CN110148995A - 一种航天器可重构电源系统架构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种航天器可重构电源系统架构，包括太阳电池阵、蓄电池组、源级母线、功能开关模块、DC/DC变换器模块和负载母线。太阳电池阵和蓄电池组作为源级通过功能开关模块与分段式源级母线相连，源级母线通过DC/DC变换器模块与负载母线相连，实现能量变换。DC/DC变换器具备重构成MPPT模块、电池充电模块、电池放电模块和其他功能模块能力，通过功能开关模块和重构算法进行电源系统各种工作模式的切换，解决了传统航天器电源系统模块固定、功能不可变、系统庞大的缺陷，实现电源系统输出能力升级、能源扩展升级、故障重构和模块化设计。该架构简单灵活，可靠性高。

Description

一种航天器可重构电源系统架构
技术领域
本发明涉及航天器电源系统设计领域，特别是涉及具有模块化、可重构功能电源系统的架构与工作模式设计。
背景技术
对于常值功率与峰值功率相差较大的航天器系统，如携带电推进的探测器，正常工作状态与短时间加速过程功率需求不在同一等级。按照传统太阳能加蓄电池电源系统的设计方法，电路的功率等级要按照最大功率需求设计，造成系统庞大，利用率降低，成本较高，不利于提高比功率。
电源可重构技术能够在系统不同的功能需求下，将同一电路重构成不同功能，提高系统的利用率，使系统具有能源扩展和功率升级的能力。同时，具有可重构能力的电路能够互为备份，提高系统的可靠性。目前，国内外对于可重构电源系统拓扑的研究较少，国内可重构电源系统在航天上的应用还处于空白阶段。
发明内容
本发明提出了一种航天器可重构电源系统架构，具体提出了多级分段式母线结构的电源系统架构，用于航天器电源系统模块化设计，提高功率输出能力和可靠性。
为实现上述目的与其他相关目的，本发明提供一种航天器可重构电源系统架构，包括太阳能电池阵、蓄电池组、源级母线、功能开关模块、DC/DC变换器模块和负载母线；
太阳电池阵模块分别通过隔离二极管与源级母线相连，为系统提供能源输出；蓄电池组通过功能开关模块中的继电器与源级母线相连，在不同的需求下，为系统提供能源输出和能量存储；分段式源级母线分别通过功能开关模块中的继电器与源级母线相连；源级母线与负载母线之间通过功率变换器模块相连，功率变换器模块由DC/DC变换器组成，变换器两端连接源级母线和负载母线，变换器两端连接源级母线和负载母线，变换器两端连接源级母线和负载母线；通过功能开关模块和变换器重构技术实现系统不同工作模式间的切换。
所述架构中，太阳电池阵与蓄电池组本质上都是为负载提供能源，只是提供能源的方式与条件不同，因此，从整个电源系统的功能属性角度看，可以将二者统一当做源级看待。母线是电源系统中电能交换的媒介，根据其功能属性分为源级母线与负载母线。源级通过功能开关模块接入多段式源级母线(其分段数量可根据系统功率等级、太阳能电池阵和蓄电池模块数量等进行设计，本发明中以分三段为例)，各段源级母线通过功能开关模块相连，负载母线与负载相连。DC/DC变换模块连接源级母线与负载母线，是电源系统中电能变换的主要模块，可由多个高效率DC/DC变换器组成(其数量可根据系统的功率等级、器件等级、系统可靠性和扩展规划等进行设计，本发明中以分三个为例)。每个DC/DC变换器在硬件上都具有重构成MPPT模块、电池充电模块和电池放电模块的能力，在不同的时间段，根据系统不同的需求，对DC/DC变换器进行重构，满足不同的电能变换需求。
相较于传统的航天器电源系统结构，可重构电源系统架构结构灵活，具备能源扩展和输出功率升级能力，可靠性高，能够提高航天器电源系统的比功率，适用于电推进式航天器、深空探测器、模块化电源系统和带能源并网功能的空间站与月球基地的电源系统结构设计，也可作为模块化电源系统架构。
附图说明
图1是本发明提出的一种航天器可重构电源系统结构示意图；
图2是本发明所采用的DC/DC变换器电路图；
具体实施方式
以下通过特定的实例说明本发明的具体实施方式，本技术领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施和应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同的应用场合和需求，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰和改变。
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
请参阅图1，本发明提出一种航天器可重构电源系统架构，具体包括太阳电池阵模块1-1、2-1，分别通过隔离二极管1-2、2-2与源级母线5-1、5-2相连，为系统提供能源输出(太阳电池阵的数量可根据系统功率等级、太阳电池阵类型、形状结构、控制方式等需求进行设计)；蓄电池组3通过功能开关模块中的继电器4-3与源级母线5-3相连，在不同的需求下，为系统提供能源输出和能量存储；分段式源级母线5-1、5-2分别通过功能开关模块中的继电器4-1、4-2与源级母线5-3相连，通过控制功能开关模块中继电器来实现源级母线之间的连通(其分段数量可根据系统功率等级、太阳能电池阵和蓄电池模块数量等进行设计，本发明中以分三段为例)；各负载与负载母线7相连，负载母线采取不分段的方式(也可以根据需求进行分段，采取源级母线的分段方式，通过功能开关模块进行相连)；源级母线与负载母线之间通过功率变换器模块相连；功率变换器模块由6-1、6-2、6-3三个DC/DC变换器组成(其数量可根据系统的功率等级、器件等级、系统可靠性和扩展规划等进行设计，本发明中以分三个为例)，每个DC/DC变换器在硬件上都具有可重构能力，根据系统不同的需求重构成MPPT模块、电池充电模块和电池放电模块等。
参阅图2，本发明所选用的通用DC/DC变换器模块中主拓扑为四开关Buck-Boost(也称为级联型Buck-Boost)，包括开关桥臂1、开关桥臂2，分别由功率MOSFET 8-1、8-2和9-1、9-2组成，桥臂之间开关管互补导通，桥臂1中MOSFET 8-1为主控开关管，占空比为D1,桥臂2中MOSFET 9-2为主控开关管，占空比为D2；一个电感10；输入电容11；输出电容12。本变换器的输入输出电压关系如式(1)所示。
通过控制两桥臂的占空比D1、D2即可控制变换器的升降压关系，实现升降压MPPT、电池放电功能。用MOSFET 8-2、MOSFET 9-1替代原拓扑的续流二极管，将MOSFET 8-2、MOSFET 9-1当作主控开关管，相同的控制模式下能够实现能量反向流动，可以当作电池充电模块。本发明所选用的四开关Buck-Boost变换器具备在硬件上重构成MPPT模块、电池充电模块和电池放电模块的能力。
本发明所提出的一种航天器可重构电源系统架构，其具体工作模式可设计为以下几种：
1.正常工作模式
正常工作模式下，继电器4-1关断，太阳电池阵1-1通过隔离二极管1-2、变换器6-1向负载供电，变换器6-1工作在MPPT模式；继电器4-2关断，太阳电池阵2-1通过隔离二极管2-2、变换器6-2向负载供电，变换器6-2工作在MPPT模式；继电器4-3导通，蓄电池组通过继电器4-3、变换器6-3与负载母线相连，根据系统功率需求，变换器6-3工作在充电模式或放电模式。
2.功率输出升级模式
短时间内负载功率需求增加较大时，若太阳电池阵所提供的功率占比较小或航天器处于阴影面时，继电器4-1、4-2导通，蓄电池组通过变换器6-1、6-2、6-3向负载供电，变换器6-1、6-2、6-3工作在放电模式，实现最大输出功率升级三倍(具体升级倍数可根据变换器额定功率等级、DC/DC变换器模块中变换器数量、系统功率需求等进行设计)，太阳电池阵被隔离二极管隔离不输出功率或输出电压被钳位在电池电压进行非MPP功率输出。
3.DC/DC变换器拓扑故障模式
若变换器6-1故障，在有需求的情况下，继电器4-1导通，继电器4-3关断，太阳电池阵通过隔离二极管1-2、变换器6-3向负载供电，变换器6-3工作在MPPT模式；在蓄电池组3需要执行充放电功能时，继电器4-3导通，变换器6-3工作在充放电模式，太阳电池阵1-1工作在非MPP状态，通过隔离二极管1-2、继电器4-1与蓄电池组相连，输出电压被钳位在电池输出电压，向蓄电池组充电或通过变换器6-3向负载供电；同理，变换器6-2故障时采取类似的处理方法。
若变换器6-3故障，在有需求的情况下，继电器4-1导通，蓄电池组通过变换器6-1进行充放电，变换器6-1工作在充电或放电模式，太阳电池阵1-1处于被蓄电池钳位输出的状态。同理，也可以将继电器4-2导通，通过变换器6-2实现相同的功能。
故障修复只需将故障的变换器模块替换或在源级母线与负载母线之间增加冗余备份变换器。
4.太阳电池阵故障模式
若太阳电池阵1-1故障，隔离二极管1-2实现太阳电池阵与系统故障隔离功能；在有需求的情况下，继电器4-1导通，蓄电池组通过变换器6-1进行充放电，能够增加蓄电池组的充放电功率等级。同理，太阳电池阵2-1故障时可采取类似的处理方法。
5.能源并网与扩展模式
对于大型航天器电源系统，如空间站、月球基地等，在接受外来飞行器电源系统并网时，在统一的电路模块与接口标准的条件下，只需将来往飞行器的源级母线和负载母线分别与空间站的源级母线和负载母线相连即可实现来访飞行器与空间站能源并网。
综上所述，本发明提出的一种航天器可重构电源系统架构，相较于传统航天器全调节母线电源系统架构，具有如下优势：
1.结构灵活简单；
2.具有输出功率升级能力；
3.变换器间互为冗余，抗故障能力强，系统可靠性高；
4.变换器利用率高，无源元件少，比功率高；
5.系统能量变换效率高。
唯上所述，此电源系统架构能够克服传统电源系统架构的缺点，可用于未来电推进式航天器、深空探测器、模块化电源系统和带能源并网功能的空间站与月球基地的电源系统结构设计，也可作为模块化电源系统架构。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：包括太阳能电池阵、蓄电池组、源级母线、功能开关模块、DC/DC变换器模块和负载母线；
太阳电池阵模块分别通过隔离二极管与源级母线相连，为系统提供能源输出；蓄电池组通过功能开关模块中的继电器与源级母线相连，在不同的需求下，为系统提供能源输出和能量存储；分段式源级母线分别通过功能开关模块中的继电器与源级母线相连；源级母线与负载母线之间通过功率变换器模块相连，功率变换器模块由DC/DC变换器组成，变换器两端连接源级母线和负载母线，变换器两端连接源级母线和负载母线，变换器两端连接源级母线和负载母线；通过功能开关模块和变换器重构技术实现系统不同工作模式间的切换。
2.根据权利要求1所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述母线结构采用分级式母线结构，将太阳电池阵、蓄电池组都视为源级，接入源级母线；负载统一接入负载母线。
3.根据权利要求1所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述源级母线、负载母线，采用分段式结构，每段母线通过功能开关模块中继电器相连；具体分段数量可根据系统功率等级、太阳能电池阵和蓄电池模块数量进行设计。
4.根据权利要求1所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述DC/DC变换器模块由三个DC/DC变换器组成，其数量可根据系统的功率等级、器件等级、系统可靠性和扩展规划等进行设计。
5.根据权利要求4所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述DC/DC变换器采用升降压、能量双向流动的四开关Buck-Boost变换器，通过控制两桥臂开关占空比实现升降压比率，通过选择不同主开关管实现能量双向流动，具备可重构成MPPT模块、电池充电模块、电池放电模块和其他功能模块的能力。
6.根据权利要求1所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述工作模式间的切换，包括：正常工作模式、功率输出升级模式、DC/DC变换器故障模式、太阳电池阵故障模式、能源并网与扩展模式。
7.根据权利要求6所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述正常工作模式：继电器关断，太阳电池阵通过隔离二极管、变换器向负载供电，变换器工作在MPPT模式；继电器关断，太阳电池阵通过隔离二极管、变换器向负载供电，变换器工作在MPPT模式；继电器导通，蓄电池组通过继电器、变换器与负载母线相连，根据系统功率需求，变换器工作在充电模式或放电模式。
8.根据权利要求6所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述功率输出升级模式，其特征在于：继电器导通，蓄电池组通过变换器向负载供电，变换器工作在放电模式，实现最大输出功率升级三倍，太阳电池阵被隔离二极管隔离不输出功率或输出电压被钳位在电池电压进行非MPP功率输出。
9.根据权利要求6所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述DC/DC变换器故障模式，若变换器故障，在有需求的情况下，继电器(4-1)导通，继电器(4-3)关断，太阳电池阵通过隔离二极管、变换器(6-3)向负载供电，变换器(6-3)工作在MPPT模式；在蓄电池组需要执行充放电功能时，继电器(4-3)导通，变换器(6-3)工作在充放电模式，太阳电池阵工作在非MPP状态，通过隔离二极管、继电器(4-1)与蓄电池组相连，输出电压被钳位在电池输出电压，向蓄电池组充电或通过变换器6-3向负载供电；同理，变换器(6-2)故障时采取类似的处理方法；若变换器(6-3)故障，在有需求的情况下，继电器(4-1)导通，蓄电池组通过变换器(6-1)进行充放电，变换器(6-1)工作在充电或放电模式，太阳电池阵处于被蓄电池钳位输出的状态。同理，也可以将继电器(4-2)导通，通过变换器(6-2)实现相同的功能。
10.根据权利要求6所述的一种航天器可重构电源系统架构，其特征在于：所述太阳电池阵故障模式，若太阳电池阵故障，隔离二极管实现太阳电池阵与系统故障隔离功能；在有需求的情况下，继电器导通，蓄电池组通过变换器进行充放电，能够增加蓄电池组的充放电功率等级。同理，太阳电池阵故障时可采取类似的处理方法；所述能源并网与扩展模式，在接受外来飞行器电源系统并网时，在统一的电路模块与接口标准的条件下，只需将来往飞行器的源级母线和负载母线分别与空间站的源级母线和负载母线相连即可实现来访飞行器与空间站能源并网。
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