CN110932349B - 一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统 - Google Patents

Abstract

一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，属于火箭供配电技术领域，采用复合母线全调节技术适用于对母线电压稳定度要求较高的电源系统，其优势在于不受蓄电池电压变化影响，供电出口电压稳定，负载稳定性好，尤其适合集中供电体制，可实现箭上供电的自主充放电管理，结合无线能量传输地面供电接口，集中体现智慧火箭的设计思想。

Description

一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统

技术领域

本发明涉及一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，即一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，属于火箭供配电技术领域。

背景技术

传统运载火箭电源多为分布式供电，主要采用多块电池为运载火箭各系统仪器设备提供一次直流电源，包括火箭控制、利用、安全、遥测故检系统提供电能。火箭电池主要以锌银电池为主。该方案虽有利于故障隔离和排查，具有可靠性高和技术成熟等优点，也同时兼有地面测试无法长时间使用电池导致对电源测试覆盖不全面，电池种类、数量过多且上下箭操作繁杂等弊端。

随着航天技术尤其是空间电源的快速发展，新型运载航天器对电源系统功率输出能力的要求越来越高，复杂的地面测试和“零窗口”的发射要求均对运载航天器电源系统提出挑战，传统的一次性电池及分布式供电方式已无法满足新需求。从负载类型上可以看出，运载火箭对常值负载、高压大功率负载及电流脉冲型负载的兼容性提出了越来越严格的要求。高压大功率、脉冲特性严重影响了箭上母线电压的稳定度和系统的可靠性，给电源系统的设计带来了很大的挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，采用复合母线全调节技术适用于对母线电压稳定度要求较高的电源系统，其优势在于不受蓄电池电压变化影响，供电出口电压稳定，负载稳定性好，尤其适合集中供电体制，可实现箭上供电的自主充放电管理，结合无线能量传输地面供电接口，集中体现智慧火箭的设计思想。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，包括能源管理设备、功率变换设备、高压配电器；

所述能源管理设备能够接收外部供电，并向功率变换设备和平台负载供电；所述功率变换设备用于向动力负载和高压配电器供电；所述高压配电器用于向大功率负载供电；

所述能源管理设备、功率变换设备、高压配电器共用母线，且所述能源管理设备、功率变换设备均采用28V母线调节；所述高压配电器采用270V不调节母线。

优选的，所述能源管理设备包括充放电功率变换器、中心控制模块、运载平台蓄电池组；

所述外部供电通过28V母线向充放电功率变换器供电；所述充放电功率变换器用于向运载平台蓄电池组和功率变换设备供电，运载平台蓄电池组通过充放电功率变换器向平台负载供电；所述中心控制模块用于接收外部的有线遥控指令，并根据有线遥控指令控制充放电功率变换器的充放电，同时监测充放电功率变换器的工作状态并向外部发送有线遥测数据。

优选的，所述功率变换设备包括高压充电模块、高压蓄电池组、降压功率变换器、高压电池通讯采集模块；

所述能源管理设备经高压充电模块向高压蓄电池组充电；所述高压蓄电池组通过降压功率变换器采用28V母线向动力负载供电，同时高压蓄电池组通过270V不调节母线向高压配电器供电；所述高压电池通讯采集模块采集所述高压蓄电池组的工作状态，同时用于接收外部有线遥控指令，并向外部发送有线遥测数据。

优选的，所述高压配电器采用驱动控制电路实现，所述驱动控制电路用于向大功率负载供电，同时接收外部遥控指令并发送遥测数据。

优选的，所述充放电功率变换器根据有线遥控指令控制充放电包括四种工作模式，分别为外部供电模式、运载平台蓄电池组充电模式、运载平台蓄电池组供电模式、充放电功率变换器关闭模式。

优选的，所述中心控制模块在运载火箭起飞前，接收外部有线遥控指令，并根据有线遥控指令控制充放电功率变换器仅保持放电状态且不响应其他指令。

优选的，所述高压配电器内的继电器选用固态继电器。

优选的，所述驱动控制电路利用锁存器接收脉冲指令保持状态锁定。

优选的，所述基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统能够接收外部恒压源供电模式或恒功率源供电模式。

优选的，所述运载平台蓄电池组采用28V锂离子蓄电池组。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明提出的基于无线供电的箭上能源高效拓扑结构，通过对复合母线管理、高压大功率、低压大电流两种电源控制设备在箭上的应用设计，以高压电池的低压变换去节省了动力电池及配套充放电控制电路，显著提升了功率质量比，同时，动力母线的变换电路中采用的多模块并联冗余方式保证了关键变换电路的可靠性。实现了运载火箭以箭地无线接口+箭上自适应能源管理+高低压复合母线为基本架构的能源架构，形成了运载火箭需求的母线架构和能源供给方案，为智慧火箭能源架构打下基础。

附图说明

图1为复合型多母线能源管理系统架构图；

图2为BUCK充电主电路；

图3为PI调节及SG15125A应用电路图；

图4为Weinberg功率变换器主电路；

图5为高压复合母线能源管理系统控制调节框图；

图6为MEA电路图；

图7为能源管理设备MEA控制图；

图8能源管理设备分域调节系统框图；

图9为并联输入串联输出全桥变换器及其控制电路示意图；

图10为270V高压配电保护电路原理。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明提出一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑结构，主要功能是实现运载火箭地面测试及飞行任务过程中的高低压供配电需求，能够适应地面测试期间多种工作模式下的无线能量传输供电和多组蓄电池的自主充放电管理功能。

一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，包括能源管理设备、功率变换设备、高压配电器；如图1所示。

所述能源管理设备能够接收外部供电，并向功率变换设备和平台负载供电；所述功率变换设备用于向动力负载和高压配电器供电；所述高压配电器用于向大功率负载供电；

所述能源管理设备、功率变换设备、高压配电器共用母线，且所述能源管理设备、功率变换设备均采用28V母线调节；所述高压配电器采用270V不调节母线。

所述能源管理设备包括充放电功率变换器、中心控制模块(CPC，Central PowerControl)、运载平台蓄电池组；所述充放电功率变换器包括充电控制模块(BCC，BatteryCharge Control)、放电控制模块(BDC，Battery Discharge Control)；所述外部供电通过28V母线向充放电功率变换器供电；所述充放电功率变换器用于向运载平台蓄电池组和功率变换设备供电，运载平台蓄电池组通过充放电功率变换器向平台负载供电；所述中心控制模块用于接收外部的有线遥控指令，并根据有线遥控指令控制充放电功率变换器的充放电，同时监测充放电功率变换器的工作状态并向外部发送有线遥测数据。

所述功率变换设备包括高压充电模块、高压蓄电池组、降压功率变换器、高压电池通讯采集模块；所述能源管理设备经高压充电模块向高压蓄电池组充电；所述高压蓄电池组通过降压功率变换器采用28V母线向动力负载供电，同时高压蓄电池组通过270V不调节母线向高压配电器供电；所述高压电池通讯采集模块采集所述高压蓄电池组的工作状态，同时用于接收外部有线遥控指令，并向外部发送有线遥测数据。

所述高压配电器采用驱动控制电路实现，所述驱动控制电路用于向大功率负载供电，同时接收外部遥控指令并发送遥测数据。

所述充放电功率变换器根据有线遥控指令控制充放电包括四种工作模式，分别为外部供电模式、运载平台蓄电池组充电模式、运载平台蓄电池组供电模式、充放电功率变换器关闭模式。

所述中心控制模块在运载火箭起飞前，接收外部有线遥控指令，并根据有线遥控指令控制充放电功率变换器仅保持放电状态且不响应其他指令。

能源管理设备、功率变换设备、高压配电器的具体技术方案为：

1、能源管理设备设计

能源管理设备采用了地面无线供电配合蓄电池组联合供电、全调节母线的拓扑结构，其地面无线供电为恒压源供电和恒功率源两种模式，储能装置为28V锂离子蓄电池组。能源管理设备对母线进行调节控制，同时在地面测试阶段对锂离子蓄电池进行充放电管理，兼有对高压蓄电池的充电接口，保证为仪器母线可靠供电和蓄电池的安全维护。

能源管理设备主要功能包括放电调节，以及满足仪器母线负载功率情况下按照能源管理方式，其策略是对多余功率进行28V蓄电池充电调节、270V高压蓄电池充电控制、遥测/遥控进行智能管理、完成一次电源系统的控制，保证一次电源系统仪器母线的供电稳定。

本发明BDC模块选择双电感BUCK电路拓扑作为主功率电路，通过脉宽调制技术完成电流的调节。主要设计目标是高效率、轻重量。主电路原理图如图2所示.电路由功率器件构成，用于降低蓄电池输出电压并对输出电流进行控制。BUCK功率单元的滤波组件由滤波电感L1、滤波电感L2、输入滤波电容C1、输出滤波电容C2及功率管构成。

由电流环路、驱动电路等构成，充电调节电路在外部基准的控制下对输入端电流进行调节，采用脉宽调制方法(PWM)。当能源管理设备工作在放电域时，外部基准为母线误差放大信号(MEA信号)。电流反馈信号与电流设定基准信号比较放大后，与固定频率的锯齿波信号进一步比较，形成一定占空比例的方波信号，方波信号再经过驱动电路形成功率MOSFET导通与断开的控制电平。如此电路形成电流负反馈的控制环路，并通过对方波信号占空比的调节来调整电流的大小，最终达到稳态，形成与负载需求相对应的放电电流。放电调节电路内部的PWM芯片采用SG1525A，其内部主要由运算放大器、振荡电路、电子基准、软启动电路和驱动电路等几部分组成。在放电调节电路的设计上，SG1525A内部的运算放大器设计为电压跟随器，振荡电路的工作频率50KHZ。当执行放电调节电路加电指令后，辅助电源电压高于9V时SG1525开始工作。为了限制启动电流，电路利用了SG1525的软启动功能，如图3所示。

驱动电路设计是整个设计过程中重要的一环。虽然MOS管是一种电压控制的晶体管，具有驱动功率小的特点，但是随着MOS管工作频率的提高，为了减小损耗，就必须加快其通断速度，这样就要求MOS管的驱动电路有相当高的瞬时电流输出能力。目前，针对MOS管的高频应用，已经设计出很多专用的MOS管驱动电路。这些专用电路具有驱动大的容性负载能力,可以保证MOS管的栅源具有电压陡峭的上升、下降沿。MOS管位于电路的高端，对于N沟道MOS管的驱动采用了变压器隔离的方式。

BCC模块选择Weinberg电路拓扑作为主功率电路，主电路原理图如图4所示。电路由电流控制环路、隔离驱动电路和电感电容等功率器件等构成，用于提升仪器母线输出电压并对输出电流进行控制。用电感电容带阻尼滤波电路，保证输入电流连续并限制电池放电纹波电流并且提升变换器控制稳定性。为控制与保护电路提供低压供电电源。

为避免地面测试阶段内部电路或元器件失效引发蓄电池组过充，使用蓄电池组电压电阻分压值经过比较器与基准值比较，若超过给定电压则通过二极管与门电路关断保护开关管，实现过充保护。

高压复合母线能源管理系统在地面测试及飞行任务期间，MEA电路统一控制地面无线能量恒压供电和蓄电池的充放电，保证母线电压稳定在28V±1V。电路包括误差放大电路和信号表决电路构成。母线误差信号指的是母线电压和基准电压的差值，误差信号通过电路进行校正补偿后，作为恒压、充电、放电的控制信号。MEA增益与能源管理设备的输出阻抗存在固定的对应的关系，能源管理设备的系统控制调节框图见5所示。

图5中各个参数的含义如下：

K为母线电压采样系数

Vref为基准电压

A(s)为误差放大器增益

G(s)为各工作域传递函数

输出阻抗需要满足下图要求。

根据图5可知，系统的输出阻抗计算如下：

根据工程经验，能源管理设备的输出阻抗按如下工程公式计算：

根据公式1、公式2可以得出如下公式:

为了保证母线电压精度，主误差放大器校正补偿网络采用比例积分方式，使整个调节系统具有很高的低频增益，原理图如下所示：

根据图6，MEA传递函数如下：

公式4中

1/τ₁……………………………VMEA的零点角频率

A……………………………VMEA的通频增益

MEA控制电路首先保证负载用电，若地面无线供电功率不够，蓄电池组通过放电模块BDR放电补充供电不足，当功率富裕则首先满足低压蓄电池充电，当功率不仅满足低压蓄电池恒流充电还有富裕，则对高压蓄电池充电，若能量超过高压蓄电池恒流充电功率则由地面供电进行恒压调节，三域控制区间见图7。

根据测试状态下外部供电功率和负载功率的大小，为实现能量平衡，能源管理的工作模式有四种，如图7所示，其中PWPT为供电功率，Pload为箭上电气负载设备功率，PBL为平台蓄电池组恒流充电功率，PBH为高压蓄电池组恒流充电功率。

工作模式一(外部恒压域)

当外部供电可以同时满足负载和恒流充电(高压和平台蓄电池组)功率需求时(外部供电功率富裕)，PWPT-Pload>PBL+PBH，复合母线能源管理系统工作在调压模式，主误差放大器(MEA)作为电压反馈信号通过通讯接口发出到地面通信收发机，对地面发射功率进行调节，从而调节箭上供电功率，控制母线电压稳定，减少功率损耗。当MEA值到达外部恒压域上限时，说明此时外部供电过剩，为防止平台母线过压，能源管理设备向地面功率源发送断电指令。

工作模式二(平台蓄电池充电调压域)

当外部供电满足负载功率需求尚不够平台蓄电池恒流充电时，0<PWPT-Pload<PBL，平台蓄电池充电模块(BCC)工作在充电调压模式，调节并稳定母线电压。

工作模式三(放电域)

当负载增大至外部供电不能满足负载功率需求或地面供电功率无输出时，PWPT-Pload<0，MEA信号控制放电控制模块(BDC)输出蓄电池功率，调节并稳定母线电压。

其他工作模式(平台蓄电池或高压蓄电池充满或充电模块被关闭时)

当平台蓄电池或高压蓄电池充满或对应充电模块被关闭时，对应的充电调压域等同于死区，MEA将无法稳定于相应充电调压域，复合母线能源管理系统只能工作在其他域中。

主误差放大是实现全调节母线控制，母线电压和母线误差放大信号是一一对应的，母线误差放大信号的一定范围对应着母线电压的相应范围。随时间变化，由于负载要求不同或外部输入功率不同，能源管理设备将切换相应的工作模式。各段曲线详细叙述如下：

0～A阶段：工作在BDC限流模式。

A～B阶段：工作在BDC域。

B～C阶段：外部供电正好满足负载功率需求(死区)。

C～D阶段：工作在BCC域。

D～E阶段：外部供电正好满足负载和平台蓄电池恒流充电要求(死区)。

E～F阶段：工作在PTC域。

F～G阶段：外部供电正好满足负载、平台蓄电池恒流充电和高压蓄电池恒流充电要求(死区)。

G～阶段：工作在外部恒压(EXC)域，由地面功率源通过调节输出功率实现平台母线恒压。

由图8可知，高压充电等效于仪器母线的可控负载，通过充电策略结合负载情况进行判断，设置合适的充电电流，在任意域内均可实现，最大程度利用外部同时节省充电时间，进一步增强地面测试过程中的充电管理灵活性。

综上，MEA反映了外部供电功率和负载需求功率之间的关系，根据MEA高低划分了三域之间的界限。域和域之间有一定的死区，当功率输出与需求平衡时所对应的MEA正好处在域和域之间的切换点时，可以防止域和域之间的来回切换，从而避免了域和域之间来回切换带来的母线波动。

2、功率变换设备设计

功率变换设备为适应常值高压大功率负载和强电流脉冲功率负载的用电需求，除仪器母线外还采用了270V高压母线，和由其降压变换的28V动力母线以应对不同类型的负载。这两条母线具有独立的蓄电池作为飞行任务过程中的储能，同时高压蓄电池的能量也可依靠并网充电变换器从仪器母线补充，而高压蓄电池的放电控制一方面包含270V母线不调节直接放电，一方面通过降压变换模块为28V动力母线供能。

本发明采用了全桥软开关隔离变换技术进行升压充电，提出了新型的高效率高可靠噪声隔离型大功率变换器，以实现高低压母线间的功率变换。

通过对传统隔离型功率变换电路进行分析，考虑到该电路升压比较高，全桥隔离型功率变换电路更易于实现高效软开关的特点，选用该拓扑电路作为并网变换器如图9所示。

3、高压配电器设计

高压配电器是以将高压270V母线进行三路配电为设计目标，采用固态功率控制器技术，兼有监测遥测状态、对配电电流遥测数据进行传输功能。

配电驱动控制电路采用比较器组合的锁存器接受脉冲指令进而保持状态锁定，最终通过控制电源模块的禁止端来控制电源模块的工作和禁止，电源模块采用的常用28V转15VDCDC模块电源，输出端接MOS管栅源极，从而控制MOS管的开通和关断。

由于高压配电器采用固态继电器配电技术，考虑其配电安全性，避免输出端口漏电流积累形成高压，设计了漏流泄放电阻，避免电子开关关断状态下的漏电流在输出口形成高压。

为应对容性负载上电形成的浪涌则设计了预充电电路，而对于感性负载关断产生的浪涌，可以根据负载特性将续流浪涌抑制电路加于负载供电输入口，其原理图如图10所示。

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。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，其特征在于，包括能源管理设备、功率变换设备、高压配电器；

所述能源管理设备能够接收外部供电，并向功率变换设备和平台负载供电；所述功率变换设备用于向动力负载和高压配电器供电；所述高压配电器用于向大功率负载供电；

所述能源管理设备、功率变换设备、高压配电器共用母线，且所述能源管理设备、功率变换设备均采用28V母线调节；所述高压配电器采用270V不调节母线；

所述高压配电器采用驱动控制电路实现，所述驱动控制电路用于向大功率负载供电，同时接收外部遥控指令并发送遥测数据；

所述能源管理设备包括充放电功率变换器、中心控制模块、运载平台蓄电池组；

所述外部供电通过28V母线向充放电功率变换器供电；所述充放电功率变换器用于向运载平台蓄电池组和功率变换设备供电，运载平台蓄电池组通过充放电功率变换器向平台负载供电；所述中心控制模块用于接收外部的有线遥控指令，并根据有线遥控指令控制充放电功率变换器的充放电，同时监测充放电功率变换器的工作状态并向外部发送有线遥测数据；

所述充放电功率变换器根据有线遥控指令控制充放电包括四种工作模式，分别为外部供电模式、运载平台蓄电池组充电模式、运载平台蓄电池组供电模式、充放电功率变换器关闭模式；

所述功率变换设备包括高压充电模块、高压蓄电池组、降压功率变换器、高压电池通讯采集模块；

所述能源管理设备经高压充电模块向高压蓄电池组充电；所述高压蓄电池组通过降压功率变换器采用28V母线向动力负载供电，同时高压蓄电池组通过270V不调节母线向高压配电器供电；所述高压电池通讯采集模块采集所述高压蓄电池组的工作状态，同时用于接收外部有线遥控指令，并向外部发送有线遥测数据；

所述中心控制模块在运载火箭起飞前，接收外部有线遥控指令，并根据有线遥控指令控制充放电功率变换器仅保持放电状态且不响应其他指令；

所述驱动控制电路利用锁存器接收脉冲指令保持状态锁定；

所述基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统能够接收外部恒压源供电模式或恒功率源供电模式。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，其特征在于，所述高压配电器内的继电器选用固态继电器。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线供电的箭上能源高效拓扑系统，其特征在于，所述运载平台蓄电池组采用28V锂离子蓄电池组。

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