CN109066977B - 一种分布式航天飞行器智能供配电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式航天飞行器智能供配电系统，由脉冲型电池、功能型电池、分区域的多台智能配电中心、主控设备、地面电源组成。脉冲型电池用于航天飞行器上对供电品质要求不高的负载供电，包括火工品、电磁阀、设备加温、电机类供电；功能型电池用于航天飞行器上对供电品质要求较高的负载供电，包括控制、测量类单机等。智能配电中心在航天飞行器上按区域分布，并通过标准总线相互连接。智能配电中心接收来自于主控设备的总线指令，完成航天飞行器上各负载供电的通断控制，并实现各负载短路、过流的智能切断保护。解决了传统航天飞行器电磁供配电系统体积大、重量重、集成化及智能化程度低的缺点，具有数字化、智能化、集成化和通用化特点。

Description

一种分布式航天飞行器智能供配电系统

技术领域

本发明涉及航天飞行器供配电技术领域，具体涉及一种分布式航天飞行器智能供配电系统。

背景技术

航天飞行器供配电系统主要为航天飞行器电气设备提供工作电源。航天飞行器供配电系统包括供电电池、配电设备。供电电池提供箭上所有负载工作的电源，配电设备完成各负载的配电及转电控制。目前国内航天飞行器仍采用传统供配电技术，即普遍采用电池配置电磁继电器的配电方式，主要缺点如下：

(1)箭地接口复杂。当前航天飞行器配电设备内部均使用电磁继电器，配电设备内部的电磁继电器的线圈控制、触点状态检测、母线电压状态检测等均由地面测发控系统完成，造成与地面设备之间信号较多，接口复杂。

(2)集成化程度低。电磁继电器自身体积较大，造成的配电设备单机体积大、重量重，不利于集成设计。

(3)智能化程度低。配电设备状态检测信息较少，一旦电磁继电器元件或某一用电负载失效可能导致航天飞行器其他用电设备无法正常工作，系统无法通过状态检测进行故障诊断和隔离。

(4)电池资源利用率偏低。目前航天飞行器电池按控制类单机与测量类单机分开供电，造成同一区域内电池数量较多，资源利用率低，航天飞行器产品成本较高。

本发明提出的一种分布式航天飞行器智能供配电系统具有数字化、智能化、集成化和通用化的特点，可以有效解决传统供配电系统方案缺点，适应新一代航天飞行器电气系统发展要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式航天飞行器智能供配电系统，以提高航天飞行器供配电系统的数字化、智能化、集成化和通用化水平。

为实现上述目的，本发明提供一种分布式航天飞行器智能供配电系统，包括脉冲型电池、功能型电池、分区域的多台智能配电中心、主控设备、地面电源。所述的智能配电中心接收来自脉冲型电池、功能型电池、地面电源的供电输入，多台智能配电中心及主控设备通过标准总线互联，多台智能配电中心接收来自主控设备的控制指令，完成航天飞行器各负载的通断控制，实现负载短路、过流故障下的智能切断控制。

进一步，按航天飞行器区域进行分布式供配电，即根据航天飞行器各区域负载供配电需求，各区域配置1台或者多台智能配电中心，完成对相应区域负载的供配电控制。

进一步，按航天飞行器上各负载的供电品质要求的不同分开供电，即将对供电品质要不高的脉冲电流型功率负载采用脉冲型电池供电，包括电磁阀、火工品、设备加温、电机类负载；将对供电品质要求较高的控制及测量类单机采用功能型电池供电，包括箭载计算机、伺服控制器、综合控制器、转级控制器、惯性器件等控制类单机，数据综合器、数据采编器、换流器、射频单机等测量类单机。

进一步，所述的智能配电中心内置嵌入式控制芯片，并采用智能固态控制继电器(SSPC)，完成负载供电通断控制，智能配电中心对各配电路数的电流、固态继电器开关状态、电池电压、电池内部温度进行监测。

进一步，所述的智能配电中心的自身工作电源同时来源于电池及地面电源。地面电源通过二极管向智能配电中心的DC/DC供电。电池通过转电开关后再通过二级管向智能配电中心的DC/DC供电。

进一步，所述的智能配电中心在上电时或者接收到主控设备发出的自检命令时完成对自身二次电源、主控芯片、内存、母线电压、转电开关状态、配电支路开关状态、支路电流状态进行自检测，并将自检测结果通过标准总线发往主控设备。

进一步，所述的智能配电中心电池供电线路输入端串联理想二级管实现防电流反灌。

进一步，各配电线路采用I²t反时限保护曲线进行跳闸保护，具有轻度过载跳闸时间长，严重过载跳闸时间短特点。I/Ie为负载电流I与额定电流Ie的比值，即电流倍数。a、b是两常数，代表跳闸保护点和立即跳闸保护点。a是跳闸点的电流Ia与额定电流的比值，b是立即跳闸点的电流Ib与额定电流的比值：

a)I/Ie<a，正常工作；

b)a≤I/Ie<b，根据I²t反时限保护曲线延迟时间t后关断；

c)I/Ie≥b，立即切断负载。

I²t反时限跳闸保护公式如下：

其中V_ref是跳闸点电流对应的线路热量值；Iw为当前线路实际电流值；t为跳闸所需时间；R_iC_i为指数曲线的时间常数τ,达到稳定值98％的时间是4τ。根据不同线路的保护要求，设置不同的起跳点、立即跳闸点及起跳时的跳闸保护时间T，计算出V_ref、R_i、C_i各参数值。各参数计算步骤如下：

第一步：确定时间常数τ

设定额定电流Ie的a倍起跳时，负载开关断开时间为T，则：

4τ＝4R_iC_i＝T，τ＝T/4

第二步：确定跳闸值V_ref

取R_i＝常量A,则：

V_ref＝(Ie×a)²×R_i

C_i＝T/(4A)

说明：R_i值可以任意取，在确定该值后可以相应确定对应的V_ref、C_i。

所述的智能配电中心采用软件算法实现各配电支路的I²t反时限保护。采用霍尔传感器芯片实现对各配电支路电流Iw实时采集功能。霍尔传感器信号经运算放大器、配电检测部分ADC采集，进入处理器中，处理器通过根据公式(1)计算各自支路的电流热量累计值，当到达设定阈值V_ref后，处理器关断相应支路的负载开关。该方式简单、灵活，可根据具体线路调整保护曲线。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

(1)本发明按航天飞行器区域就近完成供配电，减少了区域间线缆连接，简化了电缆网，降低了成本；

(2)本发明中的多台智能配电中心之间、智能配电中心与主控设备之间采用标准总线接口，取消了大量模拟线缆，简化了箭地接口，进一步提高了系统集成度；

(3)本发明打破了传统控制类单机与测量类单机分开供电，根据各负载供电品质需求不同分开供电，进一步整合了电池资源，减少了电池数量；

(4)本发明中的智能配电中心内置嵌入式控制芯片对各配电路数的电流、固态继电器开关状态、电池电压状态等多种状态进行采集，并采用了I²t反时限过流保护实现对故障负载的故障隔离，提高了供配电可靠性。

附图说明

图1本发明具体实施例分布式智能供配电系统框图；

图2本发明具体实施例智能配电中心框图；

图3本发明具体实施例不同线路电流对应的能量变化曲线。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明的分布式航天飞行器智能供配电系统作进一步的详细描述。根据下面说明和权力要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

以某型号二级运载火箭为例，图1给出了某型号二级分布式运载火箭智能供配电系统框图。某型号二级分布式运载火箭智能供配电包括脉冲型电池、功能型电池、智能配电中心、主控设备9、地面电源10。

根据某型号二级运载火箭状态，各子级分别布置一台智能配电中心(一级智能配电中心1、二级智能配电中心11)、一台脉冲型电池(一级脉冲型电池2、二级脉冲型电池22)、一台功能型电池(一级功能型电池3、二级功能型电池33)，向相应子级内的所有负载进行供配电管理，取消级间供电线路的连接，以降低箭上电缆网复杂度和研制成本。

各子级的智能配电中心接收来自相应子级的脉冲型电池及功能型电池、地面电源的供电输入，通过标准总线与其他子级的智能配电中心及主控设备进行通信，接收来自主控设备的控制指令，完成运载火箭各负载的通断控制，实现负载短路、过流故障下的智能切断控制。

根据某型号二级运载火箭箭上负载供电需求，各子级对各子级电机类供电4、设备加温供电5、火工品期电磁阀6、控制系统单机7、测量系统单机8供电。其中，将对供电品质要不高的脉冲电流型功率负载采用脉冲型电池供电，包括箭上电磁阀、火工品、设备加温、电机类负载；将对供电品质要求较高的箭上控制系统单机7及测量系统单机8采用功能型电池供电，包括箭载计算机、伺服控制器、综合控制器、转级控制器、惯性器件等控制系统单机，数据综合器、数据采编器、换流器、发射机、接收机等测量系统单机。

图2给出了智能配电中心方案框图。智能配电中心内置嵌入式控制芯片，并采用智能固态控制继电器(SSPC)，完成负载供电通断控制。智能配电中心对各配电路数的电流、固态继电器开关状态、电池电压、电池内部温度进行监测。

智能配电中心的自身工作电源同时来源于电池及地面电源。地面电源通过二极管向智能配电中心的DC/DC供电。电池通过转电开关后在通过二级管向智能配电中心的DC/DC供电。该设计保证了在地面电源接通情况下智能配电中心能够正常工作，在转入电池供电时，转电开关闭合，智能配电中心接收来自电池的电源输入。

智能配电中心在上电时或者接收到主控设备发出的自检命令时完成对自身二次电源、主控芯片、内存、母线电压、转电开关状态、配电支路开关状态、支路电流状态进行自检测，并将自检测结果通过标准总线发往主控设备。

智能配电中心电池供电线路输入端串联理想二级管实现防电流反灌。

各配电线路采用I²t反时限保护曲线进行跳闸保护，具有轻度过载跳闸时间长，严重过载跳闸时间短特点。I/Ie为负载电流I与额定电流Ie的比值，即电流倍数。a、b是两常数，代表跳闸保护点和立即跳闸保护点。a是跳闸点的电流Ia与额定电流的比值，b是立即跳闸点的电流Ib与额定电流的比值：

d)I/Ie<a，正常工作；

e)a≤I/Ie<b，根据I²t反时限保护曲线延迟时间t后关断；

f)I/Ie≥b，立即切断负载。

反时限过流保护算法是基于硬件电路模拟线路中热量随电流变化的动态模型，当线路中热量达到指定值时产生跳闸信号。如图3为不同线路电流对应的能量变化曲线。不同线路电流值达到跳闸点的时间公式如下所示：

其中V_ref是跳闸点电流对应的线路热量值；Iw为当前线路实际电流值；t为跳闸所需时间；R_iC_i为图3指数曲线的时间常数τ,达到稳定值98％的时间是4τ。图3中的曲线1、曲线2电流均超过额定值，超过额定电流值越大，指数曲线达到跳闸值的时间越短，保护越快。

以某一配电路数T1路为例，额定电流Ie＝10A，设定a＝1.5，b＝5，即在电流15A～50A之间采用反时限算法跳闸。各参数计算步骤如下：

第一步：确定时间常数

设定1.5倍即15A起跳时，负载开关断开时间T＝4s

4τ＝4R_iC_i＝4s，τ＝R_iC_i＝1s

第二步：确定跳闸值V_ref

当取R_i＝1,V_ref＝(15A)²×R_i＝225，电容C_i＝1

说明：R_i值可以任意取，在确定该值后可以相应确定对应的V_ref、C_i。

智能配电中心采用软件算法实现各配电支路的I²t反时限保护。采用霍尔传感器芯片实现对各配电支路电流Iw实时采集功能。霍尔传感器信号经运算放大器、配电检测部分ADC采集，进入处理器中，处理器通过根据公式(1)计算各自支路的电流热量累计值，当到达设定阈值V_ref后，处理器关断相应支路的负载开关。该方式简单、灵活，可根据具体线路调整保护曲线。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定。在不脱离本发明设计构思的前提下，本领域普通人员对本发明的技术方案做出的各种变型和改进，均应落入到本发明的保护范围，本发明请求保护的技术内容，已经全部记载在权利要求书中。

Claims (6)

1.一种分布式航天飞行器智能供配电系统，其特征在于，包括脉冲型电池、功能型电池、分区域的多台智能配电中心、主控设备、地面电源；

所述的智能配电中心接收来自脉冲型电池、功能型电池、地面电源的供电输入，多台智能配电中心及主控设备通过标准总线互联，智能配电中心接收来自主控设备的控制指令，完成航天飞行器各负载的通断控制，实现负载短路、过流故障下的智能切断控制；

所述智能配电中心对各支路负载采用I²t反时限保护曲线进行跳闸保护，I²t反时限保护曲线按下列公式计算得到：

其中V_ref是跳闸点电流对应的线路热量值：

I_w为当前线路实际电流值；t为跳闸所需时间；R_iC_i为指数曲线的时间常数τ，达到稳定值98％的时间是4τ；

根据不同线路的保护要求，设置不同的起跳点、立即跳闸点及起跳时的跳闸保护

时间T，计算出V_ref、R_i、C_i各参数值， 各参数计算步骤如下：

第一步：确定时间常数τ

设定额定电流Ie的a倍起跳时，负载开关断开时间为T，则：

4τ＝4R_iC_i＝T，τ＝T/4

第二步：确定跳闸值V_ref

取R_i＝常量A，则：

V_ref＝(Ie×a)²×R_i

C_i＝T/(4A)

说明：R_i值可以任意取，在确定该值后可以相应确定对应的C_ref、C_i；

所述智能配电中心采用软件算法实现各支路的I²t反时限保护；采用霍尔传感器芯片实现对各配电支路电流I_w实时采集功能；霍尔传感器信号经运算放大器、配电检测部分ADC采集，进入处理器中，处理器计算各自支路的电流热量累计值，当到达设定阈值后，处理器关断相应支路的负载开关；

所述智能配电中心电池供电线路输入端串联理想二级管实现防电流反灌。

2.如权利要求1所述的一种分布式航天飞行器智能供配电系统，其特征在于，按航天飞行器区域进行分布式供配电，即根据航天飞行器各区域负载供配电需求，各区域配置1台或多台智能配电中心，完成对相应区域负载的供配电控制。

3.如权利要求1所述的一种分布式航天飞行器智能供配电系统，其特征在于，按航天飞行器上各负载的供电品质要求的不同分开供电，即对脉冲电流型功率负载采用脉冲型电池供电；对箭上控制、数据采集及处理设备采用功能型电池供电。

4.如权利要求1所述的一种分布式航天飞行器智能供配电系统，其特征在于，所述智能配电中心内置嵌入式控制芯片，并采用智能固态控制继电器，完成负载供电通断控制，智能配电中心对各配电支路的电流、固态继电器开关状态、电池电压、电池内部温度进行监测。

5.如权利要求1所述的一种分布式航天飞行器智能供配电系统，其特征在于，所述智能配电中心的自身工作电源同时来源于电池及地面电源，地面电源通过二极管向智能配电中心的DC/DC供电，电池通过转电开关后再通过二级管向智能配电中心的DC/DC供电。

6.如权利要求1所述的一种分布式航天飞行器智能供配电系统，其特征在于，所述智能配电中心在上电时或者接收到主控设备发出的自检命令时完成对自身二次电源、主控芯片、内存、母线电压、转电开关状态、配电支路开关状态、支路电流状态进行自检测，并将自检测结果通过标准总线发往主控设备。

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