CN112242697A - 一种大功率sar卫星供电均衡系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种大功率SAR卫星供电均衡系统，采用功率路由器构建各分布式电源之间的通路，根据实际需求选取需要传递能量的两个分布式电源，再导通对应的通路，使得两个分布式电源之间形成能量的流动；由此可见，本发明通过功率路由器在系统级上实现了多个分布式电源能量的均衡，最大限度提高了SAR卫星的储能利用率，对保障SAR卫星正常运行具有重要意义；此外，本发明还采用了隔离变换器实现了不调节母线与全调节母线的隔离，降低了母线之间的干扰耦合，提高了系统工作的稳定性。

Description

一种大功率SAR卫星供电均衡系统
技术领域
本发明属于卫星供电体制技术领域，尤其涉及一种大功率SAR卫星供电均衡系统。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)卫星系统中具有大功率的脉冲载荷，脉冲载荷工作时会产生大电流阶跃，对平台其他用电设备造成严重的电磁干扰，影响整星的正常工作。传统的采用单一母线的供电体制无法满足干扰隔离的要求，需要采用具有隔离功能的多母线架构阻断干扰路径，保障设备运行。随着SAR卫星功率的不断增大，传统的集中供电架构也无法满足功率扩展的需求，需要采用分布式系统架构满足大功率应用场景。对于分布式系统架构，如何实现系统能量的优化管理调度，提高能量利用率，保证系统工作的可靠性安全性是一个巨大的挑战。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种大功率SAR卫星供电均衡系统，采用功率路由器实现分布式电源能量的最优调度，能够有效避免分布式电源过充过放造成的安全隐患。
一种大功率SAR卫星供电均衡系统，，包括功率路由器与两个以上的分布式电源，其中，分布式电源的数量记为M；
所述功率路由器包括智能控制模块、公共电容以及M个与分布式电源一一对应的双向端口；
所述双向端口包括一个电感和两个相互串联的开关管，其中，串联的两个开关管的一端连接到对应的分布式电源，另一端接地，电感的一端连接到两个开关管之间，另一端通过公共电容接地；
所述智能控制模块用于根据设定规则选取两个分布式电源分别作为输出电源和输入电源，并分别向与输出电源直接连接的开关管、与输入电源连接的双向端口中接地的开关管输出驱动电平，使得供电均衡系统的能量由输出电源流向输入电源，实现能量的均衡。
进一步地，所述设定规则为：将输出电压最大的分布式电源作为输出电源，将输出电压最小的分布式电源作为输入电源。
进一步地，所述设定规则为：将输出电压最小的分布式电源作为输出电源，将输出电压最大的分布式电源作为输入电源。
进一步地，所述分布式电源用于为星上负载供电，所述设定规则为：将连接有出现故障的星上负载的分布式电源作为输出电源，将连接有功率最大的星上负载的分布式电源作为输入电源。
进一步地，所述开关管包括一个MOSFET和一个二极管，其中，二极管的阳极连接MOSFET的源极，阴极连接MOSFET的漏级；
所述智能控制模块输出的驱动电平加载在MOSFET的栅极和源极上；
将双向端口中与分布式电源直接连接的开关管作为第一开关管，另一个开关管作为第二开关管，则第一开关管中MOSFET的漏级直接连接分布式电源，第二开关管中MOSFET的源级接地，第一开关管的源极连接第二开关管的漏级。
进一步地，一种大功率SAR卫星供电均衡系统，还包括隔离变换器与M个二极管，且各分布式电源的输出端通过不调节母线分别串接一个二极管后再连接到隔离变换器的输入端，使得输出电压最高的分布式电源所连接的二极管导通，其他二极管反向截止，进而输出电压最高的分布式电源对隔离变换器输出端连接的全调节母线进行放电，实现能量的均衡。
进一步地，所述隔离变换器采用移相全桥电路实现。
进一步地，所述分布式电源包括太阳能电池阵列、功率调节模块阵列、加断电模块、能量管理单元以及不调节母线，其中，所述能量管理单元包括均衡模块阵列与电池组，同时，太阳能电池阵列通过功率调节模块阵列连接到不调节母线上，能量管理单元通过加断电模块连接到不调节母线上；
所述太阳能电池阵列中的太阳能电池与功率调节模块阵列中的功率调节模块一一对应，且功率调节模块的工作电压与太阳能电池的输出功率有关，则所述功率调节模块用于调节自身的工作电压，使得与其连接的太阳能电池的输出功率最大；
所述加断电模块用于控制电池组与不调节母线之间的通断，其中，若加断电模块导通且分布式电源作为输出电源时，电池组通过不调节母线向输入电源放电，若加断电模块导通且分布式电源作为输入电源时，输出电源通过不调节母线向电池组充电；
所述均衡模块阵列中的均衡模块与电池组中的电池单体一一对应，且均衡模块并联在其对应的电池单体的两端，用于调节其对应电池单体的电压，使电池单体的电压稳定在设定范围内，保持电池单体之间能量的均衡。
进一步地，当SAR卫星为低轨道卫星时，所述功率调节模块为具有MPPT调节功能的变换器；当SAR卫星为高轨道卫星时，所述功率调节模块为具有分流功能的变换器或同时具有MPPT调节功能和分流功能的变换器。
有益效果：
1、本发明提供一种大功率SAR卫星供电均衡系统，采用功率路由器构建各分布式电源之间的通路，根据实际需求选取需要传递能量的两个分布式电源，再导通对应的通路，使得两个分布式电源之间形成能量的流动；由此可见，本发明通过功率路由器在系统级上实现了多个分布式电源能量的均衡，最大限度提高了SAR卫星的储能利用率，对保障SAR卫星正常运行具有重要意义。
2、本发明提供一种大功率SAR卫星供电均衡系统，采用了隔离变换器实现了不调节母线与全调节母线的隔离，降低了母线之间的干扰耦合，提高了系统工作的稳定性；同时，各分布式电源各自通过一个二极管连接隔离变换器，只有输出电压最高的分布式电源才能正向导通，其余二极管反向截止，使得电压较高的分布式电源放电，电压较低的分布式电源在通路关断的情况下充电以存储电能，有利于实现地影期中各分布式电源能量的自动均衡。
附图说明
图1为本发明提供的一种大功率SAR卫星供电均衡系统的结构框图；
图2为本发明提供的分布式电源的结构示意图；
图3为本发明提供的功率路由器的结构示意图；
图4为本发明提供的能量流向示意图；
图5为本发明提供的隔离变换器的电路原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
以供电均衡系统包括四个分布式电源为例，对本发明提供的一种大功率SAR卫星供电均衡系统的总体架构进行详细说明。如图1所示，一种大功率SAR卫星供电均衡系统，包括分布式电源1～4、功率路由器和隔离变换器。其中分布式电源1～4结构相同。
分布式电源1～4中太阳能电池阵的输出连接到功率调节模块的输入端，功率调节模块的输出端连接到不调节母线。电池组通过加断电模块连接到不调节母线。均衡模块并连到电池组的两端。分布式电源1～4的四条输出不调节母线1～4分别连接到功率路由的四个输入/输出接口。此外，分布式电源1～4的四条输出不调节母线1～4分别连接到四个二极管的阳极，四个二极管共阴极，连接到隔离变换器的输入端。隔离变换器的输出端连接不调节母线。
下面介绍分布式电源的结构设计：
分布式电源1～4的结构框图如图2所示，分别包括太阳能电池阵列、功率调节模块阵列、加断电模块以及能量管理单元，其中，所述能量管理单元包括均衡模块阵列与电池组。
功率调节模块在低轨道卫星应用场合中为具有MPPT(Maximum Power PointTracking，最大功率点跟踪)调节功能的变换器，在高轨道卫星应用场合中为具有分流功能的变换器，也可采用同时具有MPPT调节功能和分流功能的变换器兼容高轨与低轨应用场合。图2示意的是采用分流功能的变换器，如果应用于高轨道卫星，可将分流模块替换为具有MPPT功能的变换器。由此可见，本发明分别采用MPPT功能、分流功能的功率调节模块，实现对高轨和低轨卫星应用场合的兼容，可适应高轨和低轨卫星应用场合。
加断电模块实现整星测试过程中加断电控制，提供不调节母线向电池组的充电通路和电池组向不调节母线的放电通路。加断电模块的结构如图2所示，K1-K3功率继电器通路用于正常供电通路；MOSFET半导体开关与功率继电器K1-K3并联，功率MOSFET寄生体二极管反向安装，阳极接不调节母线，阴极接电池组，电池组充电电流遥测为Ic。采用继电器组与功率MOSFET并联，利用MOSFET寄生体二极管，将功率调节模块中的大电容阵和电池组间电压差钳位于0.7V左右，即使得两者电势基本平衡，实现设备间电势差的匹配，利用MOSFET开关将电压差拉到接近于0V，基本消除继电器开关的冲击电流。
均衡模块实现电池组各单体的能量均衡。均衡模块采用硬件线性均衡管理技术，将每个单体与三极管并联，电压比较电路将单体电压与预先设定的阀值比较，当超过阀值时根据电池单体电压设置三极管中流过的均衡电流。具体结构如图2所示。由此可见，本发明的均衡电流控制精度高，避免了电池单体过充过放，保证了电池组的安全。
下面介绍功率路由器的结构设计：
功率路由器由智能控制模块和功率变换电路构成，如图3所示。功率路由器实现四个分布式电源中电池组能量的均衡。智能控制模块自动选择电压最高的电池组和电压最低的电池组，通过功率变换电路控制功率流向为从电压最高的电池组流向电压最低的电池组。
功率路由器的功率变换电路是一个四端口网络。拓扑图如图3所示，每个端口支持输入输出功率双向流动，每个端口通过一个半桥子电路。半桥子电路由两个功率开关一个电感构成，两个开关管串联，一端接输入/输出端口，一端接负母线。电感的一端连接到两个开关管之间，另一端连接到公共点，公共点连接一个电容。由此可见，本发明可自动将电压最高的电池组的能量传输到电压最低的电池组，实现不同分布式电源中电池组能量的均衡。
具体的，所述开关管包括一个MOSFET和一个二极管，其中，二极管的阳极连接MOSFET的源极，阴极连接MOSFET的漏级；所述智能控制模块输出的驱动电平加载在MOSFET的栅极和源极上；将双向端口中与分布式电源直接连接的开关管作为第一开关管，另一个开关管作为第二开关管，则第一开关管中MOSFET的漏级直接连接分布式电源，第二开关管中MOSFET的源级接地，第一开关管的源极连接第二开关管的漏级。
智能控制模块选定需要传递能量的两个通路后，给对应的两个双向端口的开关管加载驱动电平，打开对应的开关管实现功率控制，图4给出了不调节母线1到不调节母线4功率流向时，功率路由器的功率器件开关状态，具体的控制逻辑如表1所示。
需要说明的是，需要传递能量的两个通路的选定方法可以为：输出电压最大的分布式电源的能量流向输出电压最小的分布式电源；或者，输出电压最小的分布式电源的能量流向输出电压最大的分布式电源；或者，连接有出现故障的星上负载的分布式电源的能量流向连接有功率最大的星上负载的分布式电源。由此可见，本发明可以根据实际需要定义两个通路中哪个作为输入、哪个作为输出。
例如，最高电压的端口为不调节母线1且最低电压端口为不调节母线2，MOSFETS1、S4处在PWM工作状态，MOSFET S2、S3、S5、S6、S7、S8处在关断状态。其中S1、S2构成的半桥电路工作在Buck(降压)模式，S3、S4构成的半桥电路工作在Boost(升压)模式。最高电压的端口为不调节母线2且最低电压端口为不调节母线1，MOSFET S2、S3处在PWM工作状态，MOSFET S1、S4、S5、S6、S7、S8处在关断状态。其中S3、S4构成的半桥电路工作在Buck(降压)模式，S1、S2构成的半桥电路工作在Boost(升压)模式。其他功率流向的控制方法如表1中所示。
表1功率路由控制逻辑表
Figure BDA0002701190180000081
下面介绍全调节母线的设计过程：
四条不调节母线通过四个共阴极二极管、隔离变换器形成的全调节母线。全调节母线具有两个功能：实现不调节母线与全调节母线的隔离，避免不调节母线上的干扰；在地影期，最高电压的电池组实现对全调节母线的放电，其余二极管截止，实现电池组能量的自动均衡。
也就是说，本发明的四条不调节母线与一条全调节母线采用了隔离变换器隔离，避免不调节母线上的干扰影响全调节母线，同时地影期通过全调节母线也能实现电池组的自动均衡。
隔离变换器采用移相全桥电路。移相全桥的电路拓扑如图5所示，具有以下优势：适用单模块功率大、效率高，通过合理设计功率电路应力与驱动电路，可满足大功率电能转换需求，是适用于非隔离变换器的最优拓扑，转换效率较高。采用软开关方式以减小开关损耗。通过引入电感、电容谐振网络，可以实现开关管的零电压开关(Zero-Voltage-Switching，ZVS)或者零电流开关(Zero-Current-Switching，ZCS)，从而大幅降低开关损耗，减小电磁干扰。
由此可见，本发明采用了三个层次的能量均衡策略，实现系统级、单体级能量的均衡，对最大限度提高储能利用率，保障SAR卫星正常运行具有重要意义。功率路由器实现了多个分布式电源电池组能量的均衡，全调节母线在地影期自动均衡电池组能量，硬件线性均衡管理技术均衡电池单体的能量。本发明采用了隔离变换器实现了不调节母线与全调节母线的隔离，四条不调节母线通过隔离变换器形成全调节母线，降低了母线之间的干扰耦合，提高了系统工作的稳定性。此外，本发明采用了加断电模块实现整星测试过程中加断电控制，基本消除继电器开关的冲击电流。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，包括功率路由器与两个以上的分布式电源，其中，分布式电源的数量记为M；
所述功率路由器包括智能控制模块、公共电容以及M个与分布式电源一一对应的双向端口；
所述双向端口包括一个电感和两个相互串联的开关管，其中，串联的两个开关管的一端连接到对应的分布式电源，另一端接地，电感的一端连接到两个开关管之间，另一端通过公共电容接地；
所述智能控制模块用于根据设定规则选取两个分布式电源分别作为输出电源和输入电源，并分别向与输出电源直接连接的开关管、与输入电源连接的双向端口中接地的开关管输出驱动电平，使得供电均衡系统的能量由输出电源流向输入电源，实现能量的均衡。
2.如权利要求1所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，所述设定规则为：将输出电压最大的分布式电源作为输出电源，将输出电压最小的分布式电源作为输入电源。
3.如权利要求1所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，所述设定规则为：将输出电压最小的分布式电源作为输出电源，将输出电压最大的分布式电源作为输入电源。
4.如权利要求1所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，所述分布式电源用于为星上负载供电，所述设定规则为：将连接有出现故障的星上负载的分布式电源作为输出电源，将连接有功率最大的星上负载的分布式电源作为输入电源。
5.如权利要求1所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，所述开关管包括一个MOSFET和一个二极管，其中，二极管的阳极连接MOSFET的源极，阴极连接MOSFET的漏级；
所述智能控制模块输出的驱动电平加载在MOSFET的栅极和源极上；
将双向端口中与分布式电源直接连接的开关管作为第一开关管，另一个开关管作为第二开关管，则第一开关管中MOSFET的漏级直接连接分布式电源，第二开关管中MOSFET的源级接地，第一开关管的源极连接第二开关管的漏级。
6.如权利要求1所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，还包括隔离变换器与M个二极管，且各分布式电源的输出端通过不调节母线分别串接一个二极管后再连接到隔离变换器的输入端，使得输出电压最高的分布式电源所连接的二极管导通，其他二极管反向截止，进而输出电压最高的分布式电源对隔离变换器输出端连接的全调节母线进行放电，实现能量的均衡。
7.如权利要求6所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，所述隔离变换器采用移相全桥电路实现。
8.如权利要求1所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，所述分布式电源包括太阳能电池阵列、功率调节模块阵列、加断电模块、能量管理单元以及不调节母线，其中，所述能量管理单元包括均衡模块阵列与电池组，同时，太阳能电池阵列通过功率调节模块阵列连接到不调节母线上，能量管理单元通过加断电模块连接到不调节母线上；
所述太阳能电池阵列中的太阳能电池与功率调节模块阵列中的功率调节模块一一对应，且功率调节模块的工作电压与太阳能电池的输出功率有关，则所述功率调节模块用于调节自身的工作电压，使得与其连接的太阳能电池的输出功率最大；
所述加断电模块用于控制电池组与不调节母线之间的通断，其中，若加断电模块导通且分布式电源作为输出电源时，电池组通过不调节母线向输入电源放电，若加断电模块导通且分布式电源作为输入电源时，输出电源通过不调节母线向电池组充电；
所述均衡模块阵列中的均衡模块与电池组中的电池单体一一对应，且均衡模块并联在其对应的电池单体的两端，用于调节其对应电池单体的电压，使电池单体的电压稳定在设定范围内，保持电池单体之间能量的均衡。
9.如权利要求8所述的一种大功率SAR卫星供电均衡系统，其特征在于，当SAR卫星为低轨道卫星时，所述功率调节模块为具有MPPT调节功能的变换器；当SAR卫星为高轨道卫星时，所述功率调节模块为具有分流功能的变换器或同时具有MPPT调节功能和分流功能的变换器。
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