АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
STANDALONE POWER SUPPLY SYSTEM

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к системам электроснабжения автономных объектов с использованием в качестве первичных источников энергии солнечных батарей, а в качестве накопителей энергии - аккумуляторных батарей.
Известна автономная система электроснабжения (СЭС), состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, стабилизатора напряжения, зарядного и разрядного устройств, первые входные силовые выводы стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод зарядного устройства и первый входной силовой вывод разрядного устройства соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, первые выходные силовые выводы стабилизатора напряжения и разрядного устройства соединены с выходной потенциальной шиной СЭС, вторые входные и выходные силовые выводы стабилизатора напряжения, зарядного и разрядного устройств, а также нулевая шина солнечной и аккумуляторной батарей соединены с нулевой выходной шиной СЭС [1].
При наличии энергии в солнечной батарее стабилизатор напряжения передает ее энергию бортовым потребителям, а зарядное устройство питает аккумуляторную батарею. При отсутствии энергии в солнечной батарее питание бортовых потребителей осуществляется разрядным устройством от аккумуляторной батареи.
Недостатком известной СЭС является большое количество оборудования, а также большая величина коммутируемого напряжения на дросселе стабилизатора напряжения, что ухудшает массогабаритные показатели системы.
Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является СЭС, состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, зарядного и разрядного устройств и стабилизатора напряжения, первые входные силовые выводы стабилизатора напряжения и зарядного устройства соединены с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод зарядного устройства, первый входной силовой вывод разрядного устройства и второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с потенциальной шиной аккумуляторной батареи, первые выходные силовые выводы стабилизатора напряжения и разрядного устройства соединены с выходной потенциальной шиной СЭС, вторые входные и выходные силовые выводы зарядного поразрядного устройств, второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения, а также нулевые шины солнечной и аккумуляторной батарей соединены с нулевой выходной шиной СЭС [2].
В известной СЭС соединение второго входного силового вывода стабилизатора напряжения с потенциальной шиной аккумуляторной батареи уменьшает величину коммутируемого напряжения на дросселе стабилизатора напряжения на значение напряжения аккумуляторной батареи.
Недостатком известной СЭС является большое количество оборудования.
Цель предлагаемого изобретения состоит в уменьшении количества оборудования.
Поставленная цель достигается тем, что в СЭС, состоящей из солнечной и аккумуляторной батарей и стабилизатора напряжения, который содержит ключевой элемент, диод, обмотку дросселя и конденсатор, первый силовой вывод ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый вывод диода соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод ключевого элемента и второй вывод диода соединены с первым выводом обмотки дросселя, второй вывод обмотки дросселя и первый вывод конденсатора соединены с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй вывод конденсатора соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, первый входной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с потенциальной шиной солнечной батареи, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединен с выходной потенциальной шиной СЭС, нулевые шины солнечной и аккумуляторной батарей, второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения соединены с нулевой выходной шиной СЭС, солнечная батарея выполнена с дополнительной промежуточной шиной, которая соединена со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, а в стабилизатор напряжения дополнительно введены: вторая обмотка дросселя, второй конденсатор и второй ключевой элемент, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод второго конденсатора соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, второй вывод второй обмотки дросселя соединен с первым силовым выводом второго ключевого элемента, второй силовой вывод второго ключевого элемента соединен со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения, кроме того, в стабилизатор напряжения дополнительно введены: третий входной силовой вывод, третий и четвертый ключевые элементы, первые силовые выводы третьего и четвертого ключевых элементов соединены с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод третьего ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, второй силовой вывод четвертого ключевого элемента соединен с первым выводом первой обмотки дросселя, кроме того, в стабилизатор напряжения дополнительно введены: пятый ключевой элемент и второй диод, первый силовой вывод пятого ключевого элемента соединен с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения, второй силовой вывод пятого ключевого элемента соединен с первым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод второго диода соединен со вторым выводом второй обмотки дросселя, второй вывод второго диода соединен с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения.
Сущность технического решения заключается в том, что использование солнечной батареи с дополнительной промежуточной шиной, включенной в цепь второго входного силового вывода стабилизатора напряжения, уменьшает амплитуду пульсации напряжения на обмотках дросселя стабилизатора напряжения при коммутации его ключевого элемента на величину напряжения промежуточной шины солнечной батареи, а введение в стабилизатор напряжения двухобмоточного дросселя и второго конденсатора реализует сглаживающий магнитно-связанный фильтр [3], который совместно с дополнительным диодом и четырьмя ключевыми элементами интегрирует в стабилизатор напряжения дополнительные функции заряда и разряда аккумуляторной батареи.
1СБ
2СБ
1СБ
2СБ
АБ
н
0
На чертеже приведена схема предлагаемой СЭС, она содержит солнечную батарею 1, аккумуляторную батарею 2, стабилизатор напряжения 3 и бортовые потребители 4. Солнечная батарея 1 имеет нулевую, потенциальную U и промежуточную U шины. Стабилизатор напряжения 3 состоит из пяти ключевых элементов 5, 10-13, двух диодов 6 и 14, двухобмоточного дросселя 7 с обмотками 7.1 и 7.2, двух конденсаторов 8 и 9, первые силовые выводы ключевых элементов 5 и 13 соединены с первым входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, первый вывод диода 6 соединен со вторым входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, первые силовые выводы ключевых элементов 11, 12 и второй вывод диода 14 соединены с третьим входным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, второй силовой вывод ключевых элементов 5 и 12, второй вывод диода 6, первый вывод конденсатора 9 и первый вывод обмотки 7.1 дросселя 7 соединены между собой, вторые силовые выводы ключевых элементов 11 и 13, второй вывод конденсатора 9 и первый вывод обмотки 7.2 дросселя 7 соединены между собой, второй вывод обмотки 7.1 дросселя 7, первый вывод конденсатора 8 соединен с первым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения 3, второй вывод обмотки 7.2 дросселя 7, первый вывод диода 14 и первый силовой вывод ключевого элемента 10 соединены между собой, второй вывод ключевого элемента 10 и второй вывод конденсатора 8 соединены со вторым выходным силовым выводом стабилизатора напряжения 3. Первый входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с потенциальной шиной U солнечной батареи 1, второй входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с промежуточной шиной U солнечной батареи 1, третий входной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с потенциальной шиной U аккумуляторной батареи 2, первый выходной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединен с потенциальной шиной бортовых потребителей 4, являющейся выходной шиной U СЭС, нулевая шина солнечной батареи 1, нулевая шина аккумуляторной батареи 2 и второй выходной силовой вывод стабилизатора напряжения 3 соединены с нулевой шиной бортовых потребителей 4, являющейся нулевой выходной шиной U СЭС.
Автономная СЭС, состоящая из (см. чертеж) солнечной батареи 1, аккумуляторной батареи 2, стабилизатора напряжения 3 и бортовых потребителей 4 со стабилизатором напряжения 3, содержащим пять ключевых элементов 5, 10-13, дроссель 7 с обмотками 7.1 и 7.2, два диода 6, 14 и два конденсатора 8, 9, работает следующим образом:
н
СБ1
н
<mrow><mi>Δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Б</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>t</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
При наличии энергии в солнечной батарее 1 и заряженной аккумуляторной батарее 2 стабилизацию напряжения на выходной потенциальной шине U осуществляют коммутацией ключевого элемента 5 при замкнутом ключевом элементе 10 и разомкнутых ключевых элементах 11-13. При этом на периоде коммутации при замкнутом состоянии ключевого элемента 5 энергия солнечной батареи 1 с потенциальной шины U поступает на выходную шину U и накапливается в дросселе 7, увеличивая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением
,
з
СБ1
н
где L - индуктивность обмоток дросселя 7, t - длительность замкнутого состояния ключевого элемента 5, (U-U) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.
н
СБ2
При разомкнутом состоянии ключевого элемента 5 на выходную шину U поступают энергия солнечной батареи, 1 с промежуточной шины U и  накопленная в дросселе 7, уменьшая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением
<mrow><mi>Δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Б</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>t</mi><mi>р</mi></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
,
р
СБ2
н
где t - длительность разомкнутого.состояния ключевого элемента 5, (U-U) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.
СБ2
СБ2
н
В этом режиме соединение второго входного силового вывода стабилизатора напряжения 3 с промежуточной шиной U солнечной батареи 1 уменьшает величину коммутируемого напряжения на обмотках дросселя 7 на значение напряжения промежуточной шины U солнечной батареи 1, что, в свою очередь, уменьшает амплитуду переменной составляющей суммарного тока обмоток дросселя 7, при этом на выходную шину U СЭС поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7.
н
АБ
При отсутствии энергии в солнечной батарее 1 и заряженной аккумуляторной батареи 2 стабилизация напряжения на выходной потенциальной шине U осуществляют поочередной коммутацией ключевых элементов 11 и 12 при разомкнутых ключевых элементах 5, 13 и замкнутом ключевом элементе 10. При этом на периоде коммутации при замкнутом состоянии ключевого элемента 11 и разомкнутом состоянии ключевого элемента 12 энергия аккумуляторной батареи 2 с потенциальной шины U накапливается в дросселе 7, увеличивая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением
<mrow><mi>Δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Б</mi></mrow></msub><msub><mi>t</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
,
з
АБ
где t - длительность замкнутого состояния ключевого элемента 11, (U) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.
н
АБ
При разомкнутом состоянии ключевого элемента 11 и замкнутом состоянии ключевого элемента 12 на выходную шину U поступают энергия аккумуляторной батареи 2 с потенциальной шины U и энергия, накопленная в дросселе 7, уменьшая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением
<mrow><mi>Δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Б</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>t</mi><mi>р</mi></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
,
р
АБ
н
где t - длительность разомкнутого состояния ключевого элемента 11, (U-U) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.
н
В этом режиме переключение суммарного тока обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 с ключевого элемента 11 на ключевой элемент 12 и обратно происходит через конденсатор 9, а на выходную шину U СЭС поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7.
н
СБ1
АБ
При наличии энергии в солнечной батарее 1 и разряженной аккумуляторной батареи 2 стабилизация напряжения на выходной потенциальной шине U осуществляют коммутацией ключевого элемента 13 при разомкнутом состоянии ключевых элементов 5, 10-12. При этом на периоде коммутации при замкнутом состоянии ключевого элемента 13 энергия солнечной батареи 1 с потенциальной шины U поступает на потенциальную шину U аккумуляторной батареи (заряжает аккумуляторную батарею) и накапливается в дросселе 7, увеличивая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением
<mrow><mi>Δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Б</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>А</mi><mi>Б</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>t</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
,
з
СБ1
АБ
где t - длительность замкнутого состояния ключевого элемента 13, (U-U) - значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.
н
СБ2
При разомкнутом состоянии ключевого элемента 13 на выходную шину U поступают энергия солнечной батареи 1 с промежуточной шины U и энергия, накопленная в дросселе 7, уменьшая суммарный ток обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 в соответствии с выражением
<mrow><mi>Δ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>I</mi><mrow><mi>L</mi><mn>7</mn><mo>.</mo><mn>2</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Б</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><msub><mi>t</mi><mi>р</mi></msub></mrow><mi>L</mi></mfrac></mrow>
,
р
СБ2
н
где t - длительность разомкнутого состояния ключевого элемента 13, (U-U) -значение напряжения, поступающего на обмотки дросселя 7.
н
В этом режиме переключение суммарного тока обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7 с ключевого элемента 13 на диод 6 и обратно происходит через конденсатор 9, на выходную шину U СЭС поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7, а заряд аккумуляторной батареи осуществляют током обмотки 7.2 дросселя 7.
н
Таким образом, использование в СЭС солнечной батареи 1 с дополнительной промежуточной шиной, включенной в цепь второго входного силового вывода стабилизатора напряжения 3, уменьшает амплитуду пульсации напряжения на обмотках дросселя 7 в режиме стабилизации выходного напряжения СЭС от солнечной батареи 1, а введение в состав стабилизатора напряжения 3 дросселя 7 с двумя обмотками 7.1, 7.2 и второго конденсатора 9 реализует сглаживающий магнитно-связанный фильтр, который совместно с дополнительным диодом 14 и четырьмя ключевыми элементами 10-13 интегрирует в стабилизатор напряжения 3 дополнительные функции заряда и разряда аккумуляторной батареи 2, кроме того, на выходную шину U СЭС во всех режимах работы поступает ток обмотки 7.1 дросселя 7, величина переменной составляющей которого меньше переменной составляющей суммарного тока обмоток 7.1 и 7.2 дросселя 7.
ЛИТЕРАТУРА
1. Варианты построения экстремальных шаговых регуляторов мощности солнечных батарей. / Ю.А.Шиняков, К.Г.Гордеев, С.П.Черданцев, П.В.Обрусник // Труды ВНИИЭМ. -М., 1997. Т.97. Электромеханические устройства космических аппаратов. С.83-92.
7
2. Патент РФ №2402136, МПК Н02J 7/00, Н02J 7/34, опубл. 20.10.2010Э, БИПМ №29 (прототип).
3. Магнитно-связанный сглаживающий фильтр для импульсных регуляторов и преобразователей постоянного напряжения. / А.Г.Поликарпов и др. - ЭТвА, 1986, вып.17, с.116-121.