ES2265093T3 - Arquitectura de acondicionamiento de alimentacion para una nave espacial. - Google Patents
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Abstract
Arquitectura de acondicionamiento de alimentación para un vehículo, comprendiendo dicha arquitectura una pluralidad de fuentes de alimentación (SAi... SAj, Batm ... Batn) acopladas a una pluralidad de cargas (CARGAS) por medio de un dispositivo de interconexión que tiene una arquitectura de red con nodos dispersos (Ni ... Nn) interconectados entre sí, con las fuentes de alimentación de dicha pluralidad de fuentes de alimentación (SAi ... SAj; Batm ... Batn) estando acopladas a dichos nodos de una manera distributiva, y con las cargas de dicha pluralidad de cargas (CARGAS) estando conectadas también a dichos nodos dispersos (Ni ... Nn) de una manera distributiva, caracterizada porque dichas fuentes de alimentación (SAi ... SAj; Batm ... Batn) están acopladas a los nodos dispersos (Ni ... Nn) de dicha arquitectura de red por vía de dispositivos de control de tensión y alimentación (VPCEi, ... VPCEn).
Description
Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación para una nave espacial.
La presente invención se refiere a una
arquitectura de acondicionamiento de alimentación para un vehículo,
comprendiendo dicha arquitectura una pluralidad de fuentes de
alimentación acopladas a una pluralidad de cargas por medio de un
dispositivo de interconexión.
Tal arquitectura de acondicionamiento de
alimentación en la que son usadas varias fuentes de alimentación ya
es conocida en la técnica, por ejemplo como se muestra en la Figura
1 para una astronave. En ella, todas las energías en las salidas de
las fuentes de alimentación (SA_{i}... SA_{j}; Bat_{m}...
Bat_{n}) convergen en el dispositivo de interconexión o bus común
de alimentación (BUS) en cuyo extremo son distribuidas a los
diferentes usuarios o cargas (CARGAS) de bus del vehículo.
En tal arquitectura concentrada conocida de
acondicionamiento de alimentación, el dispositivo de interconexión
es técnicamente sensible. Esto es particularmente cierto cuando
potencia relativamente alta ha de ser suministrada a las cargas.
Elementos o barras pesadas de cobre interconectadas con uno o varios
pernos, por ejemplo en un punto (PC) de concentración de corrientes
eléctricas situado en la entrada del bus común de alimentación, son
usadas para hacer frente a las grandes corrientes eléctricas de
salida. Esta arquitectura pesada conocida también es relativamente
cara y su conductividad, especialmente en los puntos de
interconexión, está sometida a variaciones durante toda la vida en
servicio.
Para evitar este problema, el dispositivo de
interconexión tiene preferiblemente una arquitectura de red con
nodos dispersos interconectados entre sí. Las fuentes de
alimentación de la pluralidad de fuentes de alimentación están
acopladas a los nodos de una manera distributiva y las cargas de la
pluralidad de cargas también están conectadas a los nodos dispersos
de una manera distributiva.
Dispersando las fuentes de alimentación por toda
la arquitectura de red, la energía transmitida a través del
dispositivo de interconexión también es distribuida. Como las
corrientes eléctricas que circulan a través del dispositivo de
interconexión son reducidas, los elementos de cobre atornillados
pesados de la técnica anterior pueden ser sustituidos ventajosamente
por medios de conexión más ligeros tales como alambres delgados o
trayectos (conductores) de placas de circuitos impresos.
Dispersando las cargas así como las fuentes de
alimentación por toda la arquitectura de red, las corrientes
eléctricas que circulan entre los nodos son reducidas
espectacularmente. Esto mejora la ventaja de la presente invención
reduciendo aún más la concentración de corrientes eléctricas en el
dispositivo de interconexión o bus común de alimentación. El caso
óptimo es obtenido cuando las fuentes de alimentación y las cargas
están distribuidas adecuadamente por la arquitectura. Entonces, solo
corrientes eléctricas relativamente pequeñas circulan entre los
nodos de la arquitectura de red.
Una arquitectura de acondicionamiento de
alimentación tal en la que las cargas están conectadas a nodos
dispersos de una manera distributiva ya es conocida en la técnica,
por ejemplo por la Solicitud de Patente de EE.UU.
US-A-4 659 942 (VOLP JEFFREY A) de
21 de abril de 1.987.
Este documento conocido describe un sistema de
distribución de alimentación resistente a las averías que usa
fuentes de alimentación redundantes interconectadas a los nodos por
medio de circuitos conmutadores adaptados para modificar la
distribución de alimentación en caso de problemas.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una arquitectura de acondicionamiento de alimentación
del tipo conocido anteriormente pero en la que sea mejorada la
interconexión de las fuentes de alimentación con los nodos.
Según la presente invención, este objeto es
conseguido debido al hecho de que dichas fuentes de alimentación
están acopladas a los nodos dispersos de dicha arquitectura de red
por vía de dispositivos de control de tensión y alimentación.
Más bien que ser simplemente un circuito
conmutador, el fin principal del dispositivo de control de tensión y
alimentación usado en la presente invención no es solo conectar o no
una fuente de alimentación a un nodo sino, cuando está conectada,
ajustar la tensión de salida de la fuente de alimentación a la
tensión en el dispositivo de interconexión.
Otra realización caracterizadora de la presente
invención es que el dispositivo de control de tensión y alimentación
incluye un amplificador de error de tensión adaptado para regular la
tensión de salida al nodo.
De este modo, esta regulación no confía en
ningún componente externo.
En una realización preferida, la presente
invención está caracterizada además porque dicha arquitectura de red
está construida en al menos una unidad de acondicionamiento y
distribución de alimentación que incluye dichos dispositivos de
control de tensión y alimentación y dichos nodos.
De este modo, toda la arquitectura de red con
todos los nodos está dentro de una unidad de acondicionamiento y
distribución de alimentación a la que están conectadas todas las
cargas. Una Unidad de Acondicionamiento y Distribución de
Alimentación es conocida en la técnica y es descrita, por ejemplo,
en el sitio Internet <http://
www.esa.int/est/prod/prod0303.htm>.
En otra realización preferida, la presente
invención está caracterizada porque dichos nodos están
interconectados en un bucle cerrado.
En esta, cualquier fallo de circuito abierto en
un ramal de la arquitectura de red no tiene efecto negativo sobre el
funcionamiento de la presente arquitectura de acondicionamiento de
alimentación.
Otra realización caracterizadora más de la
presente invención es que dicha arquitectura comprende al menos tres
fuentes de alimentación.
Esto permite una distribución más fácil de la
energía por la arquitectura de acondicionamiento de
alimentación.
La presente invención es particularmente más
ventajosa cuando dicho vehículo es una astronave.
En una astronave, el peso es una cuestión
crítica y la tensión no puede superar un valor predeterminado para
evitar el efecto corona bien conocido. Entonces, la única
posibilidad para distribuir potencia elevada es incrementar la
intensidad de corriente. Debido a la arquitectura distribuida de las
fuentes de alimentación, las intensidades de corrientes pueden
permanecer dentro de límites aceptables incluso para suministro de
potencia relativamente alta y los elementos pesados de cobre
mencionados anteriormente son eliminados.
Otra realización caracterizadora más de la
presente invención es que dicha pluralidad de fuentes de
alimentación comprenden conjuntos de células solares y baterías
eléctricas.
Tipos diferentes de fuentes de alimentación
pueden ser usados en la arquitectura de acondicionamiento de
alimentación, dependiendo principalmente del tipo de vehículo. En el
caso preferido de una astronave, conjuntos de células solares son
usados como complemento de baterías eléctricas. Para misiones
espaciales profundas futuras, podría recurrirse a fuentes de
conversión de energía nuclear. También pueden estar interesados
otros vehículos autónomos, por ejemplo un submarino.
Realizaciones caracterizadoras adicionales de la
presente arquitectura de acondicionamiento de alimentación son
mencionadas en las reivindicaciones adjuntas.
Ha de observarse que el término
"comprendiendo" usado en las reivindicaciones no debería ser
interpretado como estando limitado a los medios relacionados
después. Así, el alcance de la expresión, "un dispositivo
comprendiendo medios A y B" no debería estar limitado a los
dispositivos que consisten solo en los componentes A y B. Significa
que con respecto a la presente invención, los únicos componentes
relevantes del dispositivo son A y B.
De modo similar, ha de observarse que el término
"acoplado", usado también en las reivindicaciones, no debería
ser interpretado como estando limitado a conexiones directas
solamente. Así, el alcance de la expresión "un dispositivo A
acoplado a un dispositivo B" no debería estar limitado a los
dispositivos o sistemas en los que una salida del dispositivo A está
conectada directamente a una entrada del dispositivo B. Significa
que existe un trayecto entre una salida de A y una entrada de B que
puede ser un trayecto incluyendo otros dispositivos o medios.
Los objetos y características anteriores y otros
de la invención resultarán más evidentes y la propia invención será
mejor comprendida refiriéndose a la descripción siguiente de una
realización considerada en conjunción con los dibujos adjuntos, en
los que:
la Figura 1 representa una arquitectura de
acondicionamiento de alimentación usada en una astronave como ya es
conocida en la técnica; y
la Figura 2 representa una arquitectura mejorada
de acondicionamiento de alimentación según la invención.
La arquitectura de acondicionamiento de
alimentación representada en la Figura 1 ya es conocida en la
técnica y está adaptada para ser usada en un vehículo donde la
energía es suministrada por fuentes de alimentación diferentes y ha
de ser distribuida a cargas de usuarios diferentes. Aunque es
aplicable a algunos vehículos tales como submarinos o incluso
coches, la arquitectura mostrada de acondicionamiento de
alimentación está particularmente adaptada para ser usada en una
astronave. En ella, dos clases de fuentes de alimentación están
disponibles:
- varias baterías, tales como Bat_{m} y
Bat_{n}, usadas cuando no se dispone de luz solar, y
- unos 40 conjuntos de células solares, tales
como SA_{i} y SA_{j}, usados para suministrar la energía
necesaria en modo de luz solar.
\newpage
El acondicionamiento de las fuentes de
alimentación disponibles a borde de la astronave y la distribución
subsiguiente de alimentación a los usuarios ocurren genéricamente
con una arquitectura centralizada. Esto significa que las corrientes
eléctricas procedentes de las fuentes de alimentación convergen en
un solo punto PC de concentración de corrientes eléctricas donde es
impuesta una regulación de tensión continua y desde donde es
establecida la distribución de corrientes eléctricas a los usuarios
CARGAS de bus. Con más detalle, las fuentes de alimentación
SA_{i} - SA_{j} y Bat_{m} - Bat_{n} están conectadas a un
punto PC de concentración extremo de un dispositivo de interconexión
o bus común BUS de alimentación por vía de dispositivos electrónicos
de control de alimentación respectivos PCE_{i} - PCE_{j} y
PCE_{m} - PCE_{n}, por ejemplo como se menciona en el sitio
Internet <http://www.esa.int/est/prod/prod0305.htm>. El
otro extremo del BUS está conectado a cargas diferentes CARGAS de
usuarios. La arquitectura comprende además un dispositivo
electrónico VCE de control de tensión que tiene una entrada
conectada al punto PC de concentración extremo y que controla los
dispositivos electrónicos de control de alimentación diferentes
PCE_{i} - PCE_{j} y
PCE_{m} - PCE_{n}.
PCE_{m} - PCE_{n}.
Aunque tal arquitectura facilita el control de
tensión del bus de alimentación, resulta una concentración de toda
la corriente eléctrica de la astronave (por ejemplo, 100A para una
astronave de 10 kW) en una sola línea conductiva BUS. Por tanto,
barras de cobre pesadas, que exigen interconexiones atornilladas,
constituyen tales líneas conductivas. Esa situación es todavía menos
soportable porque la tendencia actual en términos de nivel de
potencia aplicable a los satélites de telecomunicación es un
incremento constante.
La arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la invención y mostrada en la Figura 2 pretende
introducir una arquitectura LINEA (LINE) de red como sustitución del
bus común conocido de alimentación. En esta arquitectura, las
fuentes de alimentación SA_{i} - SA_{j} y Bat_{m} - Bat_{n}
así como los usuarios CARGAS de bus están dispersos por la
astronave. Por tanto, la red LINEA está provista de varios nodos
interconectados N_{i}, N_{j}, N_{k}, N_{l}, N_{m}, N_{n}
a los que las fuentes de alimentación, los conjuntos de células
solares SA_{i}, SA_{j} y las baterías Bat_{m,} Bat_{n},
están acopladas por vía de los dispositivos de control de tensión y
alimentación asociados VPCE_{i}, VPCE_{j} - VPCE_{m},
VPCE_{n}. Los diferentes usuarios CARGAS de bus diferentes también
están conectados a estos nodos N_{i} - N_{j}. Como resultado, la
energía ya no es concentrada en el bus común de alimentación sino
que es distribuida por las diferentes interconexiones o ramales de
la arquitectura LINEA de red. De este modo, alambres delgados e
incluso trayectos (conductores) de placas de circuitos impresos
pueden sustituir ventajosamente a la barra pesada de cobre y a las
interconexiones atornilladas de la arquitectura conocida de
acondicionamiento de alimentación.
Cada dispositivo de control de tensión y
alimentación VPCEi, VPCE_{j} - VPCE_{m}, VPCE_{n} corresponde
a un dispositivo electrónico de control de alimentación PCE_{i} -
PCE_{j} y PCE_{m} - PCE_{n}, como se muestra en la Figura 1, y
al que está asociado un equivalente del dispositivo electrónico
anterior VCE de control de tensión. El fin principal de un
dispositivo de control de tensión y alimentación VPCE_{i},
VPCE_{j} - VPCE_{m}, VPCE_{n} es conectar o no la fuente de
alimentación asociada SA_{i}, SA_{j} - Bat_{m}, Bat_{n} a un
nodo N_{i}, N_{j}, N_{m}, N_{n} y, cuando está conectada,
ajustar la tensión de salida de la fuente de alimentación a la
tensión en el dispositivo de interconexión. El dispositivo de
control de tensión y alimentación incluye su propio amplificador de
error de tensión de bus para regular la tensión de salida al nodo de
modo que no confía en ningún componente externo.
En una realización preferida, los nodos
N_{i}, N_{j}, N_{k}, N_{l}, N_{m}, N_{n} están
interconectados en un bucle cerrado. De tal modo, la arquitectura es
protegida contra cualquier fallo único de circuito abierto, por
ejemplo en un ramal de la
red.
red.
Además, ha de observarse que toda la
arquitectura puede estar construida dentro de una Unidad de
Acondicionamiento y Distribución de Alimentación, como la
descrita en el sitio Internet
<http://www.esa.int/est/prod/prod0305. htm>, como una Unidad
de Control de Alimentación para satélites en órbita terrestre
geoestacionarios (GEO: Geostationary Earth Orbit) de alta potencia,
o en http://www.esa.int/est/prod/prod0303.htm, como una
Unidad de Acondicionamiento y Distribución de Alimentación para
satélites en órbita terrestre baja (LEO: Low Earth Orbit) de alta
potencia. Entonces, la unidad de acondicionamiento y distribución de
alimentación incluye los dispositivos de control de tensión y
alimentación VPCEi, VPCE_{j} - VPCE_{m}, VPCE_{n} y los nodos
N_{i}, N_{j}, N_{m}, N_{n} a los que están conectados y que
entonces son nodos N_{k}, N_{l} internos, así como externamente
disponibles, a los que están conectados los usuarios CARGAS de bus.
El conjunto de nodos externamente disponibles puede ser
evidentemente igual que al menos una parte del conjunto de nodos
internos.
Para permitir una distribución eficiente de la
energía por la arquitectura de acondicionamiento de alimentación, el
número de fuentes de alimentación es preferiblemente igual o mayor
que tres.
Ha de observarse que una arquitectura de red
como se describió anteriormente con fuentes de alimentación y cargas
dispersas es bien conocida a nivel terrestre (en tierra) para
producción y distribución de electricidad. Sin embargo, la presente
invención hace una unidad de acondicionamiento de alimentación de
astronave compatible con la noción de red por medio de disposiciones
convenientes de regulación de tensión contra el posible
desequilibrio de referencia de tensión de nodo.
También ha de observarse que, aunque la
descripción anterior ha sido efectuada en relación con una
astronave, también es posible realizar la invención en otras clases
de vehículos tales como, por ejemplo, un submarino donde los
conjuntos de células solares serán sustituidos entonces por fuentes
de energía nuclear.
Una observación final es que las realizaciones
de la presente invención son descritas anteriormente en términos de
bloques funcionales. A partir de la descripción funcional de estos
bloques, proporcionada anteriormente, para una persona experta en la
técnica de diseñar dispositivos electrónicos será evidente como las
realizaciones de estos bloques pueden ser fabricadas con componentes
electrónicos bien conocidos. Por tanto, no se proporciona una
arquitectura detallada de los contenidos de los bloques
funcionales.
Aunque los principios de la invención han sido
descritos anteriormente en relación con un aparato específico, ha de
comprenderse claramente que esta descripción es efectuada
simplemente a modo de ejemplo y no como una limitación sobre el
alcance de la invención, como se define en las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (9)
1. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación para un vehículo, comprendiendo dicha arquitectura una
pluralidad de fuentes de alimentación (SA_{i}... SA_{j},
Bat_{m} ... Bat_{n}) acopladas a una pluralidad de cargas
(CARGAS) por medio de un dispositivo de interconexión que tiene una
arquitectura de red con nodos dispersos (N_{i} ... N_{n})
interconectados entre sí,
con las fuentes de alimentación de dicha
pluralidad de fuentes de alimentación (SA_{i} ... SA_{j};
Bat_{m} ... Bat_{n}) estando acopladas a dichos nodos de una
manera distributiva, y
con las cargas de dicha pluralidad de cargas
(CARGAS) estando conectadas también a dichos nodos dispersos
(N_{i} ... N_{n}) de una manera distributiva,
(N_{i} ... N_{n}) de una manera distributiva,
caracterizada porque dichas fuentes de
alimentación (SA_{i} ... SA_{j}; Bat_{m} ... Bat_{n}) están
acopladas a los nodos dispersos (N_{i} ... N_{n}) de dicha
arquitectura de red por vía de dispositivos de control de tensión y
alimentación
(VPCE_{i}, ... VPCE_{n}).
(VPCE_{i}, ... VPCE_{n}).
2. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 1, caracterizada porque
cada uno de dichos dispositivos de control de tensión y alimentación
incluye un amplificador de error de tensión adaptado para regular la
tensión de salida al nodo.
3. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 1, caracterizada porque
dicha arquitectura de red está construida en el menos una unidad de
acondicionamiento y distribución de alimentación que incluye dichos
dispositivos de control de tensión y alimentación (VPCE_{i}, ...
VPCE_{n}) y dichos nodos (N_{i} ... N_{n}).
4. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 1, caracterizada porque
dichos nodos (N_{i} ... N_{n}) están interconectados (LINEA) en
un bucle cerrado.
5. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 1, caracterizado porque
dichos nodos (N_{i} ... N_{n}) están dispersos dentro de dicho
vehículo.
6. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 1, caracterizada porque
dicha arquitectura comprende al menos tres fuentes de alimentación
(SA_{i} ... SA_{j}; Bat_{m} ... Bat_{n}).
7. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 1, caracterizada porque
dicho vehículo es una astronave.
8. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 7, caracterizada porque
dicha pluralidad de fuentes de alimentación comprende conjuntos de
células solares (SA_{i} ... SA_{j}) y baterías eléctricas
(Bat_{m} ... Bat_{n}).
(Bat_{m} ... Bat_{n}).
9. Arquitectura de acondicionamiento de
alimentación según la reivindicación 7, caracterizada porque
dicha astronave comprende al menos tres conjuntos de células solares
(SA_{i} ... SA_{j}).
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| EP03291280A EP1481898B1 (en) | 2003-05-28 | 2003-05-28 | Power conditioning architecture for spacecraft |
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| ES2265093T3 true ES2265093T3 (es) | 2007-02-01 |
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