CN110649693A - 一种空间高可靠性mppt不调节母线系统 - Google Patents

一种空间高可靠性mppt不调节母线系统 Download PDF

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Abstract

一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，属于空间电源技术领域。本发明包括太阳电池阵、两路转换开关、Super Buck电路模块、电容阵模块、锂离子蓄电池组、负载模块、信号控制模块。其中Super Buck电路模块采用独立的MPPT控制方式，来确保太阳电池阵工作在最大功率点。在高可靠性的设计上增加了一组备用的Super Buck电路模块。在检测到任意一路常用的Super Buck电路模块发生失效的时候，可以将太阳电池阵通过两路转换开关从失效的Super Buck电路模块切换至备用Super Buck电路模块，将失效的Super Buck电路模块完全隔离，从而保证了太阳电池阵的正常输出。这种直流母线系统设计结构简单稳定，工程实现容易，能够在保证太阳阵高利用率的同时还能保证系统的高可靠性运行。

Description

一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统
技术领域
本发明涉及一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，属于空间电源技术领域。
背景技术
在航天工业中，可靠性的工作开始于19世纪60年代，起源于型号工程，并随着型号工程的实践而发展。伴随着中国新一代航天事业的发展，航天产品的质量问题越来越受到重视，如何提高其可靠性是每个型号研制都需要考虑的重要问题。
空间电源系统作为航天系统的心脏，确保其安全、可靠地运行是必须的。在太空中，为了保持航天产品的长时间的运行，采用了太阳能发电。通过将太阳能转化为电能的方式为航天产品提供电能。为了提高太阳电池阵的能源利用率、减少了太阳阵面积和锂离子蓄电池的放电深度，在直流母线的功率调节设计上采用了最大功率跟踪方式(MPPT)。这种控制方式通过控制太阳阵的输出电压使其工作在最大功率点附近，使太阳阵在各种环境条件下及不同的寿命阶段都能输出最大功率。
目前，为了提高航天电源的直流母线系统的可靠性，通常采用一路太阳阵配备一路常用Super Buck电路模块和一路备用Super Buck电路模块。这提高了系统可靠性，但同时则增加了电源控制器的重量和体积。基于上述考虑设计了一组备用Super Buck电路模块和相应的逻辑控制来提高系统的可靠性。所提出的系统架构结构简单、控制系统稳定、易于工程实现，并且提高太阳电池阵的输出功率，减少太阳阵面积，减轻电源重量。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，采用了3选2的可靠性结构，结合MPPT控制方式综合利用率高和稳定性好的特点，有效的保证了航天直流母线的高可靠运行。
本发明的技术解决方案是：一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，包括太阳能电池阵、两路切换开关、Super Buck电路模块、电容阵模块、负载模块和信号控制模块；
太阳能电池阵，吸收太阳能产生系统所需的电能，一端与两路切换开关的静触头连接，另一端与电容阵模块、锂离子蓄电池组和负载模块连接，并通过Super Buck电路模块与电容阵模块、锂离子蓄电池组和负载模块的连接构成闭合回路；
Super Buck电路模块，包括MPPT控制电路；所述Super Buck电路模块的输入端连接两路切换开关的动触头，输出端与电容阵模块的一端连接，用于采集太阳能电池阵的电压和电流，通过MPPT控制电路的控制，使得太阳能电池阵在最大功率点进行输出，输出连接至输出正极；
电容阵模块，一端连接Super Buck电路模块的输出端，另一端连接太阳能电池阵，用于抑制直流母线的电压的扰动，减少直流母线电压的纹波；
负载模块，一端连接Super Buck电路模块的输出端，另一端连接太阳能电池阵，作为航天器上的用电设备；
信号控制模块，接收遥控信号和自检控制信号，对两路切换开关进行控制。
进一步地，所述的Super Buck电路模块还包括电压采样电路、电流采样电路、MPPT主电路和隔离二极管；所述MPPT主电路的一端作为输入端与两路切换开关连接，另一端连接隔离二极管的正极；隔离二极管的负极作为输出端与后续模块连接；所述电压采样电路和电流采样电路并联连接，并联后的一端与两路切换开关连接，另一端与MPPT控制电路串联后与MPPT主电路连接。
进一步地，所述电压采样电路用于采集太阳能电池阵的输出电压，并传送给MPPT控制电路；所述电流采样电路用于采集太阳能电池阵的输出电流，并传送给MPPT控制电路；所述MPPT控制电路用于接收电压采样电路和电流采样电路的太阳能电池阵的电压电流，解算后得到控制信号并传送给MPPT主电路；所述MPPT主电路用于接入太阳能电池阵的功率输出，接收来自MPPT控制电路的控制信号，输出连接至隔离二极管的阳极；所述隔离二极管用于连接MPPT主电路和直流母线，保证电流的单向传输。
进一步地，所述Super Buck电路模块包括两路Super Buck电路模块和一路备用Super Buck电路模块，所述两路切换开关有两个，两路Super Buck电路模块的输入端分别连接在两个两路切换开关上，所述备用Super Buck电路模块的输入端连接在两个两路切换开关上的未连接Super Buck电路模块的动触头上；当任意两路Super Buck电路模块其中一块发生失效的时候，将太阳电池阵通过两路转换开关从失效的Super Buck电路模块切换至备用Super Buck电路模块。
进一步地，还包括锂离子蓄电池组；所述锂离子蓄电池组的一端连接Super Buck电路模块的输出端，另一端连接太阳能电池阵，用于吸收或补偿直流母线的功率。
进一步地，所述自检控制信号由两路Super Buck电路模块的输出电压V1、V2和直流母线电压Vbus进行对比得到。
进一步地，所述由两路Super Buck电路模块的输出电压V1、V2和直流母线电压Vbus进行对比，具体的方法为：
S71，将两路Super Buck电路模块输出电压V1、V2分别与直流母线电压Vbus做差值，并取绝对值，得到A1和A2；
S72，将A1与第一阈值作对比，当大于第一阈值时，进行S73；否则进行S74；
S73，令两路切换开关K1的控制信号Q1为1；令两路切换开关K2的控制信号Q2为0；
S74，将A2与第一阈值作对比，当大于第一阈值时，进行S75；否则进行S76；
S75，令两路切换开关K1的控制信号Q1为0；令两路切换开关K2的控制信号Q2为1；
S76，令两路切换开关K1和K2的控制信号Q1和Q2都为0。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明在针对两路太阳阵的控制设计上采用了两路常用Super Buck电路模块和一路备用Super Buck电路模块结构方式，采用了3选2的可靠性结构，在保证母线系统高可靠性的同时能够有效降低电源控制器的重量。
(2)本发明在检测到任意一路常用的Super Buck电路模块发生失效的时候，通过人为遥控信号或软件自检控制信号，将太阳电池阵通过两路转换开关从失效的Super Buck电路模块切换至备用Super Buck电路模块，将失效的Super Buck电路模块完全隔离。
附图说明
图1为本发明电路示意图；
图2为本发明自检步骤流程图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行进一步说明。
一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，如图1所示，包括太阳能电池阵1、两路切换开关2、Super Buck电路模块3、电容阵模块4、负载模块6和信号控制模块7；太阳能电池阵1，吸收太阳能产生系统所需的电能，一端与两路切换开关2的静触头连接，另一端与电容阵模块4、锂离子蓄电池组5和负载模块6连接，并通过Super Buck电路模块3与电容阵模块4、锂离子蓄电池组5和负载模块6的连接构成闭合回路；Super Buck电路模块3，包括MPPT控制电路；所述Super Buck电路模块3的输入端连接两路切换开关2的动触头，输出端与电容阵模块4的一端连接，用于采集太阳能电池阵1的电压和电流，通过MPPT控制电路的控制，使得太阳能电池阵1在最大功率点进行输出，输出连接至输出正极；电容阵模块4，一端连接Super Buck电路模块3的输出端，另一端连接太阳能电池阵1，用于抑制直流母线的电压的扰动，减少直流母线电压的纹波；负载模块6，一端连接Super Buck电路模块3的输出端，另一端连接太阳能电池阵1，作为航天器上的用电设备；信号控制模块7，接收遥控信号和自检控制信号，对两路切换开关2进行控制。
优选的，还包括锂离子蓄电池组5；所述锂离子蓄电池组5的一端连接Super Buck电路模块3的输出端，另一端连接太阳能电池阵1，用于吸收或补偿直流母线的功率。当直流母线出现功率富余的时候，可以通过锂离子蓄电池组5的充电来吸收多余的能量，防止直流母线电压抬升；当直流母线出现功率缺失的时候，可以通过锂离子蓄电池组5的放电电来补偿直流母线缺失的能量，防止直流母线电压的跌落。
具体的，作为一个优选实施例，本发明包括了：两个太阳电池阵、两个两路转换开关、三个Super Buck电路模块3、一个电容阵模块4、一个锂离子蓄电池组5、一个负载模块6、一个信号控制模块7。其中，所述的太阳电池阵用来产生系统所需的能量；所述Super Buck电路模块3中包括了两个常用Super Buck电路和一个备用Super Buck电路，当两个常用Super Buck电路中的任意一个失效的时候，可以将失效电路切换至备用电路；所述的两路开关用来在常用Super Buck电路和备用Super Buck电路之间切换；所述的电容阵模块4用来抑制直流母线的电压的扰动，减少直流母线电压的纹波；所述的锂离子蓄电池组5用来吸收或补偿直流母线的功率，当直流母线出现功率缺失导致直流母线电压下降时，能够通过锂离子蓄电池组5的放电来补偿其缺失功率，当直流母线出现功率富余导致直流母线电压上升时，能够通过给锂离子蓄电池组5的充电来吸收直流母线的富余功率；所述的负载作为航天器上的用电设备，是能量流动的最终目的；所述的信号控制模块7包含人为的遥控信号和自检控制信号。
所述的Super Buck电路模块3还包括电压采样电路、电流采样电路、MPPT主电路和隔离二极管；所述MPPT主电路的一端作为输入端与两路切换开关2连接，另一端连接隔离二极管的正极；隔离二极管的负极作为输出端与后续模块连接；所述电压采样电路和电流采样电路并联连接，并联后的一端与两路切换开关2连接，另一端与MPPT控制电路串联后与MPPT主电路连接。所述电压采样电路用于采集太阳能电池阵1的输出电压，并传送给MPPT控制电路；所述电流采样电路用于采集太阳能电池阵1的输出电流，并传送给MPPT控制电路；所述MPPT控制电路用于接收电压采样电路和电流采样电路的太阳能电池阵1的电压电流，解算后得到控制信号并传送给MPPT主电路；所述MPPT主电路用于接入太阳能电池阵1的功率输出，接收来自MPPT控制电路的控制信号，输出连接至隔离二极管的阳极；所述隔离二极管用于连接MPPT主电路和直流母线，保证电流的单向传输。
优选的，在Super Buck电路模块3中，包含了太阳阵电压采样电路、太阳阵电流采样电路、Super Buck功率电路、MPPT控制模块和隔离二极管。所述的太阳阵电压采样电路采集了该支路的太阳电池阵输出电压信号，太阳阵电流采样电路采集了该支路的太阳电池阵输出电流信号，将采集的电压电流信号传输给MPPT控制器；所述的Super Buck功率电路用来对太阳电池阵电压进行降压处理，从而满足直流母线电压的电压指标；所属的MPPT控制模块通过所得到的电压电流信号，产生太阳电池阵的参考电压，经过PI控制后对SuperBuck功率电路的开关管进行控制，从而实现太阳电池阵最大功率跟踪功能；所述隔离二极管用来防止能量的回流，保证将失效的Super Buck电路模块3完全隔离。
其中，隔离二极管的作用为：当常用Super Buck电路模块3中的任意模块出现失效的时候，通过两路切换开关2中的转换开关K1或者K2切换至备用的Super Buck电路模块3，隔离二极管将失效的Super Buck电路模块3完全隔离，从而保证了直流母线系统的稳定运行。
所述Super Buck电路模块3包括两路Super Buck电路模块3和一路备用SuperBuck电路模块3，所述两路切换开关2有两个，两路Super Buck电路模块3的输入端分别连接在两个两路切换开关2上，所述备用Super Buck电路模块3的输入端连接在两个两路切换开关2上的未连接Super Buck电路模块3的动触头上；当任意两路Super Buck电路模块3其中一块发生失效的时候，将太阳电池阵通过两路转换开关从失效的Super Buck电路模块3切换至备用Super Buck电路模块3。
优选的，所述的空间高可靠性MPPT不调节母线系统结构采用了三个Super Buck电路模块3，每个Super Buck电路模块3的MPPT控制电路都是独立存在的。任意一路常用的Super Buck电路模块3发生失效的时候，太阳电池阵的输出功率只能达到其正常输出的功率的一半，这将极对负载的正常工作产生极大地影响。此时，可以将太阳电池阵通过两路转换开关从失效的Super Buck电路模块3切换至备用Super Buck电路模块3，从而保证了太阳电池阵的正常输出。即，当任意一路常用的Super Buck电路模块3发生失效的时候，可以将太阳电池阵通过两路转换开关从失效的Super Buck电路模块3切换至备用Super Buck电路模块3。
优选的，所述的两路切换开关2通过信号控制模块7进行控制。信号控制模块7包含了人为的遥控信号、软件自检控制和一个或门，可以根据需要人为地遥控切换Super Buck电路模块3，也可以通过软件对两路常用Super Buck电路模块3输出电压V1、V2和直流母线电压Vbus进行自检，判断是否发生故障状态并产生相应得控制信号。
如图2所示，本发明电路结构通过以下步骤来实现：
步骤1，将1中的两组太阳电池阵分别与2中的转换开关K1和K2的左侧静触头连接；
步骤2，将2中的转换开关K1和K2右侧动触头的常闭触头分别与3中的常用SuperBuck电路模块31和2连接；将2中的转换开关K1和K2右侧动触头的常开触头与3中的备用Super Buck电路模块33连接；
步骤3，3中的Super Buck电路模块3的输出正极作为直流母线的正端，3中的SuperBuck电路模块3的输出负极作为直流母线的负端；
步骤4，将4中的电容阵的两端接入直流母线的正负极；
步骤5，将5中的锂电池蓄电池的正负极分别接入直流母线的正负极；
步骤6，将6中的负载的两端接入直流母线的正负极。
步骤8，将7中的人为遥控信号和软件自检控制信号分别与或门的输入连接，或门的输出连接至两路切换开关K1和K2的控制端。
当常用Super Buck电路模块3中的任意模块出现失效的时候，通过2中的转换开关K1或者K2切换至备用的Super Buck电路模块3，Super Buck电路模块3的隔离二极管将失效的Super Buck电路模块3完全隔离，从而保证了直流母线系统的稳定运行。
所述自检控制信号由两路Super Buck电路模块3的输出电压V1、V2和直流母线电压Vbus进行对比得到。具体的方法为：
S71，将两路Super Buck电路模块3输出电压V1、V2分别与直流母线电压Vbus做差值，并取绝对值，得到A1和A2；
S72，将A1与第一阈值作对比，当大于第一阈值时，进行S73；否则进行S74；
S73，令两路切换开关K1的控制信号Q1为1；令两路切换开关K2的控制信号Q2为0；
S74，将A2与第一阈值作对比，当大于第一阈值时，进行S75；否则进行S76；
S75，令两路切换开关K1的控制信号Q1为0；令两路切换开关K2的控制信号Q2为1；
S76，令两路切换开关K1和K2的控制信号Q1和Q2都为0。
优选得，所述第一阈值为3.1。
将自检控制信号与人为遥控信号通过或门进行控制逻辑上的或，两者都可对两路切换开关K1和K2进行控制。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，其特征在于：包括太阳能电池阵(1)、两路切换开关(2)、Super Buck电路模块(3)、电容阵模块(4)、负载模块(6)和信号控制模块(7)；
太阳能电池阵(1)，吸收太阳能产生系统所需的电能，一端与两路切换开关(2)的静触头连接，另一端与电容阵模块(4)、锂离子蓄电池组(5)和负载模块(6)连接，并通过SuperBuck电路模块(3)与电容阵模块(4)、锂离子蓄电池组(5)和负载模块(6)的连接构成闭合回路；
Super Buck电路模块(3)，包括MPPT控制电路；所述Super Buck电路模块(3)的输入端连接两路切换开关(2)的动触头，输出端与电容阵模块(4)的一端连接，用于采集太阳能电池阵(1)的电压和电流，通过MPPT控制电路的控制，使得太阳能电池阵(1)在最大功率点进行输出，输出连接至输出正极；
电容阵模块(4)，一端连接Super Buck电路模块(3)的输出端，另一端连接太阳能电池阵(1)，用于抑制直流母线的电压的扰动，减少直流母线电压的纹波；
负载模块(6)，一端连接Super Buck电路模块(3)的输出端，另一端连接太阳能电池阵(1)，作为航天器上的用电设备；
信号控制模块(7)，接收遥控信号和自检控制信号，对两路切换开关(2)进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，其特征在于：所述的Super Buck电路模块(3)还包括电压采样电路、电流采样电路、MPPT主电路和隔离二极管；所述MPPT主电路的一端作为输入端与两路切换开关(2)连接，另一端连接隔离二极管的正极；隔离二极管的负极作为输出端与后续模块连接；所述电压采样电路和电流采样电路并联连接，并联后的一端与两路切换开关(2)连接，另一端与MPPT控制电路串联后与MPPT主电路连接。
3.根据权利要求2所述的一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，其特征在于：所述电压采样电路用于采集太阳能电池阵(1)的输出电压，并传送给MPPT控制电路；所述电流采样电路用于采集太阳能电池阵(1)的输出电流，并传送给MPPT控制电路；所述MPPT控制电路用于接收电压采样电路和电流采样电路的太阳能电池阵(1)的电压电流，解算后得到控制信号并传送给MPPT主电路；所述MPPT主电路用于接入太阳能电池阵(1)的功率输出，接收来自MPPT控制电路的控制信号，输出连接至隔离二极管的阳极；所述隔离二极管用于连接MPPT主电路和直流母线，保证电流的单向传输。
4.根据权利要求2所述的一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，其特征在于：所述Super Buck电路模块(3)包括两路Super Buck电路模块(3)和一路备用Super Buck电路模块(3)，所述两路切换开关(2)有两个，两路Super Buck电路模块(3)的输入端分别连接在两个两路切换开关(2)上，所述备用Super Buck电路模块(3)的输入端连接在两个两路切换开关(2)上的未连接Super Buck电路模块(3)的动触头上；当任意两路Super Buck电路模块(3)其中一块发生失效的时候，将太阳电池阵通过两路转换开关从失效的Super Buck电路模块(3)切换至备用Super Buck电路模块(3)。
5.根据权利要求1所述的一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，其特征在于：还包括锂离子蓄电池组(5)；所述锂离子蓄电池组(5)的一端连接Super Buck电路模块(3)的输出端，另一端连接太阳能电池阵(1)，用于吸收或补偿直流母线的功率。
6.根据权利要求1所述的一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，其特征在于：所述自检控制信号由两路Super Buck电路模块(3)的输出电压V1、V2和直流母线电压Vbus进行对比得到。
7.根据权利要求6所述的一种空间高可靠性MPPT不调节母线系统，其特征在于，所述由两路Super Buck电路模块(3)的输出电压V1、V2和直流母线电压Vbus进行对比，具体的方法为：
S71，将两路Super Buck电路模块(3)输出电压V1、V2分别与直流母线电压Vbus做差值，并取绝对值，得到A1和A2；
S72，将A1与第一阈值作对比，当大于第一阈值时，进行S73；否则进行S74；
S73，令两路切换开关K1的控制信号Q1为1；令两路切换开关K2的控制信号Q2为0；
S74，将A2与第一阈值作对比，当大于第一阈值时，进行S75；否则进行S76；
S75，令两路切换开关K1的控制信号Q1为0；令两路切换开关K2的控制信号Q2为1；
S76，令两路切换开关K1和K2的控制信号Q1和Q2都为0。
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