CN109586391A - 一种深空探测飞行器电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种深空探测飞行器电源系统，包括太阳电池阵、储能蓄电池组和电源控制设备，电源系统拓扑的输出功率选取两根独立母线：半调节BUS1母线和不调节BUS2母线，BUS1母线主要为平台负载供电，BUS2母线主要为电推进负载供电，太阳电池阵顺序为半调节母线和不调节母线供电，具有大电流充电能力，双母线形式优化了系统拓扑结构，电源系统设计具有大电流充电能力，提高了电源系统中太阳电池阵的功率利用率。

Description

一种深空探测飞行器电源系统
技术领域
本发明属于空间电源控制技术领域，尤其是一种适用于深空探测飞行器电源系统。
背景技术
深空探测飞行器的电源系统需要综合高轨道(GEO)卫星和低轨道 (LEO)卫星的特点来设计，通常在低轨LEO卫星和高轨GEO卫星上广泛应用的电源系统拓扑结构(比如“三域”S3R系统和“两域”S4R系统等) 都不能很好地满足深空探测飞行器任务，传统的“三域”S3R系统的局限性体现在不能很好地完成短时间内大电流充电任务，而“两域”S4R系统则存在太阳电池阵的有效功率利用率较低的问题。
专利号为2016107977030的专利文件公布了一种基于高低压双母线的大功率高效卫星电源系统，该专利文件的第一太阳电池阵～第六太阳电池阵为 28V用电负载和镉镍蓄电池组供电，第七太阳电池阵～第八太阳电池阵为42V 用电负载和锂离子蓄电池组供电，采用高低压母线系统降低了系统的电流密度，但该申请文件中太阳电池分阵与用电负载分组供电固定，并不能自动调节太阳电池分阵与用电负载的供电关系，因此需要重新设计一种电源系统拓扑。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种深空探测飞行器电源系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种深空探测飞行器电源系统，其特征在于：包括太阳电池阵、储能蓄电池组、电源控制设备；
太阳电池阵：太阳电池阵作为发电单元，在受到阳光照射时进行光能- 电能转换，为负载提供需求，并为储能蓄电池组充电，负载分为平台负载和电推进负载，平台负载通过半调节BUS1母线为其供电，电推进负载通过不调节BUS2母线为其供电；
储能蓄电池组：储能蓄电池组为锂离子电池组，在光照期储存太阳电池阵供给的电能，在地影期释放电能为平台负载提供电能；
电源控制设备：调控太阳电池阵放电以及储能蓄电池组充放电；
太阳电池阵分为n个分阵，每个分阵连接到一个独立的分阵功率调节器，每个分阵功率调节器均具有两个接口，可为BUS1母线和BUS2母线供电，任一时刻一个分阵功率调节器只能为一条母线供电。在光照期，太阳电池阵的能量优先供给BUS1母线，分阵功率调节器从1到M级顺序接通为BUS1母线和储能蓄电池组供电，直到满足平台负载以及储能蓄电池组充电需求，然后从(M+1)到n级的分阵功率调节器将剩余的太阳电池阵能量全部供给母线BUS2，用以电推负载。
进一步地，n个分阵功率调节器根据负载需求顺序调节BUS1母线和BUS2 母线之间的输出功率，通过母线电压误差放大信号和电阻阶梯网络电路实现分阵功率调节器的自动调节。
进一步地，1到M级的分阵功率调节器的输出功率大于太阳电池阵的输出功率，分阵功率调节器采用最大功率点跟踪模式。
进一步地，1到M级的分阵功率调节器输出功率达到最大功率限制点时采用限功率模式。
进一步地，BUS2母线连接电推负载，根据太阳电池阵的I-V曲线特性，太阳电池分阵的工作点通过BUS2母线的电推负载来自动调节。
本发明的优点和积极效果为：
1、通过设计半调节平台母线和不调节载荷母线的双母线形式优化了系统拓扑结构，电源系统设计具有大电流充电能力，使系统架构得到简化，同时又提高了电源控制设备的比功率；
2、分阵功率调节器可自动调节优先满足平台负载充电需求，具有大电流充电能力；
3、双母线结合最大功率点跟踪技术提高了电源系统中太阳电池阵的功率利用率。
附图说明
图1是本发明实施例的电源系统组成示意图
图2是本发明的电源系统拓扑结构框图
图3是本发明的太阳电池阵到BUS1母线的能量流向
图4是本发明的太阳电池阵到BUS2母线的能量流向
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步描述：
一种深空探测飞行器电源系统，包括太阳电池阵、储能蓄电池组和电源控制设备，电源系统拓扑的输出功率选取两根独立母线：半调节BUS1母线和不调节BUS2母线，BUS1母线主要为平台负载供电，BUS2母线主要为电推进负载供电。太阳电池阵为BUS1母线和BUS2母线供电，储能蓄电池组采用锂离子电池组与BUS1母线连接，以满足平台负载长期负载工作的需求，电源控制设备是电源系统的核心控制单元，负责调节太阳电池阵输出功率形成两条供电母线，并完成储能蓄电池组充、放电管理功能。
太阳电池阵分为n个分阵，每个分阵均连接到一个独立的分阵功率调节器，每个分阵功率调节器均可连接到BUS1母线和BUS2母线并为其供电，但任一时刻任一个分阵功率调节器只能为其中一个母线供电，在光照期，太阳电池阵的能量优先供给BUS1母线，分阵功率调节器从1到M级顺序接通为 BUS1母线和蓄电池组供电，直到满足平台负载以及锂离子电池组充电需求，然后从(M+1)到n级的分阵功率调节器将剩余的太阳电池阵能量全部供给母线BUS2，用以电推负载。
锂离子电池组与BUS1母线连接，在太阳电池阵功率满足平台负载需求后，多余的能量可以用来给锂离子电池组充电，蓄电池组充电至恒压状态后，锂离子电池组电压即为BUS1母线电压，然后太阳电池阵再继续为电推进负载供电。
在光照期，太阳电池阵优先为平台负载供电，多余能量为蓄电池组充电至恒压设定值，然后向电推进负载供电；在地影期或太阳电池阵输出功率小于平台负载需求时，BUS1母线为不调节母线，锂离子蓄电池组放电满足平台负载需求。
目前飞行器主要利用平台负载完成轨道转移任务，因此分阵功率调节器优先给与平台负载连接的BUS1母线供电，保证飞行器完成轨道转移进入工作轨道，多余的能量给锂离子蓄电池组充电，待锂离子蓄电池组电压达到恒压设定值后，剩余的能量为BUS2母线充电。
平台负载的电量需求量为变量，n个分阵功率调节器根据平台负载需求顺序调节BUS1母线和BUS2母线之间的输出功率，通过母线电压误差放大信号和电阻阶梯网络电路实现分阵功率调节器的自动调节，即：太阳电池阵的 1到M级分阵功率调节器优先保证平台负载用电，误差放大器检测到BUS1 母线电压与锂离子蓄电池组电压相同，电阻阶梯网络电路自动调节分阵功率调节器停止向BUS1母线供电，顺序向BUS2母线充电。
为最大化利用太阳电池阵的能量，本发明采用了最大功率点跟踪技术 (MPPT)来控制M级为BUS1母线供电的分阵。1到M级分阵功率调节器可以工作在两种模式下：MPPT模式或者限功率模式，一般情况下，太阳电池阵的输出功率小于分阵功率调节器的最大功率，则分阵功率调节器工作在MPPT 模式下，MPPT模式下分阵功率调节器能适应太阳电池阵光照条件的大范围变化(太阳电池阵的温度变化范围大导致输出电压范围宽)，最大化利用太阳电池阵的功率；当太阳电池阵输出功率达到分阵功率调节器的最大功率限制点时，分阵功率调节器工作在限功率模式。
n级分阵功率调节器从高到底顺序设置MEA控制区间，只有M级分阵功率调节器属于MEA控制区间，控制区间高于MEA(1-M级)的分阵功率调节器工作于MPPT状态；控制区间低于MEA((M+1)到n级)信号的分阵功率调节器工作于为BUS2母线供电状态，根据电推负载需求来调节太阳电池阵的工作点。
满足BUS1母线的输出功率需求后，从(M+1)到n级的太阳电池阵通过 (M+1)到n级分阵功率调节器全部给母线BUS2供电，用以电推负载，根据太阳电池阵的I-V曲线特性，电推负载功率小于太阳电池分阵功率，此时分阵功率调节器的工作点位于最大功率点的右侧，为充分利用太阳电池分阵的传输功率，电推负载可逐渐向最大功率点靠近，即这些太阳电池分阵的工作点通过BUS2母线的电推负载来自动调节。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种深空探测飞行器电源系统，其特征在于：包括太阳电池阵、储能蓄电池组、电源控制设备；
太阳电池阵：太阳电池阵作为发电单元，在受到阳光照射时进行光能-电能转换，为负载提供需求，并为储能蓄电池组充电，负载分为平台负载和电推进负载，平台负载通过半调节BUS1母线为其供电，电推进负载通过不调节BUS2母线为其供电；
储能蓄电池组：储能蓄电池组为锂离子电池组，在光照期储存太阳电池阵供给的电能，在地影期释放电能为平台负载提供电能；
电源控制设备：调控太阳电池阵放电以及储能蓄电池组充放电；
太阳电池阵分为n个分阵，每个分阵连接到一个独立的分阵功率调节器，每个分阵功率调节器均具有两个接口，可为BUS1母线和BUS2母线供电，任一时刻一个分阵功率调节器只能为一条母线供电。在光照期，太阳电池阵的能量优先供给BUS1母线，分阵功率调节器从1到M级顺序接通为BUS1母线和储能蓄电池组供电，直到满足平台负载以及储能蓄电池组充电需求，然后从(M+1)到n级的分阵功率调节器将剩余的太阳电池阵能量全部供给母线BUS2，用以电推负载。
2.根据权利要求1所述的一种深空探测飞行器电源系统，其特征在于：n个分阵功率调节器根据负载需求顺序调节BUS1母线和BUS2母线之间的输出功率，通过母线电压误差放大信号和电阻阶梯网络电路实现分阵功率调节器的自动调节。
3.根据权利要求1所述的一种深空探测飞行器电源系统，其特征在于：1到M级的分阵功率调节器的输出功率大于太阳电池阵的输出功率，分阵功率调节器采用最大功率点跟踪模式。
4.根据权利要求1所述的一种深空探测飞行器电源系统，其特征在于：1到M级的分阵功率调节器输出功率达到最大功率限制点时采用限功率模式。
5.根据权利要求1所述的一种深空探测飞行器电源系统，其特征在于：BUS2母线连接电推负载，根据太阳电池阵的I-V曲线特性，太阳电池分阵的工作点通过BUS2母线的电推负载来自动调节。
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