CN111030181A - 智能功率积木及基于智能功率积木的分布式空间电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能功率积木及基于智能功率积木的分布式空间电源系统，属于电源系统领域。本发明智能功率积木包括标准功率变换电路和断路开关，所述标准功率变换电路的一端电性连接供电装置，另一端电性连接功率总线，断路开关控制标准功率变换电路与功率总线之间的通断，所述智能功率积木还包括驱动单元和智能控制单元，所述驱动单元输入端与智能控制单元输出端相连，所述驱动单元输出端分别与标准功率变换单元输入端和断路开关输入端相连，所述标准功率变换单元输出端与采样单元输入端相连，所述采样单元输出端与智能控制单元输入端相连，所述智能控制单元还与通信总线相连。本发明实现了航天器中多个发电单元、储能单元、多个载荷之间的融合。

Description

智能功率积木及基于智能功率积木的分布式空间电源系统

技术领域

本发明涉及一种电源系统，尤其涉及一种智能功率积木及基于所述智能功率积木的分布式空间电源系统。

背景技术

空间电源采用集中式控制，模块化设计，主要有以下几种发展方式：

(1)基于S3R技术的全调节母线架构

S3R架构由于它简单、可靠和高效率等特点，广泛应用于电源控制器研制中。该直流电源系统由分流控制器SR、蓄电池充电控制器BCR及蓄电池放电控制器BDR组成，三者由主误差放大器MEA共同控制。S3R功率调节技术主要通过误差运放区间对母线进行调节与控制，分别对分流调节单元、充电单元及放电单元进行控制，实现电源系统母线调节功能。这种调节方法可以使太阳能电池阵列在日照区直接给卫星供电，而不需要经过放电调节。S3R调节技术的主要缺点是太阳能电池阵列的利用率不高、系统功率密度低。

(2)基于S4R技术的全调节母线架构

为更高效的利用太阳能，满足持续增大的负载需求，欧空局在90年代提出了基于S4R直流全调节母线架构。S4R巧妙地省略了S3R中独立的BCR单元，而将SR中的一个串联的能量控制单元充当BCR，因此S4R架构提高了太阳能电池阵列的使用效率，使得直流电源系统的功率密度和效率都有了明显的提升。

(3)基于双向DC-DC技术的全调节母线架构

S3R中独立的蓄电池充、放电调节器模块(BCR/BDR)带来的缺点为功率密度较低，成本较高且系统结构相对复杂。相比之下，采用双向DC-DC变换器则克服了上述缺点。使用双向DC-DC变换器作为蓄电池集成充、放电调节器模块(BCDR)，可有效减小系统的体积与成本，同时变换器同步整流的工作方式可以降低损耗，提高系统的可靠性与效率。

(4)Diversion架构

传统S3R架构中，采用各自独立的蓄电池充、放电调节将导致功率密度提升困难，成本较高且系统结构相对复杂。Diversion架构在某种程度上则克服了上述缺点。Diversion架构为改进的S4R架构，在其架构中省去了BCR模块，从而实现了功率密度的提高。

传统的空间电源架构通常是集中式的架构，系统可靠性低，可维护性差，基于统一调节的集中式思想设计的航天器电源系统，另外，传统空间电源需要针对不同的接入需求单独设计需要的接入标准功率变换电路。其无法适应功率扩展、多任务柔性匹配、快速组装发射、各模块解耦的局限性已愈发凸显，成为影响后续航天任务顺利实现的一个短板，亟需通过采用分布式的空间电源系统来弥补其缺陷。

发明内容

为解决现有技术中近地轨道航天器、大型空间站、深空探测器等航天器功率等级不断增大、应用场景复杂多变、性能差异巨大，传统航天器电源无法满足不同类型任务的适应性、快速性、可靠性等设计要求的问题，本发明提供一种智能功率积木，还提供一种基于所述智能功率积木的分布式空间电源系统。

本发明智能功率积木包括标准功率变换电路和断路开关，所述标准功率变换电路的一端电性连接供电装置，另一端电性连接功率总线，所述断路开关控制标准功率变换电路与功率总线之间的通断，

所述智能功率积木还包括采样单元、驱动单元和智能控制单元，所述驱动单元输入端与智能控制单元输出端相连，所述驱动单元输出端分别与标准功率变换单元输入端和断路开关输入端相连，所述标准功率变换单元输出端与采样单元输入端相连，所述采样单元输出端与智能控制单元输入端相连，所述智能控制单元还与通信总线相连。

本发明作进一步改进，所述智能控制单元包括环路计算单元和模式控制器，所述环路计算单元包括个工作模式子单元及分别与各个工作模式子单元相连的模式选择开关，所述模式控制器与所述模式选择开关的控制端相连，所述采样单元的输出信号分别与工作模式子单元输入端和模式控制器的输入端相连，所述模式控制器的输出端与驱动单元输入端相连。

本发明作进一步改进，所述工作模式子单元包括母线电压模式单元、充电模式单元、放电模式单元、MPPT(最大功率点跟踪)模式单元、分流SR模式单元、直连模式单元和故障模式单元，其中，

所述母线电压模式单元包括母线电压参考值设定单元、第一PI调节(比例和积分调节)模块、第一PWM(对模拟信号电平进行数字编码的方法)模块、第一驱动逻辑单元，其中，母线电压参考值设定单元的输出端和采用单元的输出端分别连接到第一PI调节模块的输入端，第一PI调节模块的输出端连接到第一PWM模块输入端，第一PWM模块的输出端连接到第一驱动逻辑单元输入端；

所述充电模式单元包括电池电压参考值设定单元、第二PI调节模块、第二PWM模块、第二驱动逻辑单元，其中，电池电压参考值设定单元的输出端和采用单元的输出端分别连接到第二PI调节模块输入端，第二PI调节模块的输出端连接到第二PWM模块输入端，第二PWM模块的输出端连接到第二驱动逻辑单元输入端；

所述放电模式单元包括功率参考值设定单元、第三PI调节模块、第三PWM模块、第三驱动逻辑单元和功率计算单元，其中，功率参考值设定单元的输出端和功率计算单元的输出端分别连接到第三PI调节模块输入端，第三PI调节模块的输出端连接到第三PWM模块输入端，第三PWM模块的输出端连接到第三驱动逻辑单元输入端，所述功率计算单元的输入端与采样单元输出端相连；

所述MPPT模式单元包括MPPT模块、第四PI调节模块、第四PWM模块、第四驱动逻辑单元，其中，所述MPPT模块的输出端和功率计算单元输出端分别连接到第四PI调节模块输入端，第四PI调节模块的输出连接到第四PWM模块输入端，第四PWM模块的输出连接到第四驱动逻辑单元输入端；

所述分流SR模式单元包括分流模式设定单元、分流调节模块、第五驱动逻辑单元，其中，所述分流模式设定单元的输出端连接到分流调节模块输入端，分流调节模块输出端连接到第五驱动逻辑单元输入端；

所述直连模式单元包括直连模式设定单元和设置在所述直连模式设定单元输出端的第六驱动逻辑单元；

所述故障模式单元包括故障模式设定单元和设置在所述故障模式设定单元输出端的第七驱动逻辑单元。

本发明作进一步改进，所述标准功率电路为四开关Buck-Boost电路。

本发明作进一步改进，所述智能功率积木在各个模式下的处理方法如下：

(1)母线电压模式：

S101：接收到模式指令为母线电压源模式，

S102：根据母线电压采样值和预先设定的下垂曲线计算出电流参考值I_ref，

S103：根据电流参考值I_ref和母线电流采样值I_bus计算出PI输出值D1，

S104：产生四个开关管的驱动信号，S1_1与S1_4为连接正母线的上管，S1_2与S1_3为连接地的下管；

(2)充电模式：

S201：接收到模式指令为充电模式，

S202：根据充电电压参考值Vin_ref以及电池采样电压Vin通过PI调节器计算出电流参考值I_ref2，

S203：根据电流参考值I_ref2和母线电流采样值I_bus计算出PI输出值D2，

S204：根据D2产生四个开关管的驱动信号S2_1～S2_4，其中，S2_1与S2_4为连接正母线的上管，S2_2与S2_3为连接地的下管；

(3)放电模式：

S301：接收到模式指令为放电模式，

S302：计算电池功率Pin，

S303：根据放电功率参考值Pref以及功率计算值Pin通过PI调节器计算出电池电流参考值I_ref3，

S304：根据电流参考值I_ref3和母线电流采样值I_in计算出PI调节器输出D3，

S305：根据D3产生四个开关管的驱动信号S3_1～S3_4，其中，S3_1与S3_4为连接正母线的上管，S3_2与S3_3为连接地的下管；

(4)MPPT模式：

S401：接收到模式指令为MPPT模式，

S402：计算光伏电池功率的当前功率Pin(k)，

S403：采用扰动观察法得到光伏电池参考电压V_{in_ref2}，

S404：根据V_{in_ref2}和V_in计算出PI调节器输出D4，

S405：根据D4产生四个开关管的驱动信号S4_1～S4_4，其中，S4_1与S4_4为连接正母线的上管，S4_2与S4_3为连接地的下管，

S406：更新当前光伏电池功率和光伏电池电压；

(5)分流SR模式：

S501：接收到模式指令为分流SR模式，

S502：根据母线电压参考值V_ref以及母线电压采样V_bus通过分流调节模块计算V_MEA信号，

S503：根据V_MEA与V_ref5的比较值计算驱动信号S5_2，

S504：产生三个开关管的驱动信号S5_1、S5_3和S5_4，其中，其中，S5_1与S5_4为连接正母线的上管，S5_2与S5_3为连接地的下管，S5_1＝S5_4＝1,S5_3＝0；

(6)直连模式：

S601：接收到模式指令为直连模式；

S602：产生四个开关管的驱动信号S6_1～S6_4，其中，S6_1与S6_4为连接正母线的上管，S6_2与S6_3为连接地的下管，S6_1＝S6_4＝1，S6_2＝S6_3＝0，

(7)故障模式：

S701：接收到模式指令为故障模式；

S702：产生四个开关管的驱动信号S7_1～S7_4，其中，S7_1与S7_4为连接正母线的上管，S7_2与S7_3为连接地的下管，S7_1＝S7_2＝S7_3＝S7_4＝0。

本发明作进一步改进，所述四开关Buck-Boost电路包括单模式控制策略和双模式控制策略，

如果采用单模式控制策略，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_1和S1_3的值，当D1大于锯齿波的值时，S1_1和S1_3为1，否则为0，S1_1与S1_2值相反，S1_3与S1_4值相反，S2_1～S2_4、S3_1～S3_4、S4_1～S4_4的产生方法与S1_1～S1_4相同；

如果采用双模式控制策略，当Vin>Vbus，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_1值，当D1大于锯齿波的值时S1_1为1，否则为0。S1_3值为0，当Vin≤Vbus，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_3值，当D1大于锯齿波的值时S1_3为1，否则为0，S1_1值为1，S1_1与S1_2值相反，S1_3与S1_4值相反，S2_1～S2_4、S3_1～S3_4、S4_1～S4_4的产生方法与S1_1～S1_4相同。

本发明还提供一种基于所述智能功率积木的分布式空间电源系统，包括功率总线、通信总线、智能配电系统，还包括通过智能功率积木、并接在功率总线和通信总线上的、一个以上的供电装置，还包括智能配电系统和第二智能功率积木，其中，所述功率总线的功率输出端与智能配电系统的一端相连，所述智能配电系统的另一端设有若干个接载荷的功率接口，所述通信总线的一端接载荷。

本发明作进一步改进，还包括与智能功率积木结构相同的第二智能功率积木，所述第二智能功率积木的一端分别接功率总线相对功率输出端的另一端和通信总线的另一端，所述第二智能功率积木上设有分别与功率总线和通信总线相连的外部功率接口和外部通信接口。

本发明作进一步改进，所述供电装置包括发电装置和储能装置，所述发电装置包括太阳能发电装置、光伏电池阵，所述储能装置包括飞轮储能装置、电池组、燃料电池。

本发明作进一步改进，所述智能功率积木的工作模式包括母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、直连模式和故障模式，

当所述供电装置为发电装置时，采用软件通过智能控制单元实现发电装置工作在MPPT模式、SR分流模式、直连模式、母线电压模式和故障模式；

当所述供电装置为电池组、飞轮储能时，采用软件通过智能控制单元实现供电装置工作在充电模式、放电模式、直连模式、母线电压模式和故障模式；

当所述供电装置为燃料电池时，采用软件通过智能控制单元实现供电装置工作在放电模式、DET模式、母线电压模式和故障模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：采用了分布式的功率架构和控制架构，提升了系统可靠性和可扩展性，采用了兼容多种模式的标准的功率积木实现了多种发电、储能单元的模块化、标准化接入，实现了航天器的去型号化、快速设计，提升了系统的可制造性和可维护性。实现了航天器中多个发电单元、多个储能单元、多个载荷之间的融合，通过模块化、标准化设计，可达到航天器电源系统去任务化，复用程度高，货架式的要求。

附图说明

图1为本发明分布式空间电源系统结构示意图；

图2为智能功率积木结构示意图；

图3为基于四开关Buck-Boost电路的智能功率积木结构示意图；

图4为智能功率积木在母线电压模式下处理方法流程图；

图5为智能功率积木在充电模式下处理方法流程图；

图6为智能功率积木在放电模式下处理方法流程图；

图7为智能功率积木在MPPT模式下处理方法流程图；

图8为智能功率积木在分流SR模式下处理方法流程图；

图9为智能功率积木在直连模式下处理方法流程图；

图10为智能功率积木在故障模式下处理方法流程图；

图11为不同模式下的Buck-Boost电路工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

1、总体方案设计

本发明基于智能功率积木的分布式空间电源系统总体方案设计由系统架构设计、标准的智能功率积木设计构成。

2、系统架构设计

如图1所示，本发明分布式空间电源系统包括功率总线、通信总线、智能配电系统，还包括通过智能功率积木、并接在功率总线和通信总线上的、一个以上的供电装置，还包括智能配电系统和第二智能功率积木，其中，所述功率总线的功率输出端与智能配电系统的一端相连，所述智能配电系统的另一端设有若干个接载荷的功率接口，所述通信总线的一端接载荷。所述功率接口可以为有限功率接口，也可以为无线功率接口，从而满足不同的有限载荷和无线载荷的接入需求。

本发明还包括与智能功率积木结构相同的第二智能功率积木，所述第二智能功率积木的一端分别接功率总线相对功率输出端的另一端和通信总线的另一端，所述第二智能功率积木上设有分别与功率总线和通信总线相连的外部功率接口和外部通信接口。

本例的供电装置包括发电装置和储能装置，所述发电装置包括太阳能发电装置、光伏电池阵等，所述储能装置包括飞轮储能装置、电池组、燃料电池等。

在本例的分布式空间电源系统架构中，光伏电池阵、电池组、飞轮储能装置、燃料电池等发电单元和储能单元连接到标准功率积木的一端，标准功率积木的另一端连接功率母线。智能配电系统一端连接到功率母线，一端连接到载荷和无线载荷。外部功率接口和通信接口连接到智能功率积木的一端，智能功率积木的另一端连接到功率总线。所有智能功率积木和载荷连接到通信总线。

3、智能功率积木设计

如图2所示，本例的智能功率积木包括标准功率变换电路和断路开关，所述标准功率变换电路的一端电性连接供电装置，另一端电性连接功率总线，所述断路开关控制标准功率变换电路与功率总线之间的通断。

所述智能功率积木还包括采样单元、驱动单元和智能控制单元，所述驱动单元输入端与智能控制单元输出端相连，所述驱动单元输出端分别与标准功率变换单元输入端和断路开关输入端相连，所述标准功率变换单元输出端与采样单元输入端相连，将采样信号连接到采样单元，所述采样单元输出端与智能控制单元输入端相连，所述智能控制单元还与通信总线相连。

本例的智能控制单元包括环路计算单元和模式控制器，所述环路计算单元包括个工作模式子单元及分别与各个工作模式子单元相连的模式选择开关，所述模式控制器与所述模式选择开关的控制端相连，所述采样单元的输出信号分别与工作模式子单元输入端和模式控制器的输入端相连，所述模式控制器的输出端与驱动单元输入端相连。

采样单元的输出信号连接到智能控制单元中的模式控制器、PI调节模块1、PI调节模块2、PI调节模块4和功率计算单元。智能控制器的模式控制器输出连接模式选择开关，模式选择开关在七种模式单元之间切换选择驱动信号。模式选择开关和模式选择器的另一路输出连接到驱动单元，驱动单元的输出连接标准功率变换电路和断路开关。

所述工作模式子单元包括七种模式单元，分别为：母线电压模式单元、充电模式单元、放电模式单元、MPPT模式单元、分流SR模式单元、直连模式单元和故障模式单元，其中，

所述母线电压模式单元包括母线电压参考值设定单元、第一PI调节模块、第一PWM模块、第一驱动逻辑单元，其中，母线电压参考值设定单元的输出端和采用单元的输出端分别连接到第一PI调节模块的输入端，第一PI调节模块的输出端连接到第一PWM模块输入端，第一PWM模块的输出端连接到第一驱动逻辑单元输入端；

所述充电模式单元包括电池电压参考值设定单元、第二PI调节模块、第二PWM模块、第二驱动逻辑单元，其中，电池电压参考值设定单元的输出端和采用单元的输出端分别连接到第二PI调节模块输入端，第二PI调节模块的输出端连接到第二PWM模块输入端，第二PWM模块的输出端连接到第二驱动逻辑单元输入端；

所述放电模式单元包括功率参考值设定单元、第三PI调节模块、第三PWM模块、第三驱动逻辑单元和功率计算单元，其中，功率参考值设定单元的输出端和功率计算单元的输出端分别连接到第三PI调节模块输入端，第三PI调节模块的输出端连接到第三PWM模块输入端，第三PWM模块的输出端连接到第三驱动逻辑单元输入端，所述功率计算单元的输入端与采样单元输出端相连；

所述MPPT模式单元包括MPPT模块、第四PI调节模块、第四PWM模块、第四驱动逻辑单元，其中，所述MPPT模块的输出端和功率计算单元输出端分别连接到第四PI调节模块输入端，第四PI调节模块的输出连接到第四PWM模块输入端，第四PWM模块的输出连接到第四驱动逻辑单元输入端；

所述分流SR模式单元包括分流模式设定单元、分流调节模块、第五驱动逻辑单元，其中，所述分流模式设定单元的输出端连接到分流调节模块输入端，分流调节模块输出端连接到第五驱动逻辑单元输入端；

所述直连模式单元包括直连模式设定单元和设置在所述直连模式设定单元输出端的第六驱动逻辑单元；

所述故障模式单元包括故障模式设定单元和设置在所述故障模式设定单元输出端的第七驱动逻辑单元。

4、智能功率积木工作模式

当标准功率积木连接光伏电池阵时，无需改变标准功率积木的任何硬件电路，仅通过软件控制改变，实现通过模式控制器使光伏电池阵工作在MPPT模式、SR分流模式、直连模式、母线电压模式和故障模式。

当标准功率积木连接电池组、飞轮储能等储能单元时，无需改变标准功率积木的任何硬件电路，仅通过软件控制改变，实现通过模式控制器使储能单元工作在充电模式、放电模式、直连模式、母线电压模式和故障模式。

当标准功率积木连接燃料电池单元时，无需改变标准功率积木的任何硬件电路，仅通过软件控制改变，实现通过模式控制器使储能单元工作在放电模式、直连模式、母线电压模式和故障模式。

5、基于四开关Buck-Boost电路的智能功率积木

如图3所示，智能功率积木的标准功率变换电路可以是四开关Buck-Boost电路，所述四开关Buck-Boost电路的一端连接光伏电池阵等发电单元或者电池组等储能单元，另一端连接功率总线。功率变换器的五个状态量(输出电压Vin、输入电流Iin、电感电流IL、输出电压Vbus、输出电流Ibus)连接到控制单元中的模式控制器、PI环路计算单元。模式控制器控制驱动信号在七种模式(母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、直连模式和故障模式)之间切换。驱动单元一端连接模式控制器和驱动信号，另一端连接功率电路和断路开关。

智能功率积木的控制单元中包括环路计算单元。环路计算单元中包括7个子单元，分别是母线电压模式单元、充电模式单元、放电模式单元、MPPT模式单元、直连模式单元和故障模式单元。在母线电压模式单元中母线电压Vbus通过下垂曲线计算出母线电流Ibus参考值，与Ibus作差后经过PI调节模块1和PWM模块1生成S1_1、S1_2、S1_3和S1_4四路驱动信号；在充电模式单元中，输入电压参考值Vin_ref与输入电压Vin作差，经过PI调节模块2-1生成输入电流参考值，与Iin作差后经过PI调节模块2-2和PWM模块2生成S2_1、S2_2、S2_3和S2_4四路驱动信号；在放电模式单元中，输出功率参考值Pref与输入功率Pin作差，经过PI调节模块3-1生成电感电流参考值，与IL作差后经过PI调节模块3-2和PWM模块3生成S3_1、S3_2、S3_3和S3_4四路驱动信号；在MPPT模式单元中，输入功率Pin，经过MPPT单元生成输入电压参考值，与Vin作差后经过PI调节模块4和PWM模块4生成S4_1、S4_2、S4_3和S4_4四路驱动信号；在分流SR模式单元中，S5_1、S5_3设为1，S5_4设为0，S5_2的控制信号由分流调节模块根据分流模式设定单元的电压参考值与母线电压采样V_bus计算得到；在直连模式单元中，S6_1、S6_3设为1，S6_2、S6_4设为0；在故障模式单元中，S7_1、S7_2、S,7_3、S7_4设为0。驱动g1、g2、g3、g4通过模式控制器，在S1_1、S1_2、S,1_3、S1_4至S7_1、S7_3、S7_3、S7_4之间选择。

6、智能功率积木各模式的实现方法

本发明以四开关Buck-Boost电路为例说明各模式的实现方法。

如图4所示，在母线电压模式下处理方法为：

S101：接收到模式指令为母线电压源模式，

S102：根据母线电压采样值和预先设定的下垂曲线计算出电流参考值I_ref，

S103：根据电流参考值I_ref和母线电流采样值I_bus计算出PI输出值D1，

S104：产生四个开关管的驱动信号，S1_1与S1_4为连接正母线的上管，S1_2与S1_3为连接地的下管；

如图5所示，在充电模式下处理方法为：

S201：接收到模式指令为充电模式，

S202：根据充电电压参考值Vin_ref以及电池采样电压Vin通过PI调节器计算出电流参考值I_ref2，

S203：根据电流参考值I_ref2和母线电流采样值I_bus计算出PI输出值D2，

S204：根据D2产生四个开关管的驱动信号S2_1～S2_4，其中，S2_1与S2_4为连接正母线的上管，S2_2与S2_3为连接地的下管；

如图6所示，在放电模式下处理方法为：

S301：接收到模式指令为放电模式，

S302：计算电池功率Pin，

S303：根据放电功率参考值Pref以及功率计算值Pin通过PI调节器计算出电池电流参考值I_ref3，

S304：根据电流参考值I_ref3和母线电流采样值I_in计算出PI调节器输出D3，

S305：根据D3产生四个开关管的驱动信号S3_1～S3_4，其中，S3_1与S3_4为连接正母线的上管，S3_2与S3_3为连接地的下管；

如图7所示，在MPPT模式下处理方法为：

S401：接收到模式指令为MPPT模式，

S402：计算光伏电池功率的当前功率Pin(k)，

S403：采用扰动观察法得到光伏电池参考电压V_{in_ref2}，

S404：根据V_{in_ref2}和V_in计算出PI调节器输出D4，

S405：根据D4产生四个开关管的驱动信号S4_1～S4_4，其中，S4_1与S4_4为连接正母线的上管，S4_2与S4_3为连接地的下管，

S406：更新当前光伏电池功率和光伏电池电压；

如图8所示，在分流SR模式下处理方法为：

S501：接收到模式指令为分流SR模式，

S502：根据母线电压参考值V_ref以及母线电压采样V_bus通过分流调节模块计算V_MEA信号，

S503：根据V_MEA与V_ref5的比较值计算驱动信号S5_2，

S504：产生三个开关管的驱动信号S5_1、S5_3和S5_4，其中，其中，S5_1与S5_4为连接正母线的上管，S5_2与S5_3为连接地的下管，S5_1＝S5_4＝1,S5_3＝0；

如图9所示，在直连模式下处理方法为：

S601：接收到模式指令为直连模式；

S602：产生四个开关管的驱动信号S6_1～S6_4，其中，S6_1与S6_4为连接正母线的上管，S6_2与S6_3为连接地的下管，S6_1＝S6_4＝1，S6_2＝S6_3＝0，

如图10所示，在故障模式下处理方法为：

S701：接收到模式指令为故障模式；

S702：产生四个开关管的驱动信号S7_1～S7_4，其中，S7_1与S7_4为连接正母线的上管，S7_2与S7_3为连接地的下管，S7_1＝S7_2＝S7_3＝S7_4＝0。

因所述四开关Buck-Boost电路包括单模式控制策略和双模式控制策略，因此，所述四开关Buck-Boost电路在不同策略下处理方式不同，具体的：

如果采用单模式控制策略，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_1和S1_3的值，当D1大于锯齿波的值时，S1_1和S1_3为1，否则为0，S1_1与S1_2值相反，S1_3与S1_4值相反，S2_1～S2_4、S3_1～S3_4、S4_1～S4_4的产生方法与S1_1～S1_4相同；

如果采用双模式控制策略，当Vin>Vbus，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_1值，当D1大于锯齿波的值时S1_1为1，否则为0。S1_3值为0，当Vin≤Vbus，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_3值，当D1大于锯齿波的值时S1_3为1，否则为0，S1_1值为1，S1_1与S1_2值相反，S1_3与S1_4值相反，S2_1～S2_4、S3_1～S3_4、S4_1～S4_4的产生方法与S1_1～S1_4相同。

本例智能功率积木的电路不做限定，除了可以采用四开关Buck-Boost电路外，其余经过分析、设计可以满足7种工作模式(分别是母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、直连模式和故障模式)的电路均可应用在本发明智能功率积木中。

7.不同模式对应电路的工作状态

本例的智能功率积木的工作模式均可以通过软件定义，无需对硬件进行改动，提高了配置的灵活性，实现了多能源单元模块化的灵活接入。不同模式对应电路的工作状态如图11所示。

当为母线电压模式、MPPT模式、充电模式、放电模式时，四开关Buck-Boost电路工作在PWM调制场合如图11(a)-(c),当采用双模式控制策略且输入电压大于输出电压时，工作在图11(a)的降压模式，S1，S2工作在脉宽调制状态，S3关断，S4导通。当采用双模式控制策略且输入电压小于等于输出电压时，工作在图11(b)的升压模式，S3，S4工作在脉宽调制状态，S1导通，S2关断。当采用单模式控制策略时，工作在图11(c)的升降压模式。

分流模式，S1导通，S2受分流调节模块控制工作在开/断状态，S4导通，S3关断，如图11(d)所示。

直连模式，S1、S4导通，S2、S3关断，如图11(e)所示。

故障模式，S1、S2、S3、S4均关断，如图11(f)所示。

8、小结

本发明采用了分布式的功率架构和控制架构，提升了系统可靠性和可扩展性，采用了兼容多种模式的标准的功率积木实现了多种发电、储能单元的模块化、标准化接入，实现了航天器的去型号化、快速设计，提升了系统的可制造性和可维护性。

本发明与现有技术相比的优点在于：系统架构实现了航天器中多个发电单元、多个储能单元、多个载荷之间的融合，通过模块化、标准化设计，可达到航天器电源系统去任务化，复用程度高，货架式的要求。

以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.智能功率积木，其特征在于：包括标准功率变换电路和断路开关，所述标准功率变换电路的一端电性连接供电装置，另一端电性连接功率总线，所述断路开关控制标准功率变换电路与功率总线之间的通断，

所述智能功率积木还包括采样单元、驱动单元和智能控制单元，所述驱动单元输入端与智能控制单元输出端相连，所述驱动单元输出端分别与标准功率变换单元输入端和断路开关输入端相连，所述标准功率变换单元输出端与采样单元输入端相连，所述采样单元输出端与智能控制单元输入端相连，所述智能控制单元还与通信总线相连。

2.根据权利要求1所述的智能功率积木，其特征在于：所述智能控制单元包括环路计算单元和模式控制器，所述环路计算单元包括个工作模式子单元及分别与各个工作模式子单元相连的模式选择开关，所述模式控制器与所述模式选择开关的控制端相连，所述采样单元的输出信号分别与工作模式子单元输入端和模式控制器的输入端相连，所述模式控制器的输出端与驱动单元输入端相连。

3.根据权利要求2所述的智能功率积木，其特征在于：所述工作模式子单元包括母线电压模式单元、充电模式单元、放电模式单元、MPPT模式单元、分流SR模式单元、直连模式单元和故障模式单元，其中，

所述母线电压模式单元包括母线电压参考值设定单元、第一PI调节模块、第一PWM模块、第一驱动逻辑单元，其中，母线电压参考值设定单元的输出端和采用单元的输出端分别连接到第一PI调节模块的输入端，第一PI调节模块的输出端连接到第一PWM模块输入端，第一PWM模块的输出端连接到第一驱动逻辑单元输入端；

所述充电模式单元包括电池电压参考值设定单元、第二PI调节模块、第二PWM模块、第二驱动逻辑单元，其中，电池电压参考值设定单元的输出端和采用单元的输出端分别连接到第二PI调节模块输入端，第二PI调节模块的输出端连接到第二PWM模块输入端，第二PWM模块的输出端连接到第二驱动逻辑单元输入端；

所述放电模式单元包括功率参考值设定单元、第三PI调节模块、第三PWM模块、第三驱动逻辑单元和功率计算单元，其中，功率参考值设定单元的输出端和功率计算单元的输出端分别连接到第三PI调节模块输入端，第三PI调节模块的输出端连接到第三PWM模块输入端，第三PWM模块的输出端连接到第三驱动逻辑单元输入端，所述功率计算单元的输入端与采样单元输出端相连；

所述MPPT模式单元包括MPPT模块、第四PI调节模块、第四PWM模块、第四驱动逻辑单元，其中，所述MPPT模块的输出端和功率计算单元输出端分别连接到第四PI调节模块输入端，第四PI调节模块的输出连接到第四PWM模块输入端，第四PWM模块的输出连接到第四驱动逻辑单元输入端；

所述分流SR模式单元包括分流模式设定单元、分流调节模块、第五驱动逻辑单元，其中，所述分流模式设定单元的输出端连接到分流调节模块输入端，分流调节模块输出端连接到第五驱动逻辑单元输入端；

所述直连模式单元包括直连模式设定单元和设置在所述直连模式设定单元输出端的第六驱动逻辑单元；

所述故障模式单元包括故障模式设定单元和设置在所述故障模式设定单元输出端的第七驱动逻辑单元。

4.根据权利要求3所述的智能功率积木，其特征在于：所述标准功率电路为四开关Buck-Boost电路。

5.根据权利要求4所述的智能功率积木，其特征在于：所述智能功率积木在各个模式下的处理方法如下：

(1)母线电压模式：

S101：接收到模式指令为母线电压源模式，

S102：根据母线电压采样值和预先设定的下垂曲线计算出电流参考值I_ref，

S103：根据电流参考值I_ref和母线电流采样值I_bus计算出PI输出值D1，

S104：产生四个开关管的驱动信号，S1_1与S1_4为连接正母线的上管，S1_2与S1_3为连接地的下管；

(2)充电模式：

S201：接收到模式指令为充电模式，

S202：根据充电电压参考值Vin_ref以及电池采样电压Vin通过PI调节器计算出电流参考值I_ref2，

S203：根据电流参考值I_ref2和母线电流采样值I_bus计算出PI输出值D2，

S204：根据D2产生四个开关管的驱动信号S2_1～S2_4，其中，S2_1与S2_4为连接正母线的上管，S2_2与S2_3为连接地的下管；

(3)放电模式：

S301：接收到模式指令为放电模式，

S302：计算电池功率Pin，

S303：根据放电功率参考值Pref以及功率计算值Pin通过PI调节器计算出电池电流参考值I_ref3，

S304：根据电流参考值I_ref3和母线电流采样值I_in计算出PI调节器输出D3，

S305：根据D3产生四个开关管的驱动信号S3_1～S3_4，其中，S3_1与S3_4为连接正母线的上管，S3_2与S3_3为连接地的下管；

(4)MPPT模式：

S401：接收到模式指令为MPPT模式，

S402：计算光伏电池功率的当前功率Pin(k)，

S403：采用扰动观察法得到光伏电池参考电压V_{in_ref2}，

S404：根据V_{in_ref2}和V_in计算出PI调节器输出D4，

S405：根据D4产生四个开关管的驱动信号S4_1～S4_4，其中，S4_1与S4_4为连接正母线的上管，S4_2与S4_3为连接地的下管，

S406：更新当前光伏电池功率和光伏电池电压；

(5)分流SR模式：

S501：接收到模式指令为分流SR模式，

S502：根据母线电压参考值V_ref以及母线电压采样V_bus通过分流调节模块计算V_MEA信号，

S503：根据V_MEA与V_ref5的比较值计算驱动信号S5_2，

S504：产生三个开关管的驱动信号S5_1、S5_3和S5_4，其中，其中，S5_1与S5_4为连接正母线的上管，S5_2与S5_3为连接地的下管，S5_1＝S5_4＝1,S5_3＝0；

(6)直连模式：

S601：接收到模式指令为直连模式；

S602：产生四个开关管的驱动信号S6_1～S6_4，其中，S6_1与S6_4为连接正母线的上管，S6_2与S6_3为连接地的下管，S6_1＝S6_4＝1，S6_2＝S6_3＝0，

(7)故障模式：

S701：接收到模式指令为故障模式；

S702：产生四个开关管的驱动信号S7_1～S7_4，其中，S7_1与S7_4为连接正母线的上管，S7_2与S7_3为连接地的下管，S7_1＝S7_2＝S7_3＝S7_4＝0。

6.根据权利要求5所述的智能功率积木，其特征在于：所述四开关Buck-Boost电路包括单模式控制策略和双模式控制策略，

如果采用单模式控制策略，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_1和S1_3的值，当D1大于锯齿波的值时，S1_1和S1_3为1，否则为0，S1_1与S1_2值相反，S1_3与S1_4值相反，S2_1～S2_4、S3_1～S3_4、S4_1～S4_4的产生方法与S1_1～S1_4相同；

如果采用双模式控制策略，当Vin>Vbus，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_1值，当D1大于锯齿波的值时S1_1为1，否则为0。S1_3值为0，当Vin≤Vbus，D1与高频锯齿波比较的结果作为S1_3值，当D1大于锯齿波的值时S1_3为1，否则为0，S1_1值为1，S1_1与S1_2值相反，S1_3与S1_4值相反，S2_1～S2_4、S3_1～S3_4、S4_1～S4_4的产生方法与S1_1～S1_4相同。

7.基于权利要求1-6任一项所述的智能功率积木的分布式空间电源系统，其特征在于：包括功率总线、通信总线、智能配电系统，还包括通过智能功率积木、并接在功率总线和通信总线上的、一个以上的供电装置，还包括智能配电系统和第二智能功率积木，其中，

所述功率总线的功率输出端与智能配电系统的一端相连，所述智能配电系统的另一端设有若干个接载荷的功率接口，所述通信总线的一端接载荷。

8.根据权利要求7所述的分布式空间电源系统，其特征在于：还包括与智能功率积木结构相同的第二智能功率积木，所述第二智能功率积木的一端分别接功率总线相对功率输出端的另一端和通信总线的另一端，所述第二智能功率积木上设有分别与功率总线和通信总线相连的外部功率接口和外部通信接口。

9.根据权利要求8所述的分布式空间电源系统，其特征在于：所述供电装置包括发电装置和储能装置，所述发电装置包括太阳能发电装置、光伏电池阵，所述储能装置包括飞轮储能装置、电池组、燃料电池。

10.根据权利要求9所述的分布式空间电源系统，其特征在于：所述智能功率积木的工作模式包括母线电压模式、充电模式、放电模式、MPPT模式、分流SR模式、直连模式和故障模式，

当所述供电装置为发电装置时，采用软件通过智能控制单元实现发电装置工作在MPPT模式、SR分流模式、直连模式、母线电压模式和故障模式；

当所述供电装置为电池组、飞轮储能时，采用软件通过智能控制单元实现供电装置工作在充电模式、放电模式、直连模式、母线电压模式和故障模式；

当所述供电装置为燃料电池时，采用软件通过智能控制单元实现供电装置工作在放电模式、DET模式、母线电压模式和故障模式。

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