[1]Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к автономным системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), использующим в качестве первичного источника энергии батарею солнечную (БС), а в качестве накопителей энергии - аккумуляторные батареи (АБ).
[2]В СЭП осуществляют непрерывное единое управление регуляторами избыточной мощности (РИМ), регуляторами заряда (РЗ) и регуляторами разряда (РР) в зависимости от входного и выходного напряжений СЭП.
[3]При мощности БС больше мощности, потребляемой нагрузкой, возможны два варианта:
[4]1-й вариант: если вся избыточная мощность не может быть использована для заряда АБ, то в данном случае РИМ обеспечивают ограничение избыточной мощности БС и стабилизацию выходного напряжения СЭП;
[5]2-й вариант: если вся избыточная мощность может быть использована для заряда АБ, то в данном случае РЗ обеспечивают стабилизацию выходного напряжения СЭП.
[6]При мощности БС меньше мощности, потребляемой нагрузкой, недостающая мощность обеспечивается разрядом АБ, а РР обеспечивают стабилизацию выходного напряжения СЭП.
[7]В зависимости от степени заряженности АБ производят запрет или разрешение работы РЗ и РР.
[8]Известен способ управления автономной системой электропитания КА (патент РФ на изобретение №2467449, H02J 7/34, 2012, ближайший аналог), заключающийся в управлении стабилизатором напряжения, зарядными и разрядными устройствами в зависимости от входного и выходного напряжения СЭП; контроле выходного напряжения СЭП с помощью порогового датчика; контроле степени заряженности АБ; запрете на работу соответствующего зарядного устройства при достижении максимального уровня заряженности данной АБ и снятии этого запрета при снижении уровня заряженности; запрете на работу соответствующего разрядного устройства при достижении минимального установленного уровня заряженности данной АБ и снятии этого запрета при повышении уровня заряженности данной АБ; запрете работы всех разрядных устройств и прекращении управления разрядными устройствами при аварийном разряде АБ в случае потери ориентации БС на Солнце; формировании и запоминании управляющего сигнала в бортовой комплекс управления КА для отключения части бортовой аппаратуры при аварийном разряде нескольких АБ до минимального уровня заряженности; снятии запрета на работу всех разрядных устройств при аварийном разряде всех АБ до минимального уровня заряженности; запрете работы всех разрядных устройств и прекращении управления разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности АБ, в случае если после запоминания управляющего сигнала при аварийном разряде АБ выходное напряжение СЭП снижается до заданного порогового значения; питание оставшейся включенной части бортовой аппаратуры (БА) от БС через стабилизатор напряжения (СН) после восстановления ориентации БС на Солнце; сбросе запоминания управляющего сигнала при аварийном разряде АБ после заряда всех АБ по внешней команде; снятии запрета работы всех разрядных устройств и возобновлении управления разрядными устройствами по сигналам об уровне заряженности при заряде АБ до некоторого значения емкости.
[9]Известный способ управления СЭП имеет ряд недостатков:
[10]- через СН в рассматриваемой схеме СЭП проходит вся электроэнергия, потребляемая нагрузкой, что приводит к увеличению установленной мощности СН и к дополнительным потерям электроэнергии на собственное потребление, увеличению потерь электроэнергии в нем;
[11]- отключение АБ от работы для проведения формовочного цикла;
[12]- наличие устройств, обеспечивающих проведение формовочных циклов АБ;
[13]- отсутствие выбора оптимального коэффициента перезаряда АБ, учитывающего коэффициент полезного действия (КПД) АБ;
[14]- отсутствие защиты от кондуктивных помех и от статического электричества в цепях питания нагрузки;
[15]- отсутствие защиты АБ от перезаряда по температуре АБ;
[16]- отсутствие электрического разделения БС на независимые секции.
[17]Указанные недостатки обусловлены известными операциями управления СЭП, а также использованием широко применяемых никелькадмиевых или никельводородных АБ.
[18]Задачей предлагаемого изобретения является устранение выявленных недостатков, а именно повышение надежности СЭП, обеспечение живучести и длительной эксплуатации низкоорбитальных КА.
[19]Поставленная задача решается тем, что в способе управления автономной СЭП КА, содержащей БС и n АБ, электронные регуляторы (стабилизаторы) напряжения, включающие n регуляторов избыточной мощности и n регуляторов заряда и разряда, расположенных между БС и нагрузкой, заключающемся в управлении всеми регуляторами в зависимости от выходного напряжения СЭП, контролируют степень заряженности АБ; вводят запрет на работу соответствующего регулятора заряда при достижении максимального уровня заряженности данной АБ и снимают этот запрет при снижении уровня заряженности; вводят запрет на работу соответствующего регулятора разряда при достижении минимального установленного уровня заряженности данной АБ и снимают этот запрет при повышении уровня заряженности данной АБ; вводят запрет работы всех регуляторов разряда и прекращают управление регуляторами разряда при аварийном разряде АБ в случае потери ориентации БС на Солнце или неотключения периодически включаемой полезной нагрузки; снимают запрет работы всех регуляторов разряда и возобновляют управление регуляторами разряда при превышении мощности БС мощности, потребляемой нагрузкой.
[20]Предлагаемый способ отличается тем, что в автономной СЭП с n АБ, выполненными на основе никельметаллгидридных (НМГ) аккумуляторов, управляют введенным единым устройством управления постоянно всеми n НМГ АБ без их отключения; определяют оптимальный коэффициент перезаряда АБ в зависимости от наличия или отсутствия сигналов срабатывания датчиков давления (ДД) в АБ в течение заданного количества циклов по командам бортовой вычислительной системы (БВС) КА; запрещают по командам БВС КА работу регуляторов заряда при достижении заданной разности температур между температурой одного из аккумуляторов и температурой основания АБ и разрешают работу регуляторов заряда при уменьшении разности температур до заданного значения; запрещают работу регуляторов заряда по сигналам счетчика ампер-часов (САЧ) при отсутствии сигналов срабатывания ДД в АБ в течение заданного количества циклов по командам БВС КА для устранения накапливающейся ошибки в показаниях фактической емкости АБ; запрещают работу регуляторов заряда при получении сигналов о превышении заданного давления от ДД, установленных на первом и последнем аккумуляторах единого газового коллектора АБ.
[21]Дополнительно в предлагаемом способе управления автономной СЭП КА с помощью конденсаторов и резисторов, установленных между «плюсовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА и между «минусовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА, предотвращают прохождение статического электричества и кондуктивных помех в цепи питания БА КА и разрешают работу регуляторов заряда и разряда по командам от БВС КА в случае запрета их работы по «ложным» командам, сформированным от электростатических разрядов.
[22]Регулирование избыточной мощности БС осуществляется регулятором параллельного типа, что обеспечивает минимальное собственное потребление регулятора при отсутствии избыточной мощности БС, т.к. при этом регулятор закрыт и отсутствует потребление в его силовых цепях и уменьшаются потери электроэнергии на собственное потребление.
[23]Управление постоянно всеми НМГ АБ без их отключения повышает надежность работы СЭП, т.к. не требуется проведение формовочных циклов и необходимых электронных устройств, команд и сигналов для их обеспечения и включения/отключения АБ.
[24]Определение оптимального коэффициента перезаряда АБ в зависимости от наличия или отсутствия сигналов срабатывания ДД в АБ в течение заданного количества циклов по командам БВС обеспечивает максимальный КПД АБ, повышает надежность СЭП и обеспечивает длительную эксплуатацию низкоорбитальных КА.
[25]Запрещение заряда АБ при достижении заданной разности температур между температурой одного из аккумуляторов и температурой основания АБ и разрешение заряда при уменьшении разности этих температур до заданного значения защищает АБ от перезаряда, и, как следствие, от теплового «разгона» и последующего выхода из строя, что повышает надежность СЭП.
[26]Запрещение заряда по сигналам САЧ при отсутствии сигналов срабатывания ДД в АБ в течение заданного количества циклов по командам БВС КА устраняет накапливающиеся ошибки в показаниях фактической емкости АБ и обеспечивает полный заряд АБ, что повышает надежность работы СЭП и обеспечивает длительную эксплуатацию низкоорбитальных КА.
[27]Применение единого газового коллектора АБ и установка всего двух датчиков давления на первом и последнем аккумуляторах АБ позволяет снизить массу АБ, уменьшить количество выдаваемых сигналов, упростить логику управления и повысить надежность СЭП.
[28]Запрещение заряда при получении сигналов о превышении заданного давления от ДД АБ обеспечивает полный заряд АБ, что повышает надежность работы СЭП.
[29]Использование функционирования конденсаторов и резисторов между «плюсовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА и между «минусовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА, защищает БА КА от статического электричества и от кондуктивных помех в цепях питания и повышает надежность БА КА.
[30]Разрешение заряда и разряда по командам от БВС КА в случае запрета их работы по «ложным» командам от электростатических разрядов обеспечивает автономность работы СЭП и повышает надежность СЭП.
[31]Предлагаемый способ управления может быть реализован для СЭП, состоящей из n энергетически независимых подсистем.
[32]Пример состоящей из n энергетически независимых подсистем структурно-функциональной схемы СЭП, в которой реализуется предлагаемый способ управления, приведен на чертеже.
[33]На представленной схеме введены следующие обозначения:
[34]11…1n - секции батареи солнечной;
[35]21…2n - подсистемы СЭП;
[36]31…3n - аккумуляторные батареи;
[37]41…4n - регуляторы избыточной мощности;
[38]51…5n - регуляторы заряда;
[39]61…6n - регуляторы разряда;
[41]81…84 - диодные блоки;
[42]91…93 - транзисторные ключи;
[44]111…11n - сигнально-командные устройства (СКУ);
[45]12 - устройство управления (УУ);
[46]13 - выходной фильтр;
[49]Один РЗ 5, один РР 6, одно СКУ 11 совместно с одной АБ 3 составляют одну подсистему 2 СЭП.
[50]Способ управления автономной СЭП КА осуществляют следующим образом.
[51]В СЭП осуществляют непрерывное единое управление всеми РИМ 41-4n, РЗ 51-5n и РР 61-6n в зависимости от выходного напряжения СЭП. При этом РИМ 41-4n обеспечивают ограничение избыточной мощности БС, стабилизацию выходного напряжения СЭП, режим заряда АБ 31-3n и питание нагрузки 15, в состав которой входит бортовой комплекс управления с БВС; РЗ 51-5n обеспечивают стабилизацию выходного напряжения СЭП и заряд АБ 31-3n; РР 61-6n обеспечивают стабилизацию выходного напряжения СЭП и питание нагрузки 15.
[52]РЗ 51-5n и РР 61-6n подключены последовательно с АБ 31-3n и вместе с БС 11-1n и РИМ 41-4n подключены параллельно нагрузке 15.
[53]РИМ 41-4n обеспечивают минимальное собственное потребление при отсутствии избыточной мощности БС 11-1n, т.к. при этом регуляторы закрыты и отсутствует потребление в их силовых цепях. РИМ открываются только при наличии избыточной мощности БС и подключают «плюсовые» цепи своей секции БС на выходные шины СЭП. В состав каждого из РИМ 41-4n входят транзисторный ключ 91 и диодный блок 81. Мощность одной секции БС регулируется работающим в режиме широко-импульсной модуляции (ШИМ) транзисторным ключом 91, который закорачивает входы «плюс» одной секции БС на «минус» СЭП.
[54]РЗ 51-5n обеспечивают заряд АБ 31-3n от выходных шин СЭП и стабилизацию напряжения на выходных шинах СЭП регулированием тока заряда АБ. В состав каждого из РЗ 51-5n входят двухтактный транзисторный ключ 92, диодный блок 82, а также дроссель, компенсирующий разницу между напряжением СЭП и АБ. Каждый РЗ включен последовательно с АБ для компенсации разницы между напряжением на выходе СЭП и напряжением на выходе АБ и, поскольку напряжение на АБ ниже напряжения на выходе СЭП, РЗ «гасит» избыточное напряжение. Транзисторный ключ 92, работающий в режиме ШИМ, регулирует ток заряда, поступающий от БС, и подключает цепи «плюс» питания к «плюс» АБ.
[55]РР 61-6n обеспечивают разряд АБ 31-3n на выходные шины СЭП и стабилизацию напряжения на выходных шинах СЭП регулированием тока разряда АБ. В состав каждого из РР 61-6n входят двухтактный транзисторный ключ 93, вольтодобавочный трансформатор 101, диодные блоки 83 и 84. Каждый РР включен последовательно с АБ для компенсации разницы между напряжением на выходе СЭП и напряжением АБ и, поскольку напряжение на АБ ниже выходного напряжения СЭП, РР добавляет недостающее напряжение.
[56]Фильтры 71-7n предназначены для уменьшения пульсаций выходного напряжения СЭП и являются общими для РИМ, РР и РЗ.
[57]В зависимости от степени заряженности АБ и условий работы производится запрет или разрешение работы РЗ и РР.
[58]Управление последовательностью и режимами работы регуляторов осуществляется единым УУ 12, что обеспечивает высокую точность стабилизации выходного напряжения СЭП использованием для всех РИМ 41-4n, РЗ 51-5n и РР 61-6n общего измерительного органа и исключения разнесения уставок напряжения РИМ 41-4n, РЗ 51-5n и РР 61-6n.
[59]Функционально в состав УУ 12 входят: стабильный генератор, измерительный генератор, подсинхронные генераторы.
[60]Стабильный генератор запитывается от стабилизатора напряжения СЭП и характеризуется стабильной частотой выходного сигнала.
[61]Измерительный генератор запитывается от выходной шины СЭП и его частота пропорциональна напряжению СЭП и при номинальном значении напряжения СЭП равна частоте стабильного генератора.
[62]Подсинхронные генераторы имеют собственную частоту ниже частоты стабильного и измерительного генераторов и всегда работают в режиме синхронизации.
[63]Работа УУ 12 осуществляется следующим образом.
[64]Если напряжение питания измерительного генератора меньше номинального напряжения СЭП, то его собственная частота становится ниже частоты стабильного генератора и стабильный генератор является ведущим для всех генераторов, при этом РР 61-6n полностью открыты (фаза 1), РИМ 41-4n и РЗ 51-5n закрыты (фаза 0).
[65]Если напряжение питания измерительного генератора больше номинального напряжения СЭП, то его собственная частота становится выше частоты стабильного генератора, и измерительный генератор становится ведущим для всех генераторов, при этом РР закрыт (фаза 0), РИМ и РЗ открыты (фаза 1). Переход от первого состояния во второе происходит при поочередном изменении фазы между выходными сигналами соседних генераторов от 0 до 1.
[66]При возрастании напряжения питания измерительного генератора сначала изменяется фаза РР от 1 до 0. После уменьшения фазы РР практически до 0 (ток БС равен току нагрузки) РР закрывается и начинает изменяться фаза РЗ и открываться РЗ. Фаза РЗ изменяется от 0 до 1 (при токе БС больше тока нагрузки фаза равна 1). После полного открытия РЗ (при токе БС больше суммы токов нагрузки и заряда БХА) начинает изменяться фаза РИМ и открываться РИМ. Фаза РИМ может изменяться от 0 до 1. Необходимая фазировка регуляторов обеспечивается соответствующим подключением сигналов управления на входах РИМ, РЗ и РР.
[67]Контроль параметров АБ 31-3n и управление включением и отключением РЗ 51-5n и РР 61-6n в зависимости от состояния АБ обеспечивают СКУ 111-11n.
[68]Равномерная нагрузка всех АБ 31-3n обеспечивается использованием отдельных РЗ и РР для каждой АБ.
[69]Выходной фильтр 13 состоит из m параллельно соединенных конденсаторов и предназначен для обеспечения требуемых уровней пульсаций и значений всплесков и провалов напряжения при переходных процессах на выходных шинах СЭП и объединения всех силовых цепей СЭП.
[70]НМГ АБ 31-3n не требуют проведения формовочных циклов и выравнивания напряжений аккумуляторов, и управление всеми НМГ АБ осуществляется постоянно без их отключения.
[71]При достижении максимальной степени заряженности конкретной АБ и получении соответствующим СКУ сигнала срабатывания одного из двух ДД, установленных на первом и последнем аккумуляторах единого газового коллектора этой АБ, СКУ запрещает работу ее РЗ. После пропадания сигнала срабатывания ДД этот запрет снимают сигналом с ее СКУ.
[72]Основным режимом работы АБ является режим работы по САЧ, реализованный на программном уровне в БВС, по «обнулению» показаний которого БВС формирует и выдает команду на запрет заряда конкретной АБ в соответствующий СКУ, который запрещает работу ее РЗ. После факта разряда и получения из СКУ сигнала разряда этой АБ БВС выдает команду на разрешение заряда АБ.
[73]При заряде АБ устанавливается оптимальный коэффициент перезаряда АБ, обеспечивающий максимальный КПД АБ, в зависимости от наличия или отсутствия сигналов срабатывания ДД в АБ в течение заданного количества циклов по командам БВС КА следующим образом.
[74]Если присутствует сигнал срабатывания ДД в конкретной АБ, то по командам БВС изменяется значение коэффициента перезаряда этой АБ на ближайшее от установленного меньшее значение. Если и далее в процессе следующего заряда при уменьшенном коэффициенте перезаряда появится сигнал срабатывания ДД в этой АБ, то по командам БВС изменяется значение коэффициента перезаряда АБ на ближайшее от установленного меньшее значение и т.д., пока не достигнет минимального значения.
[75]Если в течение М витков отсутствует сигнал срабатывания ДД в конкретной АБ, то по командам БВС изменяется значение коэффициента перезаряда этой АБ на ближайшее от установленного большее значение. Если и далее в течение П витков отсутствует сигнал срабатывания ДД в этой АБ, то по команде БВС измененное значение коэффициента перезаряда АБ изменяется на следующее ближайшее большее значение от установленного в данный момент времени и т.д. в течение следующих П витков, пока не достигнет максимального значения.
[76]Для устранения накапливающейся ошибки в фактических показаниях САЧ конкретной АБ при максимальном значении коэффициента перезаряда АБ в течение П витков и отсутствии сигнала срабатывания ДД в этой АБ БВС включает блокировку выдачи команды запрета заряда АБ по САЧ до получения сигнала срабатывания ДД АБ.
[77]Контроль температур АБ осуществляет БВС и при достижении заданного значения разности температур между температурой одного из двух аккумуляторов и температурой основания АБ БВС формирует и выдает в соответствующий СКУ команду на запрет заряда этой АБ. Заряд этой АБ разрешают по командам БВС, выдаваемым в этот СКУ при уменьшении этой разности температур до заданного значения.
[78]При разряде почти на всем его протяжении НМГ АБ поглощает тепло, выделенное при заряде, что уменьшает нагрузку на систему терморегулирования КА.
[79]При возникновении кондуктивных помех в цепях питания обеспечивается защита цепей питания нагрузки 15 от этих помех с помощью активных сопротивлений, установленных в цепях защиты 14 между «плюсовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА и между «минусовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА.
[80]При возникновении электростатических разрядов в цепях питания обеспечивается защита цепей питания нагрузки 15 от этих помех с помощью конденсаторов, установленных в цепях защиты 14 между «плюсовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА и между «минусовой» выходной шиной питания СЭП и корпусом КА.
[81]В случае запрета работы РЗ 51-5n и РР 61-6n по «ложным» командам, формируемым от электростатических разрядов, БВС по командам, выдаваемым в соответствующие СКУ 111-11n, автоматически разрешает их работу, и СЭП переходит в штатный режим работы.
[82]При возникновении аварийной ситуации на БС или выхода из строя одного из РИМ 61-6n будет потеряна не вся мощность БС, а только ее часть вследствие электрического разделения БС на независимые секции 11-1n и подключения каждой секции к своему одному РИМ.
[83]Таким образом, применение предлагаемого способа управления СЭП КА с использованием НМГ АБ позволит: уменьшить потери в регуляторах на собственное потребление, уменьшить тепловыделение АБ, не вводить дополнительные электронные устройства и отключать АБ для проведения формовочных циклов, заряжать АБ с оптимальным коэффициентом перезаряда, учитывающим максимальный КПД АБ, обеспечить дополнительную защиту АБ от перезаряда по температурным параметрам, исключить прохождение кондуктивных помех и электростатического электричества в цепи питания нагрузки, разрешать работу регуляторов заряда и разряда в случае их отключения по «ложным» командам, а также исключить выход из строя всей БС в случае возникновения аварийной ситуации на БС. При этом повышается надежность, живучесть и длительный срок эксплуатации КА.
