AUTONOMOUS INTELLIGENT POWER SOURCE
АВТОНОМНЫЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания, использующим в качестве первичных источников энергии солнечные батареи, а в качестве накопителей энергии – конденсаторы и аккумуляторные батареи.
Известно устройство на солнечных батареях, которое включает в себя аккумуляторную батарею, солнечную батарею и DC восприимчивое (DC - Direct Current, постоянный ток) АС устройство (AC - Alternating Current, переменный ток), такое как компактная флуоресцентная лампа. Энергия от солнечной батареи через первый DC/DC преобразователь обеспечивает зарядку аккумуляторной батареи, а через второй DC/DC преобразователь обеспечивает питание постоянного тока на DC восприимчивое АС устройство [1].
Недостатками этого устройства является недостаточная надежность при низких отрицательных температурах, когда значительно снижается эффективность заряда аккумуляторной батареи.
Известна автономная система электропитания космических аппаратов, использующих в качестве первичных источников энергии солнечные батареи, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи. Способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата состоит в том, что управляют стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения системы электропитания. При этом с помощью измерительных шунтов контролируют ток нагрузки и токи заряда/разряда аккумуляторных батарей. Кроме того, контролируют выходное напряжение системы электропитания с помощью пороговых датчиков и отключают нагрузку при достижении пороговых значений выходного напряжения. Дополнительно контролируют динамику переходных процессов изменения выходного напряжения и тока нагрузки во времени с помощью быстродействующих запоминающих устройств, которые запускают по достижении пороговых значений выходного напряжения. Повторное включение нагрузки проводят после анализа результатов запомненной динамики переходных процессов [2].
Недостатками этой системы электропитания являются возможные перерывы в электроснабжении при недостаточной величине светового потока.
Известен способ автоматической ориентации солнечных батарей и устройство для его осуществления. Производится автоматическая ориентация солнечных батарей, содержащая систему автоматического регулирования, состоящую из солнечной батареи и датчика, преобразующего с помощью внешней обратной связи энергию источника излучения, являющуюся функцией угла поворота солнечной батареи, в напряжение, которое подается на вход исполнительных электродвигателей, изменяющих скорость в сторону увеличения светового потока, при этом исполнительными электродвигателями изначально задается постоянная угловая скорость горизонтального и вертикального слежения солнечной батареи относительно солнца с последующей корректировкой напряжением, представляющим собой разность ЭДС датчика, которое по внешней обратной связи передается на обмотки исполнительных двигателей [3].
Недостатками этого способа автоматической ориентации солнечных батарей и устройства являются снижение эффективности использования солнечной энергии, поскольку часть этой энергии используется для поворота солнечной батареи, увеличение массогабаритных показателей, поскольку кроме солнечной батареи необходима еще поворотная платформа и силовые электрические двигатели, ухудшение работы при низких температурах, когда возрастают потери из-за повышения трения в механических узлах системы.
5
Наиболее близким техническим решением является устройство и способ отбора электрической энергии от солнечной батареи, в которых электрическую энергию, полученную от солнечной батареи, предварительно накапливают с помощью электрического конденсатора емкостью 0,01-100 Ф с внутренним сопротивлением менее 0,15 Ом, заряженного до напряжения максимальной мощности солнечной батареи. Предварительно накопленная энергия подается на сопротивление нагрузки или аккумулятор с помощью преобразователя постоянного напряжения с широтно-импульсной стабилизацией порциями 1 - 10 Дж [4].
Недостатками этого устройства и способа отбора электрической энергии от солнечной батареи являются ограничения, связанные с тем, что накопление заряда в электрическом конденсаторе должно производиться до напряжения максимальной мощности солнечной батареи, при меньших напряжениях на конденсаторе эффективность использования солнечной энергии резко снижается.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение надежности работы автономного источника питания за счет обеспечения бесперебойного электропитания в широком температурном диапазоне, при длительных интервалах недостаточности солнечной энергии, использования солнечных батарей, не требующих механических поворотных устройств и выдачи потребителю информации о параметрах электропитания и остаточном ресурсе работы.
Указанная задача решается тем, что автономный интеллектуальный источник питания содержит цилиндрическую солнечную батарею хотя бы из двух солнечных элементов, аккумулятор с блоком заряда аккумулятора, буферный конденсатор с блоком заряда конденсатора, батарею, коммутатор, преобразователь/стабилизатор и блок измерения, управления и связи, соединенные соответствующим образом между собой.
Техническими результатами, обеспечиваемыми приведенной совокупностью признаков, являются:
- компактность (отсутствие поворотных устройств солнечной батареи),
- высокая функциональность (питание может осуществляться (с понижением приоритета использования) от цилиндрической солнечной батареи, буферного конденсатора, аккумулятора или батареи),
- высокая надежность организации электроснабжения (при полном использовании ресурса аккумулятора и недостаточности солнечной энергии питание производится от буферного конденсатора и невозобновляемого источника энергии - батареи),
- широкий рабочий диапазон температур (при низких отрицательных температурах, когда эффективность аккумулятора и батарей падает, питание осуществляется от цилиндрической солнечной батареи и/или буферного конденсатора),
- удобство использования (температура, параметры электропитания, токи, напряжения, а также остаточный ресурс работы источника измеряются (вычисляются) и могут передаваться потребителю периодически или по запросу).
Кроме того, согласно заявляемому изобретению между батареей и коммутатором может быть включен блок дозированного разряда батареи.
Кроме того, согласно заявляемому изобретению к блоку измерения, управления и связи может быть присоединен радиомодем.
Кроме того, согласно заявляемому изобретению между цилиндрической солнечной батареей и блоками заряда может быть включен блок бесконтактной передачи энергии.
Кроме того, согласно заявляемому изобретению к выходу преобразователя/стабилизатора может быть подключен блок защиты и отключения с хотя бы одним выходом.
Сущность заявляемого изобретения поясняется фиг. 1 – 5, где представлены схемы реализации автономного интеллектуального источника питания.
Автономный интеллектуальный источник питания (фиг. 1) состоит из цилиндрической солнечной батареи 1 из хотя бы двух солнечных элементов, блока заряда аккумулятора 2, блока заряда конденсатора 3, аккумулятора 4, хотя бы одной батареи 5, буферного конденсатора 6, преобразователя/стабилизатора 7, коммутатора 8 и блока измерения, управления и связи 9.
Заявляемое изобретение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
Цилиндрическая солнечная батарея 1 реализована в виде цилиндра, на поверхности которого размещены солнечные элементы (хотя бы два солнечных элемента), объединенные в единый электрический узел. Солнечные элементы могут быть гибкими с тем, чтобы огибать поверхность цилиндра, или плоскими (узкими вертикальными), формирующими горизонтальное сечение солнечной батареи в виде многоугольника. Расположение солнечных элементов на цилиндрической поверхности позволяет извлекать солнечную энергию при любых (в горизонтальном сечении) направлениях прихода солнечных лучей.
Цилиндрическая солнечная батарея 1 присоединена к блоку заряда аккумулятора 2 и блоку заряда конденсатора 3. Блок заряда аккумулятора 2 присоединен к аккумулятору 4. Блок заряда конденсатора 3 присоединен к буферному конденсатору 6. Цилиндрическая солнечная батарея 1, аккумулятор 4, батарея 5 и буферный конденсатор 6 в свою очередь присоединены ко входам коммутатора 8, выход которого присоединен ко входу преобразователя/стабилизатора 7. Кроме этого цилиндрическая солнечная батарея 1, аккумулятор 4, батарея 5, буферный конденсатор 6 и преобразователь/стабилизатор 7 присоединены ко входам блока измерения, управления и связи 9, выходы которого в свою очередь присоединены к управляющим входам блока заряда аккумулятора 2, блока заряда конденсатора 3, и коммутатора 8.
Рассмотрим работу автономного интеллектуального источника питания (фиг. 1).
Выходное напряжение автономного интеллектуального источника питания (питание нагрузки) формируется преобразователем/стабилизатором 7, который производит стабилизацию выходного напряжения при изменении тока в цепи нагрузки и входного напряжения, получаемого через коммутатор 8 от одного из первичных источников, перечисленных в порядке приоритетности использования: цилиндрической солнечной батареи 1, буферного конденсатора 6, аккумулятора 4 или батареи 5.
По умолчанию питание преобразователя/стабилизатора 7 производится через коммутатор 8 от цилиндрической солнечной батареи 1, от которой также через блок зарядки 2 осуществляется заряд аккумулятора 4. Кроме этого энергия цилиндрической солнечной батареи 1 накапливается через блок заряда 3 в буферном конденсаторе 6 (в случаях, когда аккумулятор уже заряжен и цилиндрическая солнечная батарея обеспечивает энергию, превышающую потребности энергопотребления нагрузки, или, когда температура окружающей среды низкая и эффективность заряда аккумулятора резко уменьшается).
При отсутствии достаточного солнечного потока питание преобразователя/стабилизатора 7 производится через коммутатор 8 от буферного конденсатора 6, а при его разряде до минимальной величины, определяемой минимальным входным напряжением преобразователя/стабилизатора 7 (допустим 0,85 В), от аккумулятора 4, если заряд аккумулятора достаточен. При возобновлении подачи энергии от цилиндрической солнечной батареи происходит переключение питания от неё.
Если буферный конденсатор 6 и аккумулятор 4 разряжены и при отсутствии достаточного солнечного потока происходит питание преобразователя/стабилизатора 7 через коммутатор 8 от батареи 5 (если батарей несколько, то они подключаются поочередно, после полного использования энергии предыдущей батареи). Одновременно блоком измерения, управления и связи 9 контролируется напряжение цилиндрической солнечной батареи 1, буферного конденсатора 6 и аккумулятора 4, чтобы при первой возможности вернуться к ним.
Порядок использования первичных источников определяется блоком измерения, управления и связи 9, который с помощью аналого-цифровых преобразователей измеряет напряжения цилиндрической солнечной батареи 1, буферного конденсатора 6, аккумулятора 4 и батареи 5. Выходной сигнал блока измерения, управления и связи 9 подается на коммутатор 8, управляя подключением одного из его входов к выходу, соединенному со входом преобразователя/стабилизатора 7. Кроме этого блок измерения, управления и связи 9 формирует выходные сигналы обмена по цифровой шине обмена данными (температуру, напряжение каждого из первичных источников, время работы от каждого из первичных источников, вид работающего в данный момент времени первичного источника энергии, прогноз оставшегося ресурса работы при условии, что параметры энергопотребления соответствуют текущим).
Управляемый от блока измерения, управления и связи 9 блок заряда аккумулятора 2 формирует необходимые для заряда аккумулятора конкретного используемого типа выходное напряжение и ток, обеспечивая максимальное использование солнечной энергии (режим работы в точке максимальной мощности) цилиндрической солнечной батареи 1 и обеспечивая максимальное число циклов заряд/разряд аккумулятора.
Управляемый от блока измерения, управления и связи 9 блок заряда конденсатора 3 формирует выходной ток для заряда буферного конденсатора (выполняя функцию трансформации тока), обеспечивая при этом режим работы в точке максимальной мощности цилиндрической солнечной батареи 1. При этом блок заряда конденсатора 3 должен контролировать, чтобы напряжение на буферном конденсаторе 6 не превысило допустимого для используемого конденсатора значения (для большинства суперконденсаторов составляет 2,7 В), иначе существенно уменьшается число циклов заряд/разряд буферного конденсатора, которое при правильной эксплуатации может доходить до 500000 циклов. Блок заряда конденсатора 3 должен также уменьшать максимальное зарядное напряжение при повышении температуры окружающей среды, что продлевает срок службы буферного конденсатора.
С учетом того, что число циклов заряд/разряд суперконденсатора может составлять 500000 циклов, его применение в автономном интеллектуальном источнике питания позволяет значительно расширить время работы аккумулятора 4, которое для большинства типов ограничивается 500-1000 циклами заряд/разряд.
Если нагрузка автономного интеллектуального источника питания имеет импульсный характер (допустим измерительное устройство с радиомодемом с небольшим средним током с максимумами во время передачи данных радиомодемом), то электрическая емкость батареи используется неэффективно (при этом батарея может отдать не более 30 – 50 % своей емкости) и для увеличения эффективности использования энергии батареи между батареей 5 и коммутатором 8 может быть включен блок дозированного разряда 10 (фиг. 2), который за счет использования промежуточного конденсатора обеспечивает величину тока потребления от батареи 5 в пределах значений, обеспечивающих близкое к номинальному 100% значению использованию емкости батареи [5].
Если автономный интеллектуальный источник питания используется для питания устройства, состояние которого необходимо контролировать, не имея возможности подвести к нему проводную линию связи, то к блоку измерения, управления и связи 9 присоединяется (фиг. 3) радиомодем 11, посредством которого с помощью радиоволн на удаленный пункт сбора информации может быть передана как информация о параметрах питания, так и любые другие данные.
Если автономный интеллектуальный источник питания используется для питания устройства, к которому предъявляются требования искробезопасности, то между цилиндрической солнечной батареей 1 и блоками заряда подключается (фиг. 4) блок беспроводной передачи энергии 12, исключающий гальваническую связь схемы, расположенной внутри корпуса автономного интеллектуального источника питания с внешними элементами (цилиндрической солнечной батареей 1), на которой может образоваться высокий потенциал вследствие электризации или удара молнией [6].
Если автономный интеллектуальный источник питания используется для питания устройства, к которому предъявляются требования искробезопасности (ограничение выходного тока), и кроме того должен иметь возможность управляемого отключения электропитания, то к выходу преобразователя/стабилизатора 7 подключается многоканальный блок защиты и отключения 13 (фиг. 5). Выходные напряжения блока защиты и отключения 13 могут быть отключены (в любой комбинации) по команде блока измерения, управления и связи 9 или при превышении тока в нагрузочных цепях установленных максимальных значений.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Цилиндрическая солнечная батарея 1 может состоять из кремниевых солнечных элементов, например кремниевые солнечные элементы 52х19 мм артикул 79 (рабочее напряжение 0,5 В, максимальный рабочий ток 0,28 А, ток короткого замыкания 0,32 А, максимальная мощность 0,14 Вт) [7].
Аккумулятор 4 должен обеспечивать работу в температурном диапазоне работы автономного интеллектуального источника питания и иметь необходимые напряжение и емкость, например аккумулятор LiFePO4 ANR26650M1-B (размер Ø26x65 мм, вес 76 г, номинальная емкость 2,5 А·ч, номинальное напряжение 3,3 В, внутреннее сопротивление 6 мОм, количество циклов заряда >1000) [8].
Блоки заряда 2 и 3 должны обеспечивать заряд аккумулятора 4 и буферного конденсатора 6 в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию последних. Блоки заряда должны представлять собой схему, обеспечивающую заряд от солнечной батареи аккумулятора (конденсатора) в соответствии с техническими условиями на эксплуатацию последних. Блоком заряда аккумулятора может быть BQ25505RGRT (напряжение заряда батареи - 5.5 В, тип батарей - LiFePO4, Li-Ion, Li-Pol, максимальный ток заряда - 100 мА, входное напряжение - 4 В, максимальная рабочая температура - +85°C, минимальная рабочая температура -40°C) [9].
Батарея 5 должна обеспечивать необходимые значения рабочего напряжения, тока и электрической емкости, например литий-тионил хлоридный Li-SOCl2 элемент ER34615M-FT (предназначен для долговременной работы с небольшим потреблением тока, хранение до 10 лет, саморазряд <1% в год, номинальное напряжение 3,6 В, номинальная ёмкость 19 А·ч, стандартный разрядный ток 2 мА, максимальный продолжительный ток разряда 230 мА, максимальный импульсный ток разряда 500 мА, размер Ø34x60,5 мм, вес 118 г) [10].
Буферный конденсатор 6 (суперконденсатор, ионистор), например, ESHSR-0360C0-002R7A (номинальное напряжение 2,7 В, номинальная емкость 360 Ф) [11].
В качестве преобразователя/стабилизатора 7 может использоваться любой импульсный стабилизирующий преобразователь напряжения с высоким кпд, например повышающий преобразователь LTC3525-3,3 (входное напряжение 0,85-3,3 В, максимальный выходной ток 0,45 А, кпд 85-95% при выходном токе 1-10 мА) [12].
В качестве коммутатора 8 могут быть использованы коммутаторы на основе электрических схем, либо отдельных ключевых транзисторов, например Si1967DH (сопротивление открытого ключа 0,45-0,5 Ом) [13].
В качестве блока измерения, управления и связи 9 может использоваться энергоэкономичный микропроцессор, например микропроцессор серии MSP430x11x2 [14], или MSP432P401R [15].
Блок дозированного разряда 10 батареи может иметь в качестве основы схему [5], где в качестве управляемого элемента используется управляемый DC/DC-преобразователь TPS62740 [16].
Радиомодем 11 может использоваться любой, обеспечивающий работу в нелицензируемых диапазонах частот, например TE-CC430F51-433 (питающее напряжение 1,8-3,6 В, выходная мощность 12 дБм, диапазон рабочих частот 433 МГц) [17].
Блок беспроводной передачи энергии 12 может быть PW-WL-5 (входное напряжение 12 В, выходное напряжение 5 В, выходной ток до 0,6 А) [18].
Блок защиты и отключения 13 может быть реализован на основе измерителя тока CS70 [19], компаратора [20] и управляемого ключа Si1967DH [21].
Источники информации
1. Патент РФ № 2503120, кл. H02М, опубл. 27.12.2013 г.
2. Патент РФ № 2567930, кл. H02J, B64G, опубл. 10.11.2015 г.
3. Патент RU 2516511, кл. G05B, опубл. 20.05.2014 г.
4. Патент РФ № 2195754, кл. H02J, опубл. 27.12.2002 г.
http://www.compel.ru/lib/ne/2015/2/.
5. Пушкарев О. Как достичь максимального времени работы беспроводного узла с автономным питанием. Новости электроники, №2 (136), 2015 г.
http://lib.chipdip.ru/ 954/DOC000954443.pdf
6. PW-WL-5. Комплект для беспроводного зарядного устройства 5 Вольт. .
7. http://mobilesolar.ru/products/8966789.
8. http://lr6.ru/akkumuljatory/promyshlennye-akkumuljatory/akkumuljator-li-fe/3211.
9. http://www.chipdip.ru/product/bq25505rgrt-1.
10. http://www.expertcen.ru/offer/offer_67137.html.
11. http://favorit-ec.ru/DOCS/pdfs/nesscap/4.pdf.
12. http://datasheet.elcodis.com/pdf/63/93/639300/ltc3525esc6-3pbf.pdf.
http://www.vishay.com/docs/68784/SI1967DH.pdf.
13.
14. http://www.ti.com/lit/ds/slas361d/slas361d.pdf.
15. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp432p401r.pdf.
16. http://z.compel.ru/item-pdf/f465f19931feb183b40b6cab0dd8d908/ps/ti~tps62740.pdf.
17. http://188.124.224.67/modules/te-cc430f51-433/rukovodstvo_te-cc430f51-433.pdf.
18. http://lib.chipdip.ru/954/DOC000954443.pdf.
19. http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/DM00109906.pdf.
http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/ CD00258546.pdf
20..
21. http://www.vishay.com/docs/68784/SI1967DH.pdf.