CN104242386A - 部分自重构深空探测电源系统 - Google Patents

Abstract

部分自重构深空探测电源系统，涉及深空探测技术领域，解决现有电源系统输出的能量不能满足对应不同轨道的需求，进而导致系统复杂及成本增加等问题，FPGA控制芯片包括微处理器组、FLASH控制器模块组、CAN总线模块组、充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组和外部I/O接口；所述充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组的结构根据微处理器组的指令进行结构重构，满足不同轨道的要求。本发明主要用于远距离空间探测领域，用于为所在不同轨道位置的深空探测器提供基于不同轨道需求的电源，以保证其正常工作。

Description

部分自重构深空探测电源系统

技术领域

本发明涉及深空探测技术领域，具体涉及空间电源系统领域。

背景技术

现有的同类产品主要包括传统卫星电源系统和空间站电源系统。

传统的卫星电源系统中充电控制器和放电控制器，在光照区可以把太阳电池阵输出的电能经过转换，为星上锂离子蓄电池充电；在阴影区，控制蓄电池为系统供电，同时可实现电池均衡。

空间站电源系统与传统卫星电源系统类似，只是采用组合的方式，实现大功率电能的输出，为巨型空间站提供大量的电能。

在远距离空间探测领域，对电源系统在不同轨道的要求各不相同——在某些高辐射轨道，由于地球辐射带的影响，会造成电源控制系统的故障，而此时大部分设备处于关机状态，电能的需求量不大，但是要求通过多模冗余实现更高的可靠性。在某些低辐射轨道，由于远离辐射带的影响，控制器失效率比较低，不需要通过冗余实现高可靠，但是大部分设备已经开机，对电能的需求量很大。与此同时，由于深空探测系统工作距离远，对系统的体积和重量要求更加苛刻，若干采用传统的多机相互备份的方式解决，必然会导致成本的大幅度增加。具体如表1所示

表1不同轨道电源系统需求及特定

轨道名称	辐射量	可靠性要求	控制冗余要求	能量需求
					低辐射轨道	低	低	低	高
高辐射轨道	高	高	高	低

为了解决上述的问题(即在某些轨道电源系统输出能量不多，但可靠性很高，在某些轨道电源系统可靠性不高，但可输出能量很大)，本系统采用“部分自重构技术”实现深空探测电源系统的高可靠、高效率、低成本工作。

发明内容

本发明为解决现有电源系统输出的能量不能满足对应不同轨道的需求，进而导致系统复杂及成本增加等问题，提供一种部分自重构深空探测电源系统。

部分自重构深空探测电源系统，包括FPGA控制芯片、多组太阳电池阵、多组峰值功率跟踪电路、多组充电控制电路、多组放电控制电路和多组蓄电池组；所述FPGA控制芯片包括微处理器、FLASH控制器模块、CAN总线模块、充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组和外部I/O接口；

所述FLASH控制器模块，用于读取片外FLASH芯片中的重构数据，并为微处理器组提供重构数据；

所述CAN总线控制模块，用于与片外CAN总线电平转换电路进行通信，读入上位机命令并把部分自重构深空探测电源系统的状态反馈给上位机；

所述外部I/O接口用于对多组峰值功率跟踪电路、多组充电控制电路、多组放电控制电路进行数据输入输出；

所述微处理器是FPGA控制芯片的核心，通过FPGA芯片内总线宏读入总线上数据，并通过内部配置访问端口控制所述充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组及峰值功率跟踪模块组的重构；

在低辐射轨道环境下，所述充电控制模块组被重构为多个控制器，所述多个控制器同时为多组充电控制电路充电，实现对多组蓄电池组的充电控制；所述放电控制模块组被重构为多个控制器，所述多个控制器为多组放电控制电路放电，实现对多组蓄电池组的放电控制；所述电池均衡控制模块组被重构为多个控制器，并同时实现对多组蓄电池组的控制；所述峰值功率跟踪模块组被重构为多个控制器，所述多个控制器同时控制多组峰值功率跟踪电路工作；

在高辐射轨道环境下，所述充电控制模块组被重构为一个控制器，所述控制器为一组充电控制电路充电，实现对一组蓄电池组的充电控制；所述放电控制模块组被重构为一个控制器，所述控制器为一组放电控制电路放电，实现对一组蓄电池组的放电控制；所述电池均衡控制模块组被重构为一个控制器，所述控制器实现对一组蓄电池组的控制；所述峰值功率跟踪模块组被重构为一个控制器，所述一个控制器可单独控制对应的峰值功率跟踪电路；所述多路太阳电池阵为部分自重构深空探测电源系统供电，每路完全独立的太阳电池阵都通过二极管后与对应的峰值功率跟踪电路相连。

本发明的有益效果：本发明提供一种具有自适应功能的部分可重构空间电源系统。它是由一个FPGA作为核心控制芯片，在芯片内部有一个嵌入式微处理器和多个部分重构功能模块组成控制网，嵌入式微处理器作为自重构系统的核心通过芯片的内部配置访问端口(ICAP)控制多个部分重构功能模块的重构，实现控制的。控制网外部连接若干外部设备，实现系统自适应重构。本发明主要用于远距离空间探测领域，用于为所在不同轨道位置的深空探测器提供基于不同轨道需求的电源，以保证其正常工作。

附图说明

图1为本发明部分自重构深空探测电源系统的结构框图；

图2为本发明部分自重构深空探测电源系统高辐射条件下内部结构图；

图3为本发明部分自重构深空探测电源系统低辐射条件下内部结构图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，部分自重构深空探测电源系统，主要由多组太阳电池阵、多组峰值功率跟踪电路、多组充电控制电路、多组放电控制电路、核心控制芯片(FPGA控制芯片)组成。

所述核心控制芯片是整个部分自重构深空探测电源系统的核心。它内部包括微处理器、FLASH控制模块、CAN总线控制模块、充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组、外部I/O接口及可重构资源组成。其中充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组的结构可根据微处理器的指令进行结构重构，以适应不同轨道的需求。

微处理器组是整个核心控制芯片的核心，它可以根据环境需要，通过FPGA片内总线宏读入总线上数据，并通过内部配置访问端口(ICAP)控制多个部分重构功能单元的重构。

FLASH控制器模块，用于读取片外FLASH芯片中的重构数据，为微处理器提供重构数据。

CAN总线控制模块，用于与片外CAN总线电平转换电路进行通信，读入上位机命令并把部分自重构深空探测电源系统的状态反馈给上位机。

外部I/O接口用于对外部设备如峰值功率跟踪电路、充电控制电路、放电控制电路进行数据输入输出。

充电控制模块组用于控制充电控制电路，实现对蓄电池组的充电控制。在低辐射轨道环境下，该模块组被重构为多个控制器，每个控制器可单独控制一组蓄电池组充电，从而实现多个蓄电池组的充电控制。在高辐射轨道环境下，该模块组被重构为一个控制器，所述该控制器为外部的一组蓄电池组提供充电控制。

放电控制模块组用于控制放电控制电路，实现对蓄电池组的放电控制。在低辐射轨道环境下，该模块组被重构为多个控制器，每一个控制器可单独控制1路一组放电控制电路工作，实现对多组蓄电池组的放电控制。在高辐射轨道环境下，该模块组被重构为一个控制器，所述控制器为外部的一组蓄电池提供放电控制。从而实现高可靠性的控制。

电池均衡控制模块组用于控制控制蓄电池内部的均衡电路，实现对蓄电池组中各个电池单体的能量均衡。在低辐射轨道环境下，该模块组被重构为多个控制器，每一个控制器可单独控制一组蓄电池组充放电均衡，实现对多个蓄电池组的控制。在高辐射轨道环境下，该模块组被重构一个控制器，所述控制器为外部的一组蓄电池提供充放电均衡控制。

峰值功率跟踪模块组用于控制峰值功率跟踪电路，实现对每组太阳电池阵进行峰值跟踪——最大限度的利用太阳能电池阵产生的能量。在低辐射轨道环境下，该模块组内部被重构为多个控制器，每一个控制器可单独一组控制峰值功率跟踪电路工作，可实现对多组峰值功率跟踪电路的控制。在高辐射轨道环境下，该模块被重构为一个控制器，所述控制器为外部的一组峰值功率跟踪电路提供控制。

本实施方式采用FPGA特有的部分重构技术，通过FPGA内部的重构机制，实现在低辐射区域电源系统输出功率较高，在高辐射区域电源系统输出可靠性较高的功能。

所述的太阳电池阵是整个电源系统的供电输入。每路完全独立的太阳电池阵都通过二极管后与峰值功率跟踪电路相连，二极管用以防止电流导灌入太阳电池阵造成电池阵的损坏。

本实施方式所述的峰值功率跟踪电路作用主要包括以下几点：一、当系统需要电能时，根据太阳电池阵的光照强度，通过DC/DC变化使太阳电池阵输出最大限度的得到利用；二、对太阳电池阵输出的不稳定电压变化为稳定的电压便于后续利用；三、当系统不需要电能时，通过调整参数保证电能不流入系统。四、采集太阳电池阵的工作电压及电路等信息。对峰值功率跟踪电路状态的读取和控制是由FPGA控制芯片实现的。所述的充电控制电路是控制对蓄电池充电的控制电路，该电路作用主要包括：一、实现对蓄电池的充电保护；二、实现对充电电流电压的检测。对充电控制电路状态的读取和控制是由核心控制芯片实现的。放电控制电路是控制对蓄电池放电的控制电路，该电路作用主要包括：一、实现对蓄电池的放电保护；二、实现对放电电流电压的检测。对放电控制电路状态的读取和控制是由核心控制芯片实现的。蓄电池组用于对电能的存储，当设备在阴影区和在对日稳定前提供整个系统的能量。蓄电池内部保护充电控制电路，可通过核心控制芯片实现对蓄电池状态的读取和电池均衡控制。

本实施方式所述的部分自重构深空探测电源系统的工作过程是：

当深空探测系统进入高辐照区时，核心控制芯片(FPGA控制芯片)内的微处理器组通过FLASH控制模块读取片外FLASH芯片的重构信息，然后对充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组进行重构。

所述充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组以及峰值功率跟踪模块组分别被重构为一个控制器，并组成三模冗余的系统结构。此时连入系统的太阳电池阵、充电控制电路、放电控制电路和蓄电池组也只有一组。

如果此时进入光照区时，太阳电池阵输出电能。太阳电池阵通过二极管隔离，把电能输送给峰值功率跟踪电路。FPGA控制芯片内部三模冗余的峰值功率跟踪模块组控制此峰值功率跟踪电路，实现太阳电池阵功率最大化并实现电压的稳定输出，如果有两路逻辑计算模块输出的控制结果一致就采用此控制。

峰值功率跟踪电路输出的电能会被用于对蓄电池组的充电和对系统的供电。在对蓄电池组充电过程中，FPGA控制芯片内部N模冗余的充电控制模块组控制片外的充电控制电路，实现对蓄电池组的充电保护。

如果系统进入阴影区，蓄电池组放电为系统供电。此时N模冗余的放电控制模块组控制片外的放电控制电路，实现对蓄电池组的放电保护。

当深空探测系统进入低辐照区时，FPGA控制芯片内部的微处理器通过FLASH控制模块读取片外FLASH芯片的重构信息，然后对充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组进行重构，重构完成后其内部结构图如图3所示：

所述充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组分别被重构为多个控制器，并组成N路控制的无冗余系统结构。此时连入系统的太阳电池阵、充电控制电路、放电控制电路和蓄电池组都有N组。

如此时进入光照区时，太阳电池阵输出电能。N组太阳电池阵通过二极管隔离，把电能输送给峰值功率跟踪电路。FPGA内部集成的N组无冗余峰值功率跟踪模块组控制对应的N组峰值功率跟踪电路，实现N组太阳电池阵功率最大化并实现电压的稳定输出。

在对蓄电池充电过程中，FPGA内部N组无冗余的充电控制模块控制片外的N组充电控制电路，实现对N组蓄电池的充电保护。

如果系统进入阴影区，多组蓄电池组放电为系统供电。此时FPGA控制芯片内部集成的N组无冗余的放电控制模块控制片外的N组放电控制电路，实现对N组蓄电池的放电保护。

本实施方式所述的太阳电池阵所有电池片为平均光电转换效率不小于28％的GaInP2/GaAs/Ge三结太阳电池；峰值功率跟踪电路采用标准反极性开关调节器拓扑结构；FPGA控制芯片器采用Virtex-5；充放电控制电路中核心器件MOS管选用IRH7054；蓄电池组为锂离子蓄电池选用三洋公司生产的2600mAh锂离子电池，串联节数为七节；CAN总线电平转换电路型采用PCA82C250；片外FLASH芯片选用型号为S29AL008D。

Claims (1)

1.部分自重构深空探测电源系统，包括FPGA控制芯片、多组太阳电池阵、多组峰值功率跟踪电路、多组充电控制电路、多组放电控制电路和多组蓄电池组；其特征是，

所述FPGA控制芯片包括微处理器、FLASH控制器模块、CAN总线控制模块、充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组、峰值功率跟踪模块组和外部I/O接口；

所述FLASH控制器模块，用于读取片外FLASH芯片中的重构数据，并为微处理器组提供重构数据；

所述CAN总线控制模块，用于与片外CAN总线电平转换电路进行通信，读入上位机命令并把部分自重构深空探测电源系统的状态反馈给上位机；

所述外部I/O接口用于对多组峰值功率跟踪电路、多组充电控制电路、多组放电控制电路进行数据输入输出；

所述微处理器是FPGA控制芯片的核心，通过FPGA控制芯片内总线宏读入总线上数据，并通过内部配置访问端口控制所述充电控制模块组、放电控制模块组、电池均衡控制模块组及峰值功率跟踪模块组的重构；

在低辐射轨道环境下，

所述充电控制模块组被重构为多个控制器，所述多个控制器同时为多组充电控制电路充电，实现对多组蓄电池组的充电控制；

所述放电控制模块组被重构为多个控制器，所述多个控制器为多组放电控制电路放电，实现对多组蓄电池组的放电控制；

所述电池均衡控制模块组被重构为多个控制器，并同时实现对多组蓄电池组的控制；

所述峰值功率跟踪模块组被重构为多个控制器，所述多个控制器同时控制多组峰值功率跟踪电路工作；

在高辐射轨道环境下，

所述充电控制模块组被重构为一个控制器，所述控制器为一组充电控制电路充电，实现对一组蓄电池组的充电控制；

所述放电控制模块组被重构为一个控制器，所述控制器为一组放电控制电路放电，实现对一组蓄电池组的放电控制；

所述电池均衡控制模块组被重构为一个控制器，所述控制器实现对一组蓄电池组的控制；

所述峰值功率跟踪模块组被重构为一个控制器，所述一个控制器可单独控制对应的峰值功率跟踪电路；

所述多路太阳电池阵为部分自重构深空探测电源系统供电，每路完全独立的太阳电池阵都通过二极管后与对应的峰值功率跟踪电路相连。