RU2752874C1

RU2752874C1 - Method for supplying load with dc in autonomous power supply system of spacecraft

Info

Publication number: RU2752874C1
Application number: RU2020129575A
Authority: RU
Inventors: Юрий Александрович Вторушин; Александр Павлович Непомнящих; Анатолий Михайлович Стрижков; Евгений Ильич Крутских; Вадим Николаевич Школьный
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2021-08-11

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention is used in the field of electrical engineering for spacecraft (SC). Disclosed is a method for supplying a load with direct current in an autonomous power supply system of a spacecraft from a primary source of limited power, for example, a solar battery, and a secondary source of electricity, for example, a storage battery, which consists in stabilizing the voltage across the load with a voltage stabilizer connected between the solar battery and the load using charging devices (CDs) and discharging devices (DDs). According to the invention, independent current stabilizers (CSs) are used as part of the CD, they are controlled by on-off commands, and the total current of the CD is regulated by changing the number of activated CSs. The CSs are powered from a bus connected through diodes. The analysis of the state of charge of the battery and the setting of the charging current of the charger is performed using telemetry data on the current and voltage of the battery.

EFFECT: improving the performance and functional reliability of the power supply system (PSS) while simplifying electrical circuits.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области космической энергетики, а именно бортовых систем электропитания космических аппаратов (КА) с использованием солнечных батарей (БС) и аккумуляторных (АБ) батарей.The proposed invention relates to the field of space energy, namely onboard power supply systems for spacecraft (SC) using solar cells (BS) and storage batteries (AB).

Известен способ управления в автономной системе электропитания (патент RU №2313169 С2), содержащей БС, последовательный стабилизатор напряжения, включенный в цепь между солнечной батареей БС и нагрузкой, аккумуляторная батарея, подключенная через зарядное устройство к выходу БС и через разрядное устройство к выходу стабилизатора.There is a known control method in an autonomous power supply system (patent RU No. 2313169 C2) containing a BS, a serial voltage regulator connected to the circuit between the BS solar battery and the load, a storage battery connected through a charger to the BS output and through a discharge device to the stabilizer output.

Параллельно БС подключен ограничитель максимального напряжения БС.The BS maximum voltage limiter is connected in parallel to the BS.

После выхода КА из тени Земли в течение примерно одной минуты (сумеречный период) происходит нарастание напряжения БС от нуля до значений, превышающих максимально допустимых для электро-радиоэлементов стабилизатора.After the spacecraft leaves the Earth's shadow for about one minute (twilight period), the BS voltage rises from zero to values exceeding the maximum allowable for the stabilizer's electrical radioelements.

При достижении напряжения порога срабатывания ограничитель открывается и понижает напряжение БС до напряжения порога ограничителя.When the voltage of the triggering threshold is reached, the limiter opens and lowers the BS voltage to the voltage of the limiter threshold.

Недостаток рассмотренного способа состоит в том, что без ограничителя напряжения можно обойтись, заменив последовательный регулятор напряжения параллельным, построенным по принципу последовательного шунтирования выходов секций БС, количество которых определяется из условия поддержания напряжения на выходе регулятора в заданных пределах. В ситуации выхода КА из тени Земли такой регулятор автоматически шунтирует необходимое количество секций БС, устанавливая нормальное напряжение на нагрузке.The disadvantage of the considered method is that it is possible to do without a voltage limiter by replacing the serial voltage regulator with a parallel one, built on the principle of sequential shunting of the outputs of the BS sections, the number of which is determined from the condition of maintaining the voltage at the regulator output within the specified limits. In a situation where the spacecraft emerges from the shadow of the Earth, such a regulator automatically shunts the required number of BS sections, setting the normal voltage across the load.

Наиболее близким решением к заявляемому способу питания нагрузки является способ подключения аккумуляторной батареи, описанный в заявке «Автономная система электропитания» (RU №2317216 С2), в котором зарядное и разрядное устройства батареи подключены к выходу солнечной батареи до входа в последовательный стабилизатор напряжения. Технический результат заключается в получении стабильности напряжения на нагрузке путем уменьшения переходных процессов при смене режимов работы системы электропитания.The closest solution to the claimed method of power supply is the battery connection method described in the application "Autonomous power supply system" (RU # 2317216 C2), in which the battery charger and discharge device are connected to the output of the solar battery before entering the serial voltage regulator. The technical result consists in obtaining voltage stability at the load by reducing transient processes when changing operating modes of the power supply system.

Указанный способ электропитания выбран в качестве прототипа.The specified method of power supply is selected as a prototype.

Недостаток этого способа электропитания состоит в том, что ток в нагрузку идет от аккумуляторной батареи (АБ) через разрядное устройство (РУ) и через стабилизатор напряжения при нахождении его в зоне регулирования. При этом имеются дополнительные потери мощности на стабилизаторе.The disadvantage of this method of power supply is that the current to the load goes from the storage battery (AB) through the discharge device (RU) and through the voltage stabilizer when it is in the regulation zone. In this case, there are additional power losses on the stabilizer.

Для заявленного способа выявлены основные общие существенные признаки, такие как: способ питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, использующий разрядные и зарядные устройства.For the claimed method, the main common essential features have been identified, such as: a method of supplying a load with direct current in an autonomous power supply system of a spacecraft from a primary source of limited power, such as a solar battery and a secondary source of electricity, such as a storage battery, which consists in stabilizing the voltage across the load with a voltage stabilizer, connected between the solar panel and the load, using dischargers and chargers.

Технической проблемой заявляемого изобретения является повышение быстродействия и упрощение электрических схем для повышения функциональной надежности (СЭП).The technical problem of the claimed invention is to increase the speed and simplify electrical circuits to improve functional reliability (BOT).

Поставленная техническая проблема решается способом питания нагрузки постоянным током в автономной системе электропитания космического аппарата от первичного источника ограниченной мощности, например солнечной батареи, и вторичного источника электроэнергии, например аккумуляторной батареи, заключающимся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения, включенным между солнечной батареей и нагрузкой, зарядные (ЗУ) и разрядные устройства (РУ), согласно заявленному изобретению, - в составе ЗУ применяют независимые стабилизаторы тока (СТ), управляют ими командами «включение-отключение», а общий ток ЗУ регулируют изменением количества включенных СТ. Анализ степени заряженности АБ и установку тока заряда ЗУ выполняют командами, учитывая телеметрическую информацию о токе и напряжении АБ.The posed technical problem is solved by the method of supplying the load with direct current in the autonomous power supply system of the spacecraft from a primary source of limited power, for example, a solar battery, and a secondary source of electricity, for example, a storage battery, which consists in stabilizing the voltage across the load with a voltage stabilizer connected between the solar battery and the load. chargers (CH) and discharge devices (RU), according to the claimed invention, - independent current stabilizers (ST) are used as part of the charger, they are controlled by "on-off" commands, and the total current of the charger is regulated by changing the number of switched on STs. The analysis of the state of charge of the battery and the setting of the charging current of the charger are performed by commands, taking into account the telemetric information about the current and voltage of the battery.

Таким образом, поставленная техническая проблема решается тем, что в отличие от традиционного способа заряда АБ, когда при дефиците мощности БС зарядное устройство стабилизирует напряжение на нагрузке, предлагаемый способ исключает эту функцию из зоны управления СЭП. При этом значительно упрощается электрическая схема ЗУ.Thus, the technical problem posed is solved by the fact that, in contrast to the traditional method of charging the battery, when the charger stabilizes the voltage across the load in case of a power shortage of the BS, the proposed method excludes this function from the control zone of the BOT. In this case, the electrical circuit of the memory is greatly simplified.

В отличие от традиционных последовательных (как в прототипе) стабилизаторов-преобразователей использованы ключи-коммутаторы секций БС, которые отключают секции способом их короткого замыкания. Количество отключенных секций определяется из условия поддержания напряжения на выходе регулятора в заданных пределах.Unlike traditional sequential (as in the prototype) stabilizer-converters, switch-switches of BS sections are used, which disconnect the sections by short-circuiting them. The number of disconnected sections is determined from the condition of maintaining the voltage at the output of the regulator within the specified limits.

Указанные способы значительно облегчают тепловые режимы силовых ключей, упрощают электрические схемы, уменьшают массу и габариты, улучшают динамические характеристики общей схемы управления, повышают надежность СЭП.These methods greatly facilitate the thermal modes of power switches, simplify electrical circuits, reduce weight and dimensions, improve the dynamic characteristics of the general control circuit, and increase the reliability of the EPS.

Суть предлагаемого способа можно пояснить на примере функциональной схемы автономной СЭП, изображенной на фиг. 1.The essence of the proposed method can be illustrated by the example of a functional diagram of an autonomous BOT, shown in Fig. 1.

Устройство содержит первичный источник ограниченной мощности, например, солнечную батарею 1, состоящую из секций 1_1…1_m, подключенную к нагрузке 2 через диоды РД1…РД_т, в цепи каждой секции соответственно, и выходной фильтр 3. Вторичный источник электроэнергии, например, аккумуляторные батареи АБ 4/1 и 4/2 подключены плюсом через зарядные стабилизаторы тока СТ 5/1 и 5/2 к секциям 1_1…1_mчерез диоды Д_1…Д_m шина соединенных батарей солнечных (СБС) и через разрядные устройства 6/1, 6/2 к фильтру 3. Регулятор мощности батареи солнечной (РМБС) 7, включенный между солнечной батареей 1 и нагрузкой 2, разделен на K_1…K_m единичных силовых ключей-короткозамыкателей, которые подключены к каждой соответствующей секции БС. РМБС представляет собой силовой электронный ключ, управляемый сигналом от общей схемы управления (на чертеже на показана), обеспечивающей необходимую точность стабилизации напряжения на нагрузке. Предусмотрена, резервная ячейка К_m+1, питаемая от шины СБС.The device contains a primary source of limited power, for example, a solar battery 1, consisting of sections 1 _{1 ...} 1 _m , connected to load 2 through diodes RD1 ... RD _t , in the circuit of each section, respectively, and an output filter 3. Secondary source of electricity, for example, rechargeable batteries AB 4/1 and 4/2 are connected positively through charging current stabilizers CT 5/1 and 5/2 to sections 1 _{1 ...} 1 _m through diodes D _{1 ...} D _m bus of connected solar batteries (SBS) and through discharge devices 6 / 1, 6/2 to filter 3. Solar battery power regulator (RMS) 7, connected between solar battery 1 and load 2, is divided into K _{1 ...} K _m single power short-circuit switches, which are connected to each corresponding section of the BS. RMBS is a power electronic switch controlled by a signal from the general control circuit (shown in the drawing), which ensures the required accuracy of voltage stabilization across the load. A reserve cell K _m +1 is provided, powered from the SBS bus.

Разрядное устройство представляет собой двухтактный регулятор повышающего типа с высоким КПД (не ниже 0,97), активируется ШИМ-модулятором. Имеет в своем составе несколько ячеек на каждую АБ. При недостаче или полном отсутствии энергии от БС стабилизация напряжения на нагрузке, в режиме ТЕНЬ, обеспечивается РУ через общую схему управления СЭП.The discharge device is a push-pull regulator of the step-up type with high efficiency (not lower than 0.97), activated by a PWM modulator. Includes several cells for each AB. In the event of a shortage or complete absence of energy from the BS, the voltage stabilization on the load, in the SHADOW mode, is provided by the RU through the general control circuit of the PDS.

Зарядное устройство ЗУ 5/1 и 5/2 содержит несколько ячеек 1_1…1_m на каждую АБ. Ячейки построены на независимых стабилизаторах тока СТ с высоким КПД (не ниже 0,96), не имеющие перекрестных обратных связей в схеме управления, не имеющие контура управления по избыточной мощности БС, с питанием от шины СБС, объединенной через диоды Д_1…Д_m. Все ячейки настроены на одинаковый ток. Управление зарядом АБ реализуется командами «включение-отключение» необходимого количества ячеек.The charger ZU 5/1 and 5/2 contains several cells 1 _1… 1 _m for each battery. The cells are built on independent CT current stabilizers with high efficiency (not lower than 0.96), without cross-feedback in the control circuit, without a control loop for excess BS power, powered from the SBS bus connected through diodes D _{1 ...} D _m ... All cells are set to the same current. Battery charge control is carried out by “on-off” commands of the required number of cells.

При включении ЗУ разрешается работа заданного количества стабилизаторов СТ, обеспечивающих ток заряда АБ. Изменение тока заряда при выдаче соответствующих команд реализуется изменением количества подключенных СТ. В связи с тем, что напряжение на АБ ниже чем на нагрузке, то при включении СТ часть мощности работающих секций БС через шину СБС передается на заряд АБ. Недостающая для нагрузки мощность, компенсируется путем подключения необходимого количества секций регулятором РМБС.When the charger is turned on, the work of a given number of CT stabilizers is allowed, providing the battery charge current. Changing the charge current when issuing the corresponding commands is implemented by changing the number of connected CTs. Due to the fact that the voltage on the battery is lower than on the load, then when the CT is turned on, part of the power of the working sections of the BS is transferred through the SBS bus to the battery charge. The power lacking for the load is compensated by connecting the required number of sections with the RMBS regulator.

В способе реализован так называемый «зонный» принцип регулирования напряжения на нагрузке и определяется зонами регулирования РМБС, РКМ, РУ, ЗУ следующим образом.The method implements the so-called "zone" principle of voltage regulation on the load and is determined by the regulation zones of the RMBS, RKM, RU, ZU as follows.

Работа в зоне РМБС.Work in the RMBS zone.

Переход в режим «Солнце» сопровождается увеличением мощности БС. Появляется и увеличивается ток СТ. Напряжение на шине СБС близко к напряжению АБ, выходные диоды РМБС заперты. Мощность нагрузки полностью обеспечивается РУ за счет разряда АБ и появившегося (нарастающего) тока стабилизаторов СТ зарядного устройства.The transition to the "Sun" mode is accompanied by an increase in the power of the BS. CT current appears and increases. The voltage on the SBS bus is close to the AB voltage, the output diodes of the RMBS are locked. The load power is fully provided by the switchgear due to the AB discharge and the emerging (increasing) current of the ST stabilizers of the charger.

По мере увеличения мощности БС СТ увеличивают выходной ток до тока стабилизации. При достижении мощности БС, равной мощности нагрузки, ток разряда АБ снижается до нуля. Ток СТ полностью уходит через РУ в нагрузку, стабилизация выходного напряжения обеспечивается РУ.As the power of the BS ST increases, the output current is increased to the stabilization current. When the BS power is equal to the load power, the battery discharge current is reduced to zero. The CT current completely goes through the switchgear into the load, the stabilization of the output voltage is provided by the switchgear.

По достижении мощности БС значения, достаточного для питания нагрузки и заряда АБ полным током, ток РУ снижается до нуля, стабилизация выходного напряжения полностью обеспечивается РМБС.When the BS power reaches a value sufficient to power the load and charge the AB with full current, the switchgear current decreases to zero, the stabilization of the output voltage is fully provided by the RMBS.

Работа в зоне ЗУ.Work in the memory zone.

При возникновении дефицита мощности БС (деградация БС), начало перехода в режим ТЕНЬ, потеря ориентации КА, ключи электронных коммутаторов РМБС запираются. Ток всех секций БС идет в нагрузку и на заряд АБ. Недостаток мощности БС для нагрузки восполняется током РУ. Необходимая для нагрузки часть тока, подключенных на заряд АБ стабилизаторов СТ, через РУ возвращается в нагрузку, оставшаяся (разностная) часть тока СТ идет на заряд АБ. По мере изменения избытка мощности соотношение этих частей тока СТ будет изменяться из условия обеспечения стабильного напряжения на нагрузке. Данный режим может сохраняться длительное время, СЭП работает в зоне ЗУ. Статические и динамические параметры обеспечиваются РУ.When there is a power deficit of the BS (BS degradation), the beginning of the transition to the SHADOW mode, loss of orientation of the spacecraft, the keys of the electronic switches of the RMBS are locked. The current of all sections of the BS goes to the load and to the battery charge. The lack of power of the BS for the load is compensated by the current of the switchgear. The part of the current required for the load connected to the AB charge of the CT stabilizers returns to the load through the RU, the remaining (difference) part of the CT current goes to the AB charge. As the excess power changes, the ratio of these parts of the CT current will change from the condition of ensuring a stable voltage across the load. This mode can be maintained for a long time, BOT works in the memory zone. The static and dynamic parameters are provided by the RU.

Предельное состояние при таком способе управления избытком мощности - весь ток СТ через РУ возвращается в нагрузку. В этот момент начинается разряд АБ.The limiting state with this method of controlling the excess power is that the entire CT current through the switchgear returns to the load. At this moment, the AB discharge begins.

Из изложенного видно, что в зоне ЗУ стабилизаторы тока СТ не участвуют непосредственно в стабилизации напряжения на нагрузке, эту роль выполняет РУ.It can be seen from the foregoing that in the zone of the memory, the CT current stabilizers do not participate directly in the stabilization of the voltage on the load, this role is played by the RU.

Исключение функции ЗУ в части стабилизации напряжения нагрузки уменьшает зону нечувствительности в диапазоне регулирования общей схемы управления, что равносильно повышению быстродействия СЭП и повышению качества выходного напряжения при смене режимов и изменения тока нагрузки.The exclusion of the memory function in terms of stabilizing the load voltage reduces the dead zone in the regulation range of the general control circuit, which is equivalent to increasing the speed of the PDS and improving the quality of the output voltage when changing modes and changing the load current.

При передаче энергии БС последовательно через ЗУ и ключи РУ в нагрузку возникают дополнительные потери мощности (как в прототипе). При полном заряде АБ потери мощности существенно уменьшаются при высоких КПД ЗУ и РУ. Исключение реализуется последовательным уменьшением тока заряда командами, используя данные телеметрии о токе и напряжении АБ при входе СЭП в режим компенсации мощности (РКМ).When the BS energy is transmitted sequentially through the memory and the switchgear switches to the load, additional power losses occur (as in the prototype). With a full battery charge, power losses are significantly reduced at high efficiency of the charger and switchgear. The exception is implemented by sequential decrease in the charge current by commands, using telemetry data on the current and voltage of the AB when the PDS enters the power compensation mode (RKM).

Зона РКМ.Zone RCM.

Дальнейшее уменьшение мощности БС сопровождается уменьшением тока БС, отдаваемого в нагрузку, уменьшением тока СТ, идущего на вход РУ, и увеличением разрядного тока. СЭП работает в зоне РКМ.A further decrease in the BS power is accompanied by a decrease in the BS current supplied to the load, a decrease in the CT current going to the switchgear input, and an increase in the discharge current. BOT works in the RKM zone.

Зона РУ.Zone RU.

При снижении выходной мощности БС до нуля прекращается ток СТ. Статические и динамические выходные параметры СЭП в этом режиме обеспечиваются РУ.When the output power of the BS decreases to zero, the CT current stops. The static and dynamic output parameters of the PDS in this mode are provided by the RU.

Техническим результатом заявленного изобретения является исключение из зоны управления СЭП функции зарядного устройства по стабилизации напряжения на нагрузке при дефиците мощности БС, что значительно упрощает электрическую схему ЗУ; улучшение динамических характеристик общей схемы управления; повышение надежности СЭП.The technical result of the claimed invention is the exclusion from the control zone of the BOTS of the function of the charger to stabilize the voltage on the load with a power shortage of the BS, which greatly simplifies the electrical circuit of the charger; improving the dynamic characteristics of the general control scheme; improving the reliability of the EPS.

Claims

A method for supplying a load with a constant current in an autonomous power supply system of a spacecraft from a primary source of limited power, for example, a solar battery and load, using discharge (RU) and charging (CH) devices, characterized in that the charger uses independent current stabilizers (ST) that do not have a control loop for excess BS power, feed ST from a bus connected through diodes, control battery charge by switching on / off the required number of cells.