2.38M
Category: industryindustry

Проектирование системы энергопитания

1.

Проектирование системы энергопитания
(СЭП)
А.С. Сивков
Москва, 2014
1

2.

Проектирование системы энергопитания
Функции СЭП
Система
передачи
телеметрии и
телекоманд
Полезная
нагрузка
Бортовой
комплекс
управления
Блок
ориентации и
стабилизации
Система
энергопитания
Система энергопитания:
1. Генерирует энергию
2. Накапливает энергию
3. Управляет распределением энергии
4. Коммутирует энергию в нагрузку
5. Выполняет функции защиты (например, короткое замыкание)
2

3.

Проектирование системы энергопитания
Состав СЭП
Преобразователь
энергии
Первичный
источник
энергии
Распределение
энергии и
контроль
параметров
Коммутатор
нагрузки с
функцией защиты
нагрузка
Возобновляемый
источник энергии
(накопитель
энергии)
3

4.

Проектирование системы энергопитания
Виды первичных источников питания
Фотоэлектрический преобразователь (ФЭП)
Химические источники тока
Топливный элемент
Ядерный реактор
Используется почти во всех "длинных"
космических миссиях. Срок миссии
ограничен 15 годами из-за деградации.
Полностью изучено. Используются в качестве
резервного источника или в "коротких"
миссиях.
Применимы в диапазоне до нескольких
сотен Ватт, для миссий в глубокий космос.
Хорошо изучен. Высокая удельная мощность.
Высокая вырабатываемая мощность (кВт).
Хорошо изучен. Имеет летное исполнение с
электрической мощностью до нескольких
Радиоизотопный термоэлектрический генератор
сотен Ватт. Применяется в миссиях, за
пределами орбиты Марса.
ФЭП и Химические источники тока являются наиболее используемыми
4

5.

Проектирование системы энергопитания
5

6.

Проектирование системы энергопитания
Эквивалентная схема ФЭП
sc
Ток КЗ
sc
Напряжение ХХ
I0 – ток насыщения диода
Q – заряд электрона
А – коэффициент не идеальности диода
К – постоянная Больцмана
Т – температура p-n перехода [Кельвин]
6

7.

Проектирование системы энергопитания
Угол падения солнечных лучей
Фототок зависит от угла падения солнечных лучей:
При более 85о, Is = 0
7

8.

Проектирование системы энергопитания
Внешний вид ФЭП и его параметры
8

9.

Проектирование системы энергопитания
Разработка солнечной батареи
Затенение одного
или группы
ФЭП. Затененный ФЭП
превращается в разрыв цепи
Диод защищает
от затенения.
Ток будет протекать через
защитный диод.
9

10.

Проектирование системы энергопитания
Объединение нескольких солнечных панелей
Isum= Istring1 + Istring2 + … + IstringN
Usum = Ucell * Ncell
10

11.

Проектирование системы энергопитания
Виды элементов аккумуляторных батарей
1 - Свинцовые аккумуляторы (Pb).
2 - Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd).
3 - Никель-железные аккумуляторы.
4 - Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH).
5 - Никель-цинковые аккумуляторы.
6 - Серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые
аккумуляторы.
7 - Никель-водородные аккумуляторы.
8 - Литий-ионные аккумуляторы (Li-ion).
9 - Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol).
10 - Перезаряжаемые марганцево-цинковые источники
тока.
11

12.

Проектирование системы энергопитания
Внешний вид и параметры элемента АБ
12

13.

Проектирование системы энергопитания
Основные параметры АБ
13

14.

Проектирование системы энергопитания
Защита АБ
Через вышедший из
строя элемент АБ,
протекает ток короткого
замыкания (стремится к
бесконечности). Это
может вывести из строя
всю АБ.
Перемычка перегорит
при протекании
большого тока.
+
-
14

15.

Проектирование системы энергопитания
Сборка АБ
В каждом элементе,
конструктивно,
предусмотрена
плавкая перемычка
15

16.

Проектирование системы энергопитания
16

17.

Проектирование системы энергопитания
Виды систем распределения энергии
Схемы с максимальным отбором мощности
Структура с нерегулируемой шиной
и параллельным соединением АБ
Схема отбора
максимальной
мощности
СБ
Структура с квазирегулируемой шиной
и постоянным током заряда АБ
+
Схема отбора
максимальной
мощности
СБ
АБ
+
ЗРУ
АБ
-
17
-

18.

Проектирование системы энергопитания
Виды систем распределения энергии
Структуры с прямым преобразованием энергии
+
СБ
Шунт
АБ
Структура с нерегулируемой шиной
и параллельным соединением АБ
-
+
ЗРУ
СБ
Шунт
Структура с квазирегулируемой
шиной и постоянным
током заряда АБ
АБ
-
18

19.

Проектирование системы энергопитания
Коммутация нагрузки
Ключ1
Ключ2

КлючN
Измеритель тока
Измеритель тока

Измеритель тока
Предохранитель
Предохранитель

Предохранитель
Источник
напряжения
19

20.

Проектирование системы энергопитания
Выбор бортовой шины питания
Выбирается исходя из набора служебных систем
Условно можно разделить:
От 12В до 36В – малые КА
От 36В до 160В – большие КА
В нано и пико спутниках могут
использоваться значения от 1.5В
20

21.

Проектирование системы энергопитания
21

22.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
P
ФЭП
солнце
dt
(P
нагрузки
солнце
Pзаряда_ АБ Pшунта Pпотерь )dt
(P
нагрузки
Pпотерь )dt
тень
Другими словами:
Количества энергии, поступающей от солнечных батарей, должно хватать
на работу нагрузки, потери в шунтовом сопротивлении, если таковое имеется,
а так же, заряд Аккумуляторных Батарей, которые в свою очередь обеспечат
работу на теневой стороне витка.
22

23.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
Последовательность расчета
1. Сформулировать циклограмму работы.
Например:
1.Режим накопления энергии
2.Режим съёмки
3.Режим ожидания в тени
4.Режим передачи на землю
И т.д. на виток.
2. Рассчитать количество энергии потребляемое и
получаемое в каждом режиме.
3. Рассчитать количество энергии потребляемое и
получаемое за виток
4. Рассчитать необходимое количество ФЭП
23
5. Рассчитать необходимое количество аккумуляторов

24.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
Расчет количества потребляемой/получаемой энергии
N
Pj / Pij
Мощность потребляемая/получаемая в конкретном режиме
i
Q
/
j
Pj t j
3600
Количество энергии потребляемое/получаемое в конкретном
режиме
m
/
Qобщ
Qj
j
Общее количество энергии потребленное/полученное за
виток
N – количество нагрузок, m – количество режимов работы
«+» означает получение энергии, «-» - потребление энергии
24

25.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
m
Расчет необходимого количества ФЭП
tобщ
t j
Суммарное время получения энергии за виток
j
PФЭП U oc I s
ФЭП
Q
KФЭП
Мощность одного фотоэлемента
PФЭП tобщ
3600
Qобщ
QФЭП
K
Количество энергии получаемое от одного
элемента за виток
Количество ФЭП, с учетом коэффициента запаса,
округляется в большую сторону
25

26.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
Расчет необходимого количества аккумуляторов (АК)
QАК U АК C АК k DOD
Количество энергии одного аккумулятора,
с учетом ограничения на глубину разряда
(влияет на срок службы, слайд 12)
CАК - Емкость АК, измеряется в А*ч,
k DOD
K АК
Выбирается от 0 до 1, т.е. от 0 до 100%
(чем меньше, тем дольше прослужит аккумулятор, см. слайд 12)
Qобщ
QАК
K
Количество АК, с учетом коэффициента запаса,
округляется в большую сторону
26

27.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
Таблица потребителей
Потребители
Полезная нагрузка - Камера ДЗЗ
Pном,
Вт
Pмакс,
Вт
4
94
74,85
336,95
2
6
70
70
СЭП
7
7
GPS
5,7
6,5
Система ориентации и стабилизации
Радиоканал телеметрии и команд
Радиоканал передачи изображения
27

28.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
Режим накопления
энергии (солнечная
ориентация)
Pмакс,
Pном, Вт
Вт
0
74,85
2
0
7
5,7
P1 = 89,55 Вт
t1 = 3300, сек
Режим съёмки
Pном,
Вт
Pмакс,
Вт
94
336,95
6
0
7
6,5
P 2 = 450,45 Вт
t2 = 130, сек
1
2
Q = 82,0875 Вт*ч Q = 16,26625 Вт*ч
Режим ожидания
в тени
Pмакс,
Pном, Вт
Вт
0
0
2
0
7
5,7
P 3 = 14,7 Вт
t3 = 2124, сек
Режим передачи
на землю
Pном,
Вт
Pмакс, Вт
4
0
74,85
0
6
70
7
6,5
P 4 = 168,35 Вт
t4 = 130, сек
3
4
Q = 8,673 Вт*ч Q = 6,0793056 Вт*ч
28

29.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
общ
Q
113,11 Вт ч
Пример расчета
tобщ
3300с
PФЭП 2,522 0,5019 1,2657918 Вт
QФЭП
1,16030915 Вт ч
KФЭП 98 1,5 130 шт
QАК 16 0,15 2,4 Вт ч
K АК 48 шт
При КDOD=15%
29

30.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
Пример расчета
Важно выбрать сколько элементов соединять
последовательно. Это зависит от выбора бортовой шины.
Пусть шина = 12В, тогда: UФЭП U АБ U шина
3,3В 4 13,2 В - Напряжение цепи из 4 АК
Kцепи 48 / 4 12 шт - Количество цепей по 4 АК в каждой
13,2 В / 2,522 В 5,233шт - Нужно более 5 ФЭП в цепи, значит 6
130 / 6 21,6шт - Должно быть целое число, или
132 / 6 22шт - Из 132 ФЭП, получаем 22 цепи
Увеличение напряжения, уменьшает количество цепей
30

31.

Проектирование системы энергопитания
Расчет энергобаланса
Итоговая таблица
Время витка, с
5684
Количество потреблённой за 1 виток энергии, Вт*ч
113,11
Энергия поступающая от одного ФЭП за виток, Вт*ч
1,16
Необходимое количество ФЭП
132
Количество цепей из 6 последовательно соединенных ФЭП
22
Напряжение цепи ФЭП, В
15,132
Суммарное Количество полученной энергии за виток ,Вт*ч
153,12
Ёмкость аккумулятора, Вт*ч
16
Необходимое количество аккумуляторов
48
Суммарная емкость, Вт*ч
Количество цепей из 4 последовательно соединенных АК
Напряжение цепи АК, В
768
12
31
13,2

32.

Проектирование системы энергопитания
Спасибо за внимание
Антон Сергеевич Сивков, ведущий инженер ООО «Спутникс»,
www.sputnix.ru
123995, г. Москва, Бережковская набережная, д. 20, стр. 6
Кафедра СМ-1 «Космические аппараты и ракеты-носители»
107005, Москва, Госпитальный переулок, дом 10
E-mail: [email protected]
Телефон: +74992610107
32
English     Русский Rules