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