АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ
INDEPENDENT DIRECT-CURRENT POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к возобновляемым источникам первичного электропитания и может найти применение в автономных системах электроснабжения малой мощности, как, например, система электропитания удаленных объектов, включая необслуживаемые метеостанции, станции мониторинга сейсмоактивности, системы бесперебойного электропитания портативных и мобильных электронных устройств, а также в бортовой системе электропитания малого космического аппарата и т.д.
При создании автономных систем электропитания (СЭП) важные роли играют:
1. эффективное использование первичного источника электроэнергии (ПИЭ) - солнечной батареи, что подразумевает извлечение максимальной мощности, которая существенно зависит от параметров окружающей среды (температура и освещенность);
2. повышение эффективности преобразующих устройств, регулирующих потоки энергии между ПИЭ, накопительным источником электроэнергии (НИЭ) и нагрузкой СЭП;
3. наличие одной или нескольких выходных шин со стабилизированным напряжением;
4. сохранение частичной работоспособности СЭП при отказе отдельных узлов.
Известны автономные СЭП космических аппаратов, например, описанные в [Системы электропитания космических аппаратов / Б.П. Соустин, В.И. Иванчура, А.И. Чернышев, Ш.Н. Исляев. - Новосибирск, ВО «Наука», Сибирская издательская фирма. - 1994. 318 с; Patel M.R. Spacecraft Power System. N.Y.: CRC Press. - 2005. 691 p., патент РФ 2317216], к недостаткам которых можно отнести:
1. использование отдельных преобразователей электроэнергии для регулирования потоков энергии между ПИЭ, НИЭ и нагрузкой;
2. использование так называемого трех диапазонного принципа регулирования выходного напряжения СЭП, когда выходное напряжение СЭП должно обязательно иметь отклонение относительно номинального значения для обеспечения переключения между преобразующими устройствами при распределении потоков энергии;
3. наличие одной выходной шины СЭП (одного стабилизируемого напряжения). Остальные необходимые напряжения получают за счет использования дополнительных преобразователей электроэнергии, подключаемых к основной шине.
Известно другое техническое решение [Устройство и способ отбора электрической энергии от солнечной батареи, патент РФ №2195754], где использован всего один преобразователь напряжения в качестве зарядного устройства (ЗУ), при этом напряжение потребителем снимается с шин аккумуляторной батареи (АБ). Данное решение также содержит ряд недостатков:
1. отсутствие закона управления зарядным устройством реализующего отбор максимальной мощности от солнечной батареи (СБ);
2. подключение нагрузки непосредственно к АБ, что исключает работу нагрузки от СБ в случае выхода из строя ЗУ, снижая тем самым живучесть СЭП в целом, а, как известно, сохранение частичной работоспособности необслуживаемых автономных СЭП при отказе отдельных узлов является одним из приоритетных требований к таким системам;
3. отсутствие стабильного напряжения на выходной шине.
Из известных устройств наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является автономная система электропитания, предложенная в [патент РФ №2317216], принятое за прототип. Данная структура содержит солнечную батарею, минус которой подключен к общей шине, стабилизатор напряжения (СН), включенный между положительный выводом солнечной батареи и нагрузкой, аккумуляторную батарею, минус которой подключен к общей шине, зарядные и разрядные устройства, подключенные между положительным выводом солнечной батареи и положительным выводом аккумуляторной батареи.
СБ
Н
СБ
H
Pmin
H
Pmin
Pmin
Н
Система работает следующим образом. Во всех режимах работы напряжение на нагрузке поддерживается за счет СН. На входе СН (он же выход СБ) напряжение всегда обеспечивается по соотношению U>U, где U - напряжение на СБ и U - напряжение на нагрузке. При включенном ЗУ и полностью заряженной АБ (ЗУ выключено) - в соответствии с вольтамперной характеристикой (ВАХ) СБ. При совместной работе СБ и АБ на нагрузку, а также при полном отсутствии мощности СБ, напряжение на входе СН поддерживается за счет АБ и разрядного устройства (РУ). При этом при разряде АБ на нагрузку способ поддержания напряжения на входе СН зависит от состава АБ и выбранной схемы РУ: при U>U, где U - минимальное напряжение на АБ, схема РУ представляет собой понижающий импульсный преобразователь напряжения; при обратном соотношении, т.е. U<U - применяется повышающий импульсный преобразователь напряжения.
Несмотря на то, что зонный принцип регулирования напряжения на нагрузке заменен на одноуровневое регулирование с высокой стабильностью напряжения, солнечная батарея может напрямую отдавать энергию в нагрузку в случае отказа ЗУ или РУ и устранены переходные процессы при смене режимов работы системы, существуют определенные недостатки у данного устройства:
1. в устройстве нет возможности извлечения максимальной мощности солнечной батареи, что ведет к неполному использованию ее мощности при работе РУ, т.е. АБ имеет большую глубину разряда, что ухудшает ее ресурсные характеристики и требует больше времени на ее заряд. Также неполное использование мощности солнечной батареи отражается с одной стороны в ее избыточности, т.е. большей площади СБ и худших массогабаритных показателях СЭП в целом, с другой стороны в меньшей мощности полезной нагрузки;
2. для заряда и разряда АБ используется два отдельных устройства - импульсных преобразователя электроэнергии, что также ухудшает массогабаритные характеристики системы и требует реализации определенных алгоритмов переключения между режимами заряда и разряда АБ, например, при изменении интенсивности солнечного излучения, вплоть до его полного отсутствия. Также в зависимости от соотношения напряжений АБ, СБ и нагрузки в РУ и ЗУ необходимо применять различные типы преобразователей, что делает СЭП не универсальной.
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, - повышение надежности СЭП путем снижения количества дополнительных компонентов при одновременном сохранении всех прочих достоинств; повышение энергоотдачи СЭП за счет использования известного алгоритма отбора максимальной мощности от солнечной батареи; получение более универсальной схемы СЭП за счет возможности применения НИЭ и СБ с диапазонами рабочих напряжений, меняющихся в более широких пределах друг относительно друга, т.е. как напряжение на АБ может превышать напряжение на СБ, так и напряжение на СБ может превышать напряжение на АБ в различных режимах работы СЭП.
Поставленная задача решается тем, что вместо отдельных ЗУ и РУ используется комбинированное зарядно-разрядное устройство (ЗРУ) с общей силовой частью на основе двунаправленного инвертирующего преобразователя с синхронным ключами, что позволяет реализовать автоматическое переключение между режимами заряда и разряда; микропроцессорная система управления ЗРУ, которая позволяет реализовать известный алгоритм поиска точки максимальной мощности солнечной батареи, что позволяет всю избыточную мощность СБ при заряде использовать на заряд АБ, а при разряде наоборот уменьшить мощность, отбираемую от АБ; суперконденсатор (СК) в качестве основного или вспомогательного наряду с АБ накопительного источника энергии, который обладает большим ресурсом работы, большими токами заряда-разряда и меньшей чувствительностью параметров к изменению температуры.
На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого устройства. Система состоит из солнечной батареи с блокирующим диодом 9, минус которой через датчик тока солнечной батареи 10 подключен к общему выводу. Между положительным выводом солнечной батареи 9 и общей шиной подключены датчик напряжения солнечной батареи 11, блок стабилизаторов напряжения выходных шин системы электропитания 12, 2-й фильтрующий конденсатор 8. К положительному выводу солнечной батареи 9 подключен минусовой вывод накопительного источника энергии 1 в виде аккумуляторной батареи и/или суперконденсатора. Параллельно накопительному источнику энергии 1 подключен 1-й фильтрующий конденсатор 2. Положительный вывод накопительного источника энергии 1 через коммутирующую ячейку с индуктивным накопителем энергии (дросселем) 6 подключен к общей шине. 3-й вывод коммутирующей ячейки с дросселем 6 через датчик тока 7 подключается к положительному выводу солнечной батареи 9.
Коммутирующая ячейка с индуктивным накопителем энергии 3 имеет три вывода и состоит из двух МДП-транзисторов 4 и 5 и индуктивного накопителя энергии (дросселя) 6.
На микроконтроллер 13 поступают сигналы с датчика тока солнечной батареи 10 и с датчика напряжения солнечной батареи 11. Микроконтроллер 15 вырабатывает опорное напряжение, которое поступает на инвертирующий вход усилителя рассогласования 16. На неинвертирующий вход усилителя рассогласования 16 поступает сигнал с датчика напряжения солнечной батареи 11. Выход усилителя рассогласования 16 подключен к неинвертирующему входу усилителя рассогласования 15, на инвертирующий вход которого поступает сигнал с датчика тока дросселя 7. Выход усилителя рассогласования 15 подключен ко входу широтно-импульсного модулятора 14. Усилители рассогласования 15 и 16 могут содержать дополнительные интегродифференцирующие цепи для обеспечения динамической устойчивости преобразователя рассчитанные стандартными методами проектирования пропорционально-интегро-дифференцирующих регуляторов (ПИД-регуляторов).
Работает СЭП следующим образом. При наличии энергии, поступающей от СБ, микроконтроллер 13 вырабатывает опорное напряжение, значение которого соответствует точке максимальной мощности на вольтамперной характеристике солнечной батареи, и которое поступает на инвертирующий вход усилителя рассогласования 16, выход с которого в виде сигнала рассогласования суммируется с сигналом с датчика тока, соответствующего среднему значению тока дросселя 6 для повышения динамической устойчивости и далее передается на широтно-импульсный модулятор 14, который в свою очередь вырабатывает сигналы управления ключами таким образом, чтобы напряжение на СБ 9 соответствовало выработанному опорному значению. В результате разница между мощностью, потребляемой нагрузкой 12, и мощностью, вырабатываемой СБ, будет уходить на заряд НИЭ. При мощности нагрузки, превышающей мощность вырабатываемую СБ, недостающая мощность будет отбираться от НИЭ благодаря тому же закону управления коммутирующей ячейкой 3, при котором стабилизируется напряжение на шине СБ, параллельно которой подключен один из выходов коммутирующей ячейки 3. В связи с тем, что используемый в качестве ЗРУ преобразователь напряжения является повышающе-понижающим и обратимым, то коэффициент передачи по напряжению между входом и выходом может быть как выше, так и ниже единицы, при этом вход и выход могут меняться местами в зависимости от того, в каком режиме работает ЗРУ: если в режиме разряда НИЭ, то входом считаем электрическое присоединение со стороны НИЭ, а выходом - присоединение к шине СБ, и в случае заряда, соответственно, наоборот.
На фиг.2 приведены временные диаграммы сигналов управления ключевыми элементами преобразователя 3. Здесь между импульсами управления есть пауза - "мертвое время", для исключения отпирания одного транзистора в тот момент, когда другой все еще находится в открытом состоянии.
Был изготовлен и испытан экспериментальный образец СЭП, в котором был реализован известный алгоритм поиска точки максимальной мощности солнечной батареи. В качестве солнечной батареи был использован стабилизатор тока, нагруженный на цепь из 35 последовательно включенных p-n кремниевых диодов, имитирующий ВАХ СБ, где выход снимался с крайних электродов диодной цепи. Параметры данного устройства следующие: напряжение холостого хода ≈26 В, ток короткого замыкания ≈6 А, напряжение в точке максимальной мощности ≈23 В. В качестве накопительного источника энергии была использована аккумуляторная батарея с напряжением в заряженном состоянии 16,5 В на основе литий-ионных феррофосфатных аккумуляторов AHR32113Ultra-B (производитель A123-Systems). Напряжение стабилизации выходной шины 12 В. На фиг.3 представлены экспериментальные кривые работы СЭП, полученные при помощи цифрового осциллографа в виде массива данных, обработанных на ЭВМ. На диаграммах показано изменение мощности по выходной шине 12 В с использованием программируемой нагрузки и соответствующее ему изменение текущей мощности АБ, а также напряжение на СБ и на стабилизируемой выходной шине. Из графиков видно, что по мере увеличения мощности, потребляемой нагрузкой, происходит смена режимов заряда и разряда АБ, где точкой перехода от одного режима к другому является пересечение графика мощности АБ с осью абсцисс (или времени). Как можно наблюдать, в моменты данных переходов напряжение на шине 12 В остается неизменным, а напряжение на СБ остается в районе оптимальной точки 23 В. При этом небольшие отклонения напряжения относительно уровня 23 В связаны с работой алгоритма поиска точки оптимальной мощности СБ.