К бирже патентов
Патент 
№ RU 2650875
МПК 
H02J7/34

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА

Номер заявки
2016137446
Дата подачи заявки
19.09.2016
Опубликовано
18.04.2018
Страна
RU
Дата начала отсчета срока действия патента
19.09.2016
Авторы
Кочура Сергей Григорьевич (RU). Школьный Вадим Николаевич (RU). Шиняков Юрий Александрович (RU). Лопатин Александр Александрович (RU). Сунцов Сергей Борисович (RU). Семенов Валерий Дмитриевич (RU). Кабиров Вагиз Александрович (RU). Осипов Александр Владимирович (RU). Черная Мария Михайловна (RU). Латыпов Раимджан Акмальханович (RU)
Иллюстрации 
2
Реферат

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), и может быть использовано при проектировании и создании систем электропитания автоматических космических аппаратов на основе солнечных и аккумуляторных батарей (БС и АБ). Согласно изобретению система электропитания космического аппарата содержит солнечную и аккумуляторную батареи, два транзистора, образующих двунаправленный ключ, другие два транзистора, четыре резистора, систему управления, три диода, дроссель, конденсатор, зарядное устройство и нагрузку. Техническим результатом изобретения является улучшение удельных габаритно-массовых характеристик энергопреобразующего модуля СЭП КА за счет энергопитания нагрузки от двух источников энергии (БС и АБ) одним энергопреобразующим модулем, схемотехнически объединяющим стабилизатор напряжения и разрядное устройство и реализующим их функции. 2 ил.

Формула изобретения

Система электропитания космического аппарата, состоящая из солнечной и аккумуляторной батарей, зарядного устройства и нагрузки, отличающаяся тем, что солнечная батарея плюсовой шиной подключена к аноду первого диода и стоку первого транзистора, катод первого диода соединен с выходной шиной питания нагрузки, катодом второго диода, зарядным устройством аккумуляторной батареи и первым выводом конденсатора, к минусовой шине БС подключены вторая клемма АБ, анод третьего диода, исток второго транзистора, второй вывод конденсатора и минусовая шина нагрузки, первый вывод дросселя соединен с истоком первого транзистора, катодом третьего диода и стоком третьего транзистора, исток третьего транзистора соединен с истоком четвертого транзистора, сток которого подключен к первой клемме АБ и выходу зарядного устройства, затворы транзисторов подключены к системе управления через соответствующие резисторы.

Описание

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к бортовым системам электропитания (СЭП) космических аппаратов (КА), и может быть использовано при проектировании и создании систем электропитания автоматических космических аппаратов на основе солнечных и аккумуляторных батарей (БС и АБ).

Техническим результатом изобретения является улучшение удельных габаритно-массовых характеристик энергопреобразующего модуля СЭП КА.

Системы электропитания космических аппаратов длительного ресурса изначально строились на основе схем с отдельными энергопреобразующими модулями: стабилизатором напряжения (СН), зарядным (ЗУ) и разрядным (РУ) устройствами аккумуляторной батареи [1], каждый из которых выполняет свою функцию и управляется системой управления (СУ). Наиболее известным способом построения энергопреобразующих модулей СЭП КА является их разработка и реализация на основе преобразователей постоянного напряжения. Например, в работе [2] стабилизатор напряжения БС и зарядное устройство АБ выполнены на основе понижающих преобразователей, а разрядное устройство на основе повышающего преобразователя.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является система электропитания космического аппарата, описанная в [3] (фиг. 1), которая содержит секции солнечной батареи 1a-1n, аккумуляторные батареи 2a-2m, зарядные устройства 3a-3m, нагрузку 4, регуляторы напряжения секций солнечной батареи 5a-5n, разрядные устройства 6a-6m.

Каждая секция солнечной батареи (1a-1n) подключена к выходной шине питания нагрузки 4 через регулятор напряжения солнечной батареи (5a-5n), построенный на основе повышающего преобразователя напряжения. Каждая аккумуляторная батарея (2a-2m) так же подключена к выходной шине питания нагрузки 4 через разрядное устройство (6a-6m), построенное на основе повышающего преобразователя напряжения. Стабилизация напряжения выходной шины питания осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) открытого состояния транзисторов регуляторов напряжения БС и разрядных устройств АБ. В системе реализовано параллельное подключение источников энергии к выходной шине питания нагрузки 4. Вход каждого зарядного устройства (3a-3m) соединен с выходной шиной питания нагрузки 4, а выход зарядного устройства (3a-3m) подключен к АБ.

Недостатком этой системы электропитания является то, что разделение функций регулирования мощности БС и разряда АБ реализуется двумя группами одновременно никогда не работающих в режиме ШИМ энергопреобразующих устройств (5a-5n и 6a-6m), выполненных на основе повышающих преобразователей постоянного напряжения. При этом полупроводниковые приборы, дроссели, силовые шины, датчики напряжения и тока дублируются, что отрицательно сказывается на удельных габаритно-массовых характеристиках энергопреобразующей аппаратуры СЭП КА.

Целью настоящего изобретения является повышение удельных габаритно-массовых характеристик СЭП КА, что достигается за счет схемного совмещения стабилизатора напряжения и разрядного устройства (и их функций) в одном энергопреобразующем модуле.

На фиг. 2 представлена функциональная схема заявляемой системы электропитания космического аппарата, которая содержит солнечную батарею 1, аккумуляторную батарею 2, зарядное устройство 3, нагрузку 4, транзисторы 5 и 7, образующие двунаправленный ключ, транзисторы 11, 16, резисторы 6, 8, 10, 14, систему управления 9, диоды 12, 15, 17 дроссель 13, конденсатор 18.

Система управления осуществляет управление транзисторами 5, 7, 11 и 16 (замыкание, размыкание, обеспечение ключевого режима и т.д.) согласно принятому закону управления. При штатной работе в высокочастотном режиме ШИМ работает только транзистор 16, транзисторы 5, 7 и 11 работают как переключатели при смене режимов работы. Транзистор 5 работает в режиме ШИМ в случае возникновения перегрузки по выходному току. Дроссель 13 выполняет функцию накопителя энергии как в режиме питания от АБ, так и в режиме питания от БС.

Солнечная батарея 1 плюсовой шиной подключена к аноду диода 15 и стоку транзистора 11. Катод диода 15 соединен с выходной шиной питания нагрузки 4 первым выводом конденсатора 18, катодом диода 17 и входом зарядного устройства 3. К минусовой шине БС 1 подключены вторая клемма АБ 2, анод диода 12, исток транзистора 16, второй вывод конденсатора 18 и минусовая шина нагрузки 4. Анод диода 17 соединен со стоком транзистора 16 и вторым выводом дросселя 13, первый вывод которого соединен с истоком транзистора 11, катодом диода 12 и стоком транзистора 7. Исток транзистора 7 соединен с истоком транзистора 5, сток которого подключен к первой клемме АБ 2, соединенной с выходом ЗУ 3. Затворы транзисторов 5, 7, 11 и 16 подключены к системе управления 9 через соответствующие резисторы 6, 8, 10 и 14.

Система электропитания КА работает в следующих режимах.

1. Режим работы СЭП КА от солнечной батареи (мощность, потребляемая нагрузкой, меньше мощности, генерируемой БС, (РН<PБСmax), АБ заряжена).

В данном режиме транзисторы 5, 7 разомкнуты, транзистор 11 замкнут, транзистор 16 работает в ключевом режиме согласно закону ШИМ системы управления 9. Энергия, накопленная в дросселе 13, в период разомкнутого состояния ключа транзистора 16 передается через диод 17 в выходную емкость 18 и нагрузку 4. В период работы, когда ключ 16 замкнут, происходит разряд емкости 18 на нагрузку 4. Регулировочная характеристика преобразователя описывается выражением:

где Uвых - выходное стабилизированное напряжение на нагрузке, RH - сопротивление нагрузки, IБС - ток БС, γ - длительность открытого состояния транзистора 16.

2. Режим работы СЭП КА от солнечной батареи (мощность, потребляемая нагрузкой, меньше мощности, генерируемой БС, (РНБСmax), АБ разряжена).

В случае если мощность БС 1 превышает мощность, потребляемую нагрузкой 4, и требуемую мощность заряда АБ 2, включается зарядное устройство 3 и система электропитания работает как описано в режиме 1.

Регулировочная характеристика преобразователя описывается выражением:

где IЗУ - входной ток зарядного устройства АБ 2.

В случае если мощности БС 1 недостаточно для питания нагрузки 4 и обеспечения заданного тока заряда АБ 2, то солнечная батарея 1 подключается к выходной шине питания нагрузки 4 через диод 15. При этом транзисторы 5, 7, 11 и 16 разомкнуты. Зарядное устройство 3, стабилизируя напряжение на выходной шине питания нагрузки 4, направляет избыток генерируемой БС 1 мощности на заряд АБ 2.

3. Режим работы СЭП КА от солнечной и аккумуляторной батарей (мощность, потребляемая нагрузкой, больше мощности, генерируемой БС, (РНБСmax), разряд АБ).

В данном режиме генерируемая БС 1 мощность поступает в нагрузку 4 через диод 15. Транзистор 11 разомкнут. Транзисторы 5 и 7 постоянно замкнуты, а транзистор 16 работает в режиме ШИМ и управляется СУ 9. Ток нагрузки 4 определяется суммой токов БС 1 и АБ 2.

Регулировочная характеристика преобразователя описывается выражением:

где U - напряжение аккумуляторной батареи.

4. Режим работы СЭП КА от аккумуляторной батареи (солнечная батарея не генерирует мощность (РБС=0), разряд АБ).

В данном режиме транзистор 16 работает в режиме ШИМ и управляется согласно закону управления СУ 9. Транзисторы 5 и 7 постоянно замкнуты, транзистор 11 разомкнут. При протекании тока от АБ 2 в нагрузку 4 так же, как и в первом режиме работы, энергия, накопленная в дросселе 13, в период разомкнутого состояния ключа транзистора 16, передается через диод 17 в выходную емкость 18 и нагрузку 4. Когда ключ 16 замкнут, происходит разряд емкости 18 на нагрузку 4.

Регулировочная характеристика преобразователя в этом режиме описывается выражением (3). При этом энергопреобразующий модуль работает как преобразователь повышающего типа.

5. Режим ограничения тока разряда АБ (мощность, потребляемая нагрузкой, превышает мощность, генерируемую БС, и допустимую мощность разряда АБ).

Режим нештатный возникает в случае перегрузки схемы по выходному току. В данном режиме стабилизируется ток разряда АБ, при увеличении мощности, потребляемой нагрузкой, выходное напряжение снижается. Транзистор 11 разомкнут, транзистор 7 замкнут, транзисторы 5 и 16 работают в режиме ШИМ в соответствии с логикой СУ 9. Если напряжение на выходе становится равным или меньшим напряжения АБ, транзистор 16 переходит в закрытое состояние и энергопреобразующий модуль работает как преобразователь понижающего типа.

Таким образом, в заявляемом изобретении реализуется энергопитание нагрузки от двух источников (БС и АБ) одним энергопреобразующим модулем, что исключает необходимость использования двух дросселей и дублирования других ЭРИ за счет схемного совмещения стабилизатора напряжения БС и разрядного устройства АБ в одном энергопреобразующем модуле, обеспечивая тем самым улучшение удельных габаритно-массовых характеристик энергопреобразующего модуля СЭП КА.

Источники информации

1. Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. труд. - Новосибирск: Наука, 2007. - 552 С.

2. Особенности построения аппаратуры регулирования и контроля систем электропитания массогабаритных КА / Ю.А. Шиняков, К.Г. Гордеев, С.П. Черданцев, В.И. Пушкин, А.С. Гуртов, А.Н. Филатов // Электронные и электромеханические системы и устройства: Сб. науч. тр. НПЦ «Полюс». - Томск: МГП «РАСКО» при издательстве «Радио и связь», 2001. - с. 28-35.

3. Патент США №6396167, H02J 1/10 Power distribution system. 1999.

Похожие патенты
Автор(ы):  Гордеев Константин Георгиевич (RU) Кочура Сергей Григорьевич (RU) Козлов Роман Викторович (RU) Нестеришин Михаил Владленович (RU) Черданцев Сергей Петрович (RU)
Автор(ы):  Осипов Александр Владимирович (RU) Шиняков Юрий Александрович (RU) Сунцов Сергей Борисович (RU) Школьный Вадим Николаевич (RU) Нестеришин Михаил Владленович (RU) Черная Мария Михайловна (RU) Отто Артур Исаакович (RU)
Автор(ы):  Шиняков Юрий Александрович (RU) Нестеришин Михаил Владленович (RU) Сухоруков Максим Петрович (RU) Лопатин Александр Александрович (RU) Отто Артур Иванович (RU) Орлова Ольга Михайловна (RU)
Автор(ы):  Рясной Николай Владимирович (RU) Миненко Сергей Иванович (RU) Фомакин Виктор Николаевич (RU) Безбородова Людмила Владимировна (RU) Колесников Константин Сергеевич (RU)
Автор(ы):  Глухов Виталий Иванович (RU) Коваленко Сергей Юрьевич (RU) Нехамкин Леонид Иосифович (RU) Тарабанов Алексей Анатольевич (RU)
Автор(ы):  Волокитин Вадим Николаевич (RU) Кузьменко Роман Юрьевич (RU) Тищенко Артем Олегович (RU) Варенбуд Леонид Рувимович (RU)
Автор(ы):  Пушкин Валерий Иванович (RU) Миненко Сергей Иванович (RU) Гуртов Александр Сергеевич (RU) Фомакин Виктор Николаевич (RU) Гордеев Константин Георгиевич (RU) Черданцев Сергей Петрович (RU) Тараканов Константин Викторович (RU) Лейман Владимир Вольдемарович (RU)
Автор(ы):  Кудряшов Виктор Спиридонович (RU) Эльман Виктор Олегович (RU) Нестеришин Михаил Владленович (RU) Гордеев Константин Георгиевич (RU) Гладущенко Владимир Николаевич (RU) Хартов Виктор Владимирович (RU) Кочура Сергей Григорьевич (RU) Солдатенко Вадим Геннадьевич (RU) Мельников Николай Владимирович (RU) Козлов Роман Викторович (RU)
Автор(ы):  Коротких Виктор Владимирович (RU) Козлов Роман Викторович (RU) Нестеришин Михаил Владленович (RU) Опенько Сергей Иванович (RU)
Автор(ы):  Рясной Николай Владимирович (RU) Миненко Сергей Иванович (RU) Фомакин Виктор Николаевич (RU) Безбородова Людмила Владимировна (RU) Колесников Константин Сергеевич (RU)
Автор(ы):  Коротких Виктор Владимирович (RU) Козлов Роман Викторович (RU) Нестеришин Михаил Владленович (RU) Опенько Сергей Иванович (RU)
Автор(ы):  Рясной Николай Владимирович (RU) Фомакин Виктор Николаевич (RU) Колесников Константин Сергеевич (RU) Демидова Ирина Игоревна (RU) Родионова Нина Анатольевна (RU)
Автор(ы):  Григорьев Сергей Константинович (RU) Гуртов Александр Сергеевич (RU) Миненко Сергей Иванович (RU) Фомакин Виктор Николаевич (RU) Сыгуров Юрий Михайлович (RU)
Автор(ы):  Миненко Сергей Иванович (RU) Гуртов Александр Сергеевич (RU) Фомакин Виктор Николаевич (RU) Безбородова Людмила Владимировна (RU) Лепилов Александр Николаевич (RU)
Автор(ы):  Коротких Виктор Владимирович (RU) Нестеришин Михаил Владленович (RU) Опенько Сергей Иванович (RU)