УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ
POWER SUPPLY CONTROL DEVICE FOR AUTONOMOUS WIRELESS DATA TRANSFER SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам управления электропитанием электрооборудования, в частности устройств передачи данных, например, точки доступа или маршрутизатора, с питанием от модуля солнечной батареи и ветрогенератора, использующим в качестве накопителей энергии электрохимические аккумуляторы разных типов.
Задачей изобретения является обеспечение непрерывности питания автономной системы передачи данных.
Известна автономная система электропитания искусственного спутника Земли, способ питания нагрузки постоянным током которой осуществляется от солнечной батареи и комплекта из вторичных источников электроэнергии - аккумуляторных батарей, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке, содержащей в своем составе бортовую ЭВМ, систему телеметрии и командно-измерительную радиолинию, проведении заряда и разряда аккумуляторных батарей через индивидуальные зарядные и разрядные преобразователи, при этом мощность зарядных преобразователей рассчитывают исходя из суммарной мощности нагрузки и мощности, необходимой для заряда аккумуляторных батарей, а стабилизацию напряжения на нагрузке проводят только разрядными преобразователями, при этом каждый зарядный преобразователь управляется по величине тока заряда - в режиме заряда соответствующей аккумуляторной батареи и установленному уровню собственного выходного напряжения, а после полного заряда соответствующей аккумуляторной батареи управление по току заряда блокируют [Патент РФ №2604096, кл. H02J, опубл. 10.12.2016 г.]. Недостатками этого устройства является отсутствие возможности корректировать мощность генерации и потребления энергии, изменение выходного напряжения при разряде аккумуляторных батарей, невозможность заряда и питания при низкой инсоляции.
Известно устройство на солнечных батареях, которое включает в себя батарею, по меньшей мере, один фотоэлектрический элемент (который может быть частью солнечного модуля, содержащего множество фотоэлектрических элементов) и DC-восприимчивое (DC, Direct Current, постоянный ток) АС устройство (AC, Alternating Current, переменный ток), такое как компактная флуоресцентная лампа. Вырабатываемая от фотоэлектрического модуля энергия, через первый DC-DC преобразователь, производит зарядку аккумуляторной батареи, а второй DC-DC преобразователь обеспечивает питание на DC-восприимчивое АС устройство. С первым и вторым DC-DC преобразователями может быть связан микроконтроллер и адаптирован для управления компонентами первого и второго DC-DC конвертеров [Патент RU №2503120, кл. Н02М, опубл. 27.12.2013 г.]. Недостатками этого устройства является отсутствие информации об уровне заряда аккумуляторных батарей, невозможности совместного использования нескольких типов аккумуляторных батарей и применение в качестве источника питания только модуля солнечной батареи.
Наиболее близким по сущности технического решения к заявляемому устройству является полезная модель на интеллектуальный автономный источник питания, содержащая солнечную батарею, блок заряда аккумулятора, аккумулятор, стабилизирующий преобразователь и информационно-управляющий блок, которая позволяет получить информацию о параметрах электропитания и остаточном ресурсе работы устройства (прототип) [Патент RU №168024, кл H02J, опубл. 17.01.2017 г.].
Недостатком этого устройства является отсутствие связи между блоком управления и зарядным устройством, применение в качестве первичного источника питания только солнечных батарей, в результате чего возникает проблема питания и заряда устройства при низкой инсоляции, а также невозможность одновременного применения аккумуляторов, способных заряжаться в диапазоне отрицательных температур и аккумуляторов, имеющих большой ресурс циклов «заряд-разряд».
Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что устройство управления питанием автономной системы беспроводной передачи данных содержит солнечную батарею, соединенную с зарядно-разрядным устройством, к выходам которого присоединен аккумулятор, управляющий блок, подключенный к входам и выходам зарядного устройства, ветрогенератор, подключенный к зарядному устройству, и блок аккумуляторных батарей, состоящий из как минимум одного аккумулятора, имеющего большой ресурс циклов «заряд-разряд», и как минимум одного аккумулятора, способного заряжаться при положительных и отрицательных температурах окружающей среды, датчиков температуры аккумуляторной батареи и окружающей среды, соединенных с управляющим блоком, который при температуре ниже 0°С отключает от заряда аккумуляторные батареи, заряд которых в этом диапазоне температур недопустим и вся энергия идет на заряд аккумулятора, способного заряжаться при положительных и отрицательных температурах окружающей среды, беспроводного устройства передачи данных, соединенного с выходом зарядного устройства и управляющим блоком.
Техническим результатом является обеспечение непрерывности питания автономной системы передачи данных при недостаточном уровне инсоляции либо низкой скорости ветра при положительных и отрицательных температурах окружающей среды.
Пример.
На чертеже представлена принципиальная схема устройства управления питанием автономной системы беспроводной передачи данных.
Устройство управления питанием автономной системы беспроводной передачи данных содержит солнечную батарею 1, зарядное устройство 2, аккумуляторную батарею 3, состоящую из минимум одного аккумулятора, имеющего большой ресурс циклов «заряд-разряд» 3.1, и минимум одного аккумулятора, способного заряжаться при положительных и отрицательных температурах окружающей среды 3.2, управляющий блок 4, ветрогенератор 5, обеспечивающий питание системы и заряд аккумуляторов в условиях низкой инсоляции, датчики температуры аккумуляторных батарей 6.1 и 6.2 и окружающей среды 7, беспроводного устройства передачи данных 8.
Солнечная батарея 1 и ветрогенератор 5 присоединены своими выходами к входу зарядного устройства 2 и обеспечивают питание устройства, и заряд аккумуляторной батареи 3, состоящей из как минимум одного аккумулятора, имеющего большой ресурс циклов «заряд-разряд» 3.1 (например, литий-ионный аккумулятор), и как минимум одного аккумулятора, способного заряжаться при положительных и отрицательных температурах окружающей среды 3.2 (например, свинцово-кислотный аккумулятор). При этом ветрогенератор 5 используется при недостаточном уровне инсоляции, необходимой для эффективного использования солнечной батареи 1, а также при сильном разряде аккумуляторов одновременно с солнечной батареей 1.
Датчики температур 6.1, 6,2 и 7 измеряют температуры аккумуляторных батарей и температуру окружающей среды и присоединены к управляющему блоку 4, который на основе полученных параметров, а также параметров напряжения и тока управляет зарядом аккумуляторных батарей 3 при температуре ниже 0°С, отключая от заряда аккумуляторные батареи 3.1, заряд которых в этом диапазоне температур недопустим и вся энергия идет на заряд аккумулятора 3.2, способного заряжаться при положительных и отрицательных температурах окружающей среды. При этом управляющий блок 4 соединен с выходами солнечной батареи 1, ветрогенератора 5, зарядного устройства 2 для контроля выходного напряжения и тока, а также для контроля и управления зарядом аккумуляторов. Беспроводное устройство передачи данных 8 по шине обмена данных через порты входа/выхода получает сигналы от управляющего блока 4 и может уменьшить потребление энергии при недостаточной инсоляции, скорости ветра и разряде аккумуляторов для продления времени работы, при этом входное напряжение питания беспроводного устройства передачи данных 8 формируется на выходе зарядного устройства 2.
Солнечная батарея может быть поликристаллического типа, мощностью 100 Вт, рабочим током - 5,47А, рабочим напряжением 18,3В.
Зарядное устройство, предназначенное для заряда аккумуляторов и питания системы беспроводной передачи данных, выполнено на основе регулируемого стабилизатора тока и напряжения с входным напряжением до 40В, выходным напряжением от 2,85В до 36В, выходным током до 2А, потребляемым током - менее 9,2 мА, также на основе микросхемы зарядного устройства с входным напряжением - 12В, выходным напряжением - 4,2В, выходным током - до 1,5А, и преобразователя напряжения с диапазоном входных напряжений 4,5-16В и диапазоном выходных напряжений - 0,8-16В.
В качестве блока аккумуляторных батарей, состоящего из аккумуляторов двух типов, используется литий-ионный аккумулятор, имеющий большой ресурс циклов «заряд-разряд», но заряд которого недопустим при температурах ниже 0°С, с номинальной емкостью - 3350 мАч, напряжением 3,6В и количеством жизненных циклов более 1000, а также свинцово-кислотный аккумулятор, способный заряжаться при положительных и отрицательных температурах окружающей среды, номинальной емкостью 12 Ач, напряжением - 12В, с диапазоном рабочих температур заряда от минус 20°С до 40°С.
В качестве управляющего блока использован микропроцессор с возможностью перехода в энергосберегающий режим, содержащий аналого-цифровой преобразователь, порт ввода/вывода и компаратор.
Ветрогенератор выбран мощностью 300 Вт, напряжением 12 вольт, с диапазоном генерации ветра 3-25 м/с, имеющий 3 лопасти из армированного стекловолокна с диаметром ротора 2,7 м.
Датчики температуры используются с диапазоном измерений от минус 55°С до 125°С.
В качестве беспроводного устройства передачи данных используется точка доступа, имеющая порты входа/выхода и обеспечивающая доступ в сеть Интернет.