряжения реализует принцип экстремального регулирования мощности солнечной батареи, известный, например, по патентам Франции №2684434, США №5609430 или патенту РФ №2101831 от 21.11.95 г. Принцип действия стабилизатора с экстремальным регулированием мощности солнечной батареи заключается в том, что напряжение на его входе, а значит и на солнечной батарее, устанавливается в точке вольт-амперной характеристики, соответствующей ее максимальной мощности в текущий момент времени, а выходное напряжение поддерживается стабильным и соответствует заданному стабильному напряжению на нагрузке. В материалах настоящей заявки на изобретение механизм работы экстремального регулирования не описывается.
1
2
1
2
1
2
1
2
Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5-5 и 12-разрядных преобразователей 6-6 выполнены в виде широтно-импульсных модуляторов, входом подключенных к шинам стабилизируемого напряжения. Схемы управления 10 зарядных преобразователей 5-5 дополнительно связаны с измерительными шунтами 8-8 и нагрузкой 2.
1
2
1
2
Устройство работает следующим образом. В процессе эксплуатации аккумуляторные батареи 4-4 работают в режиме хранения и периодических дозарядов от солнечной батареи 1 через зарядные преобразователи 5-5. Такой режим работы позволяет содержать их в постоянной готовности для прохождения штатных теневых участков орбиты или на случай аварийных ситуаций (потеря ориентации ИСЗ на Солнце).
1
2
1
2
При прохождении теневых участков орбиты, либо при нарушении ориентации нагрузка 2 питается от аккумуляторных батарей 4-4 через разрядные преобразователи 6-6.
1
2
1
2
Устройства контроля 7-7 контролируют напряжение и температуру аккумуляторов аккумуляторных батарей 4-4 и передают информацию об их состоянии в нагрузку 2.
В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи, по результатам анализа телеметрических данных, по командам с Земли через командно-измерительную радиолинию, могут проводиться профилактические работы с какой-либо аккумуляторной батареей, в частности отключение неисправного аккумулятора, при необходимости.
Экстремальное регулирование напряжения солнечной батареи обеспечивает съем мощности с солнечной батареи на участке от Uxx до точки максимальной мощности Uрт.
акк
Для обеспечения надежности эксплуатации системы электропитания рассчитанное число аккумуляторов N дополнительно увеличивают исходя из соотношения:
акк
н
акк.мин
отказ
N≥(U+1)/U+N, где
отказ
N - число допустимого отказа аккумуляторов,
а стабилизацию напряжения на нагрузке и заряд аккумуляторных батарей проводят с использованием экстремального регулирования напряжения солнечной батареи, при этом напряжение в рабочей точке солнечной батареи выбирают из соотношения:
рт
акк.макс
акк
U>U·N+1, где
рт
U - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы, В;
акк.макс
U - максимальное зарядное напряжение одного аккумулятора, В;
1(B) - падение напряжения на регулирующих ключах зарядного или разрядного преобразователей.
Это позволяет не использовать вольтодобавочные узлы, как в разрядных так и в зарядных цепях.
н
акк.мин
Рассмотрим конкретный пример. Допустим, что U - напряжение на выходе автономной системы электропитания - равно 27 В. Тогда согласно прототипу число последовательно соединенных аккумуляторов в аккумуляторной батарее (без резерва) для литий-ионных аккумуляторов (U=2,7 В) составит:
акк
н
акк.мин
N≥(U+1)/U=(27+1)/2,7=10,4, то есть 11 аккумуляторов.
отказ
Если принять N - число допустимого отказа аккумуляторов - равным 1, то согласно заявляемому изобретению число последовательно соединенных аккумуляторов в аккумуляторной батарее составит:
акк
н
акк.мин
отказ
N≥(U+1)/U+N=12 аккумуляторов.
рт
акк.макс
Тогда согласно заявляемому изобретению U - напряжение в рабочей точке солнечной батареи в конце гарантированного ресурса ее работы для литий-ионных аккумуляторов (U=4,2 В) - должно составлять:
рт
акк.макс
акк
U>U·N+1=4,212+1=51,4 В.
При этих условиях и наличии экстремального регулирования вольтодобавочные узлы в зарядных и разрядных цепях не требуются.
Таким образом, предлагаемый способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания ИСЗ позволяет повысить удельные энергетические характеристики и надежность автономной системы электропитания ИСЗ.