Разработка и исследование микропроцессорного имитатора литий-ионной аккумуляторной батареи космического аппарата

Актуальность темы. Условия и особенности эксплуатации литий-
ионных аккумуляторных батарей (ЛИАБ) предполагают использование
имитаторов таких источников тока при наземных испытаниях
энергопреобразующей аппаратуры (ЭПА) систем электропитания (СЭП)
космических аппаратов (КА).
Имитация основных частей ЭПА СЭП КА является важнейшим этапом,
от надежного и успешного выполнения которого в полной мере зависит
конечный результат тестирования электронной аппаратуры и блоков – как
отдельных функциональных узлов, так и целых комплексов. Выполнение
таких работ, как квалификационные испытания блоков конкретной ЭПА
СЭП и отработка технических решений ее составных элементов, требует
создания специализированных имитаторов ЛИАБ (ИЛИАБ).
Разработкам ИЛИАБ различного исполнения посвящены многие
научные исследования российских организаций: АО «Информационные
спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева», АО «Ракетно-
космический центр «Прогресс», АО «Научно-производственный центр
«Полюс», НИИ автоматики и электромеханики Томского государственного
университета систем управления и радиоэлектроники, АО «Авиационная
электроника и коммуникационные системы», ООО «Фирма «Информтест» и
др. Работы по созданию ИЛИАБ также ведутся известными зарубежными
фирмами: Digatron Power Electronics, Arbin Instruments, Energy Solutions,
Eiffage Clemessy, Erzia, Ametek и др.
Исследованию специализированных ИЛИАБ посвящены работы таких
отечественных ученых, как А.А. Камусин, Ю.Т. Котов, Е.А. Мизрах,
А.В. Михайлов, В.Н. Мишин, В.О. Эльман, А.Г. Юдинцев и др. В этой
области также известны работы зарубежных ученых: H. Biechl, W.Y. Chang,
Y.P. Chen, L.A. Dessaint, D. Feng, V. Ramadesigan, J. Sun, O. Tremblay и др.
Для тестирования СЭП КА необходимо выполнить набор функций в
различных режимах – от выдачи телеметрии о значениях напряжения и
температуры батареи до автоматического определения параметров
отдельных аккумуляторов, свойства которых изучены недостаточно, что
значительно затрудняет создание ИЛИАБ. Принципы построения и
конфигурация промышленно выпускаемых ИЛИАБ не позволяют в полной
мере выполнить наземные испытания СЭП с учетом воспроизведения
индивидуальных характеристик каждого аккумулятора батареи.
Успешность выполнения наземных испытаний СЭП в значительной
степени зависит от полноценной имитации отдельных литий-ионных
аккумуляторов (ЛИА) и возможности автоматизации процесса тестирования
ЭПА. Поэтому теоретические исследования и вопросы разработки имитатора
ЛИАБ актуальны и имеют большую практическую ценность.
В работе поставлена и решена важная научно-техническая задача
обеспечения требуемого качества имитации характеристик ЛИАБ в режиме
ее заряда или разряда.
Объектом исследования является ЛИАБ в режиме ее заряда или
разряда.
Предмет исследования: модели ЛИА и ЛИАБ, схемотехнические и
алгоритмические решения имитатора батареи.
Целью настоящей работы является повышение точности и расширение
функциональных возможностей ИЛИАБ при наземных испытаниях ЭПА
СЭП КА.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие
задачи:
1. Провести анализ и сравнительную оценку структур ИЛИАБ,
определить требования к основным параметрам специализированного
имитатора ЛИАБ.
2. Исследовать математическое моделирование статических и
динамических процессов в электрических схемах замещения ЛИА.
3. Создать алгоритмы определения параметров модели ЛИА.
4. Разработать схемотехнические решения и программное обеспечение
ИЛИАБ.
5. Разработать стендовое оборудование для испытаний опытных
образцов ИЛИАБ.
Методы исследования. В качестве основных методов теоретического
исследования использовались принципы построения электротехнических
устройств и силовой преобразовательной техники, методы аналитического
моделирования химических источников тока, методы математического
моделирования и численного решения систем линейных дифференциальных
уравнений. Имитационное моделирование проводились с применением
программной среды Matlab Simulink. Теоретические результаты
подтверждались экспериментальными исследованиями на стендовом
оборудовании с применением промышленно выпускаемых ЛИАБ (АО
«Сатурн»).
Достоверность научных результатов подтверждается строгим
обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным
использованием современных методов научных исследований, а также
проведением экспериментов на макетных и опытно-промышленных
образцах. Все разделы диссертационной работы логически взаимосвязаны, а
выводы и рекомендации органично вытекают из теоретических и
экспериментальных материалов работы.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Разработана математическая модель ЛИА, учитывающая
изменяемый характер ЭДС и поляризационной составляющей внутреннего
сопротивления аккумулятора и обеспечивающая исследование зависимости
выходного напряжения от емкости в статических и динамических режимах
работы.
2. Предложен алгоритм определения параметров модели ЛИА,
повышающий точность воспроизведения зависимости выходного
напряжения от емкости за счет введения эмпирических коэффициентов,
определенных при приемо-сдаточных испытаниях.
3. Разработана имитационная модель ЛИАБ, включающая модели
аккумуляторов, байпасных переключателей коммутационного типа, датчика
температуры и позволяющая обеспечить максимальное соответствие
электрических характеристик реальной батареи.
4. Предложена структура ИЛИАБ, обеспечивающая высокую
функциональную эффективность тестирования ЭПА СЭП путем
агрегирования требуемого количества имитаторов ЛИА (ИЛИА).
Практическая значимость работы:
1. Создан программный продукт в пакете Matlab Simulink,
реализующий имитационную модель ЛИАБ и позволяющий исследовать
динамические процессы в аккумуляторах с возможностью прогноза
изменения параметров ЛИАБ при решении задач балансировки, дозаряда или
исключения неисправного аккумулятора из состава батареи.
2. Разработана программа работы контроллера ИЛИА, позволяющая
осуществить управление, контроль состояния силовой части имитатора с
отображением информации на персональном компьютере для решения задач
автоматизации процессов при наземных испытаниях ЭПА СЭП КА.
3. Разработан и внедрен в промышленную эксплуатацию имитатор
ЛИАБ, обеспечивающий рекуперацию энергии при тестировании ЭПА СЭП
в режимах заряда и дозаряда батареи.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Структура имитатора ЛИАБ позволяет использовать требуемое
количество ИЛИА с рекуперацией энергии в режиме заряда батареи при
тестировании ЭПА СЭП КА.
2. Модифицированная математическая модель ЛИА учитывает
изменяемый характер ее параметров и позволяет исследовать статические и
динамические режимы работы аккумулятора.
3. Аппаратно-программный комплекс для имитации характеристик
ЛИАБ и его алгоритмическое обеспечение позволяют с требуемой точностью
обеспечить испытания ЭПА СЭП КА.
Личный вклад автора. Научные результаты, выносимые на защиту и
составляющие основное содержание диссертации, получены автором
самостоятельно. В ряде публикаций проведена проверка адекватности
математической модели ЛИА и алгоритма определения ее параметров;
представлены технические решения по реализации ИЛИАБ; разработаны и
сформулированы основные принципы построения современных ИЛИАБ.
Автор непосредственно участвовал в разработке математических моделей и
аппаратно-программных средств, в проведении экспериментальных
исследований, в обработке количественных и качественных данных,
создании специализированного ИЛИАБ, внедренного в промышленное
производство.
Реализация результатов диссертационной работы. Результаты
диссертационной работы в виде схемотехнических и программных решений
использованы при разработке ИЛИАБ для тестирования ЭПА СЭП КА в
рамках научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ АО
«Научно-производственный центр «Полюс» (г. Томск).
Методика расчета параметров модели ЛИА, позволяющая обоснованно
подойти к определению характеристик ЛИАБ с учетом датчика температуры
и байпасного переключателя, используется в образовательном процессе
Инженерной школы энергетики Национального исследовательского
Томского политехнического университета при подготовке студентов по
направлению 13.04.02 – Электроэнергетика и электротехника.
Подтверждением промышленного использования результатов
диссертационной работы является размещение информации о ИЛИА в
Государственном реестре средств измерений (ГРСИ) Российской Федерации,
актах внедрения и испытаний ИЛИАБ.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
В соответствии с формулой специальности 05.09.03 – Электротехнические
комплексы и системы в диссертации содержатся теоретические и
экспериментальные исследования, позволившие изучить системные свойства,
выполнить математическое и имитационное моделирование химических
источников тока ЭПА СЭП КА (пункт 1), выполнить структурный и
параметрический синтез аппаратно-программных ИЛИАБ, реализовать
алгоритмы эффективного определения параметров модели ЛИА (пункт 3).
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях:
VII Международная научно-техническая конференция
«Электромеханические преобразователи энергии» (г. Томск, 2015 г.);
XI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и
связи SIBCON-2015 (г. Омск, 2015 г.);
XIX научно-техническая конференция «Электронные и
электромеханические системы и устройства» (г. Томск, 2015 г.);
Научно-техническая конференция молодых специалистов
«Электронные и электромеханические системы и устройства»
(г. Томск, 2018 г.);
Всероссийская молодежная научно-практическая конференция
«Программно-техническое обеспечение автоматизированных систем»
(г. Барнаул, 2018 г.);
V Международная научно-практическая конференция, посвященная
Дню космонавтики, «Актуальные проблемы авиации и космонавтики»
(г. Красноярск, 2019 г.);
ХХ научно-техническая конференция «Электронные и
электромеханические системы и устройства» (г. Томск, 2020 г.).
В период аспирантской подготовки результаты исследований
докладывались на семинарах отделения электроэнергетики и электротехники
Инженерной школы энергетики НИ ТПУ и отделения автономной энергетики
и преобразовательной техники АО «НПЦ «Полюс».
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 15
научных работах, в том числе: 2 публикациях в изданиях, входящих в перечень
ВАК для диссертаций, 4 патентах РФ, 9 публикациях в сборниках материалов
научно-технических конференций.