CN108964241A - 高功率密度高脉冲负载电源平台 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高功率密度高脉冲负载电源平台，基于一体化电源控制器母线架构，包括一体化电源控制器、太阳能电池阵、蓄电池、母线、MPPT模块、有线能量传输模块、无线能量传输模块、负载和超级电容充放电CDDR模块；其中，一体化电源控制器采用三端口变换器实现，三端口变换器分别连接太阳能电池阵、蓄电池、母线；所述MPPT模块集成于所述一体化电源控制器；由多个太阳能电池阵列‑蓄电池直流电源系统PBPS组成的“能源局域网”，通过有线并网控制器与母线连接；CDDR模块位于在线与脉冲负载之间，CDDR模块通过双向升压降压模块对超级电容进行充放电，实现输入一个较小的平均功率，输出较大的峰值脉冲功率。

Description

高功率密度高脉冲负载电源平台
技术领域
本发明涉及电源控制技术领域，尤其涉及一种高功率密度高脉冲负载电源平台。
背景技术
在复杂空间条件和多任务需求下，为满足不同类型有效载荷正的常工作，对卫星电源控制器提出了更高的要求。特别地，重复脉冲负载要求在非常短的时间内输入非常高的能量，即脉冲或脉冲串能量。传统方式需通过不断提升卫星平台电源控制器的功率来实现，重量和体积都随功率的增加而增多，功率密度低，发射成本高。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种高功率密度高脉冲负载电源平台，本发明具体通过如下技术方案实现：
一种高功率密度高脉冲负载电源平台，所述平台基于一体化电源控制器母线架构，包括一体化电源控制器、太阳能电池阵SA、蓄电池、母线、最大功率跟踪MPPT模块、有线能量传输模块、无线能量传输模块、负载和超级电容充放电CDDR模块；其中，所述一体化电源控制器采用三端口变换器实现，所述三端口变换器分别连接太阳能电池阵SA、蓄电池、母线；所述MPPT模块集成于所述一体化电源控制器，用于有效的降低需要配置的太阳能阵的重量，提高太阳能帆板的利用率；由多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统PBPS组成的“能源局域网”，通过所述有线并网控制器与母线连接；所述CDDR模块位于在线与脉冲负载之间，所述CDDR模块包括双向升降压模块和超级电容，通过所述双向升压降压模块对所述超级电容进行充放电，实现输入一个较小的平均功率，输出较大的峰值脉冲功率。
作为本发明的进一步改进，所述一体化电源控制器将传统S3R架构中的分流器SR模块、电池充电调节器BCR模块与电池放电调节器BDR模块放在一个多端口功率拓扑中。
作为本发明的进一步改进，所述一体化电源控制器还包括主误差放大器MEA和电池管理BM模块。
作为本发明的进一步改进，所述三端口变换器直接并联实现模块扩展。
作为本发明的进一步改进，所述电源平台采用电流模式控制的双向DC/DC变换器实现多个电源系统自动功率分配，采用公共母线误差放大器取代了传统能量分配方法中的软件与通信单元。
作为本发明的进一步改进，无线能量传输技术包括非接触式电磁感应耦合ICPT、射频RF、微波、电磁共振；通过所述电源平台的母线架构，将不同电源系统的能量通过无线传输模块，传递到能量不足的平台母线上，实现无限能量的共享。
作为本发明的进一步改进，所述双向升压降压模块为双向DC/DC变换器。
作为本发明的进一步改进，无线能量传输模块为微波收发模块。
作为本发明的进一步改进，所述电源包括动态脉冲负载或电推进电源。
本发明的有益效果是：本发明以一体化电源控制器——三端口变换器为核心，拓扑和架构本身具有高功率密度和高效率的特点；基于三端口变换器的PCU架构，在满足调节母线电压稳定同时，能够实现最大功率跟踪(MPPT)和电池管理(BM)功能；通过有线并网控制器实现不同电源控制器/母线间的能量传递，实现(有线)能量共享；通过微波收发模块，实现无线能量传输，进而实现无线能量共享；通过双向升降压模块实现对超级电容充放电，为动态脉冲负载等有效载荷提供瞬时大功率。
附图说明
图1是本发明的高功率密度高脉冲负载电源平台的功能模块框图；
图2是星载电源整体架构示意图；
图3是传统方式下脉冲负载取电方式的示意图；
图4是超级电容作为中间储能装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明提出了一种适用于高功率密度高脉冲负载的电源平台，该平台基于一体化电源控制器母线架构，如图1所示，包含了双向升降压超级电容充放电模块(CCDR)，为动态脉冲负载或电推进电源(PPU)等有效载荷提供瞬时大功率，同时，架构中包含了有线并网控制器和无线能量传输模块，实现多个电源控制器/母线间的能量互联。
一体化三端口实现高功率密度高效率
一体化电源控制器将传统S3R(Sequential Switching Shunt Regulator)架构中的分流器SR模块、电池充电调节器BCR模块与电池放电调节器BDR模块放在一个多端口功率拓扑中，从模块级和器件级实现了高功率密度和低成本；同时电源控制器核心——三端口变换器的输入输出只经过一次功率变换，具有高效率的特点。如图2所示为输入为以一体化电源控制器为核心的电源系统构成，实现太阳能阵、电池和母线三个端口的能量调度，可直接并联实现模块扩展。
MPPT功能
一体化电源控制器集成了最大功率跟踪功能，同等有效载荷功率下，加入该功能有效的降低了需要配置的太阳能阵的重量，提高了太阳能帆板的利用率，进一步节省卫星发射成本。
有线能量传输
由于不同航天器会具有不同的光照和负载条件，导致某些航天器电源系统供电过分充足而某些供电严重不足，所以这其中一个重要的问题是如何实现每个独立电源系统的能量分配或功率共享。为达到扩展单个供配电系统功率上限的目的，可由多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统(PV-Battery Power System，PBPS)组成的“能源局域网”。
本发明采用电流模式控制的双向DC/DC变换器(BDDC，Bidirectional DC-DCConverters)实现多个电源系统自动功率分配，采用公共母线误差放大器取代了传统能量分配方法中的软件与通信单元。
BDDC具有控制公共母线和超级电容在两个方向之间能量流动的能力。BDDC的主功率部分可由推挽、半桥、全桥等隔离拓扑进行实现，BDDC功能描述为：为了保证整个系统的可靠性，在BDDC单元中采用磁反馈技术和双向电流检测技术实现闭环反馈控制，BDDC的输出电流(Iout)通过公共母线误差放大器输出和超级电容管理输出取小后得到的电压信号来控制。与之相应，在传统的多个航天器电源系统并联系统中，输出电流是由通信和软件算法单元控制。
基于“能源局域网”架构，采用双向DC/DC变换器来实现一种简单，模块化，高稳定裕度和自主的能量分配方法。主要特点如下：
(1)简单：在能量分配中不需要通信设备或软件算法，需要连接的导线只有三条。
(2)模块化和自动化：使用相同控制方式的多个系统通过唯一的模拟控制信号来参加“能源局域网”。更重要的是，能量分配的是自动进行的，无需软件计算。
(3)模拟控制的采用，确保了公共母线的高稳定裕度，低输出阻抗，快速的动态响应。
BDDC具有控制公共母线和用户母线在两个方向之间能量流动的能力。BDDC的主功率部分可由推挽、半桥、全桥等隔离拓扑进行实现。
无线能量传输
无线能量传输(WPT)作为一种先进的技术，特别适用于航天领域，实现WPT的技术方案主要包括非接触式电磁感应耦合(ICPT)，射频(RF)、微波和电磁共振。
通过该电源平台的母线架构，可将不同电源系统的能量通过无线传输设备，传递到能量不足的平台母线上，实现无线能量的共享。
超级电容充放电模块(CCDR)
针对大功率重复脉冲载荷的激光、通信等卫星平台，目前采用的不调节母线电源致使任务周期短，母线特性差。若采用全调节母线电源系统，则需按峰值功率需求配备PV和蓄电池，重量约为平均功率的8-10倍；另外大功率电源控制器也会带来平台重量大幅增加，且随脉冲功率等级进一步提升，技术实施难度急剧增大。
在传统模式下，脉冲功率负载一般由电池直接供电，如图3所示。当负载有脉冲功率需求时，电池需瞬间释放大电流，这时电池电压可能会被拉得很低，对电池冲击较大，影响电池性能。在不调节母线架构下，电池直接与母线相连，这时母线电压也会被瞬间拉低。而在调节母线架构下，该瞬态功率可能通过BCDR(电池充放电模块)或一体化架构下母线至电池的功率拓扑对母线造成扰动。
通过一个双向DC/DC变换器，对超级电容进行充放电，实现输入一个较小的平均功率，输出较大的峰值脉冲功率，即在满足脉冲负载正常工作的条件下，减小了平均输入功率，使得太阳能帆板和变换器的数量都减少，进而提高了电源控制系统的功率密度。
为解决上述问题，本发明采用了新的架构形式，如图4所示。该方案是在母线与脉冲负载之间加入一个超级电容的储能装置，并通过一个双向DC/DC变换器将二者进行连接，即为本发明中包含的CCDR模块。该拓扑可以在脉冲间隙向超级电容存储能量，而在脉冲功率需求时，又可以通过其瞬间放电，满足脉冲功率需求，从而避免了对电池和母线的冲击。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高功率密度高脉冲负载电源平台，其特征在于：所述平台基于一体化电源控制器母线架构，包括一体化电源控制器、太阳能电池阵SA、蓄电池、母线、最大功率跟踪MPPT模块、有线能量传输模块、无线能量传输模块、负载和超级电容充放电CDDR模块；其中，所述一体化电源控制器采用三端口变换器实现，所述三端口变换器分别连接太阳能电池阵SA、蓄电池、母线；所述MPPT模块集成于所述一体化电源控制器，用于有效的降低需要配置的太阳能阵的重量，提高太阳能帆板的利用率；由多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统PBPS组成的“能源局域网”，通过所述有线并网控制器与母线连接；所述CDDR模块位于在线与脉冲负载之间，所述CDDR模块包括双向升降压模块和超级电容，通过所述双向升压降压模块对所述超级电容进行充放电，实现输入一个较小的平均功率，输出较大的峰值脉冲功率。
2.根据权利要求1所述的电源平台，其特征在于：所述一体化电源控制器将传统S3R架构中的分流器SR模块、电池充电调节器BCR模块与电池放电调节器BDR模块放在一个多端口功率拓扑中。
3.根据权利要求2所述的电源平台，其特征在于：所述一体化电源控制器还包括主误差放大器MEA和电池管理BM模块。
4.根据权利要求1所述的电源平台，其特征在于：所述三端口变换器直接并联实现模块扩展。
5.根据权利要求1所述的电源平台，其特征在于：所述电源平台采用电流模式控制的双向DC/DC变换器实现多个电源系统自动功率分配，采用公共母线误差放大器取代了传统能量分配方法中的软件与通信单元。
6.根据权利要求1所述的电源平台，其特征在于：无线能量传输技术包括非接触式电磁感应耦合ICPT、射频RF、微波、电磁共振；通过所述电源平台的母线架构，将不同电源系统的能量通过无线传输模块，传递到能量不足的平台母线上，实现无限能量的共享。
7.根据权利要求6所述的电源平台，其特征在于：所述双向升压降压模块为双向DC/DC变换器。
8.根据权利要求1所述的电源平台，其特征在于：无线能量传输模块为微波收发模块。
9.根据权利要求1所述的电源平台，其特征在于：所述电源包括动态脉冲负载或电推进电源。
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