CN112290615A - 一种在轨可更换的自适应蓄电池系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应于在轨可更换的蓄电池系统及其控制方法，属于航天器电源技术领域，包括：磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、综合控制单元，蓄电池及其管理调节电路、单刀双掷接触器K1、单刀单掷接触器K2。磁耦合式无线传能副边使用逆变/整流公用的全桥拓扑；有线充放电单元采用四开关的buck‑boost双向拓扑。综合控制单元确定蓄电池系统进入有线功率传输、无线功率传输或待机状态。根据航天器功率状态表征参数MEA值、蓄电池是否需要充电，确定蓄电池系统进入充电、待机或放电模式。根据蓄电池组电压、母线电压、磁谐振副边输出端电压、磁谐振副边所需输入端电压等信息，确认有线升降压单元的调节模式，磁耦合式无线传能副边的调节模式。

Description

一种在轨可更换的自适应蓄电池系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及航天器电源技术领域，具体涉及一种在轨可更换的蓄电池系统及其控制方法，该系统特别适合空间在轨维护服务(在轨更换、在轨构建)，可以为航天器提供源源不断的能量来源。

背景技术

随着航天事业的快速发展以及对航天器降本增效需求的日益加剧，提升航天器任务能力、保证航天器空间安全、延长航天器寿命、降低任务成本及失败风险等需求日渐强烈，通过在轨维修、更换、升级、扩容等在轨服务是满足上述需求的最合适方法，也是后续研究的一个重点。能源作为在轨服务的一个重要部分，担负着为航天器供电、扩容的目的。蓄电池采用化学变换的方式进行能量的存储，其寿命随着充放电的增加而不断减少，为此对其进行更换成为在轨服务不可缺少的部分。且随着在轨航天器构建的需要，扩充航天器的能量来源，提高供电功率也成为后续迫切的需求。

目前的航天器蓄电池，根据航天器母线电压的不同需求，采用不同数量的蓄电池单体经过串、并联后组成，通过电缆网连接相应的充放电及蓄电池管理电路形成蓄电池系统，并不具备相应的维修更换及后续扩容的能力，即使进行更换，也只能按照最初的设计更换一样的蓄电池，大大限制了能源系统的扩展和维修更换能力。若要实现在轨功率扩容，增加蓄电池组数量及容量已无法满足要求，其原因如下：

1)增加蓄电池组数量：荷电状态不同的蓄电池组无法直接并联，否则不同蓄电池组间将进行充电或放电，并且由于“木桶效应”，所有蓄电池组的的充、放电性能将会受最差一组蓄电池钳制；

2)增加蓄电池组容量：原有的充放电调节设备及其配套的均衡、热控、过放过充保护等将无法匹配。

根据以上原因可知，要实现蓄电池组的任意更换、升级、扩容，单纯的更换蓄电池组已无法满足要求，需要采用蓄电池系统，该系统中包含充放电、均衡、热控、相关保护、蓄电池信息采集、记录、预测等功能。

国内目前还未有蓄电池在轨更换的成熟经验及设备，国外开展的蓄电池更换也是采用有线方式直接进行更换，但在轨通过有线连接进行功率传输，对于对接机构的对接精度、接插件的设计、相关保护电路的要求颇高，且一旦出现打火，轻则造成接插件的融化，重则造成航天器的能源短路，任务失败。为保证安全，一般都需要设计相应的带电热插拔电路或通过局部断电进行更换的，增加了更换的复杂度。

近场无线电能传输技术由于具有无机械连接束缚、无接插环节、无裸露导体、无漏电触电危险等优势，在以无线智能终端设备、人体植入医疗器械、消费电子设备、电动汽车等为代表的民用领域已经快速发展，具有较好的市场空间和应用前景，也成为在轨供能的理想方式。若能与蓄电池结合，可实现一个具备无线传能的能量包，满足在轨服务的相关需求。但电子电路的转换速度及转换能力无法满足大功率瞬态放电的要求，且单纯的无线能量传输无法满足蓄电池的充放电要求，还需串联相应的充放电调节单元。若能结合有线充放电电调节和无线功率传输的优点，实现蓄电池的混合充放电，将会大大提供蓄电池的适应性，既能够利用目前成熟的有线功率调节技术，又能够充分发挥无线传能的优点，为后续在轨更换蓄电池、实现在轨维修、更换、扩容提供宽广的技术基础和应用平台。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适应于在轨可更换的自适应蓄电池系统及其控制方法，目的是解决传统蓄电池无法满足在轨维修、更换、升级、扩容的需求，在有线功率调节的基础上，充分利用无线功率传输的优点，降低在轨维修的难度，实现可满足各种需求的蓄电池系统，满足不同母线电压的航天器功率需求。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种适应于在轨可更换的自适应蓄电池系统，包括：磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、综合控制单元，蓄电池及其管理调节电路、单刀双掷接触器K1和单刀单掷接触器K2。

磁耦合式无线传能副边的功率输出正端连接单刀双掷接触器K1的一个输出端，单刀双掷接触器K1的另一个输出端A端连接母线正端，单刀双掷接触器K1的输入端连接有线充放电单元的输入正端，磁耦合式无线传能副边功率输出负端连接有线功率单元输入负端。

有线充放电单元输出端与蓄电池及其管理调节电路的输入端并联，蓄电池及其管理调节电路的输出正端与单刀单掷接触器K2的输入端相连，单刀单掷接触器K2的输出正端B端对外输出，对应连接蓄电池的正端，蓄电池及其管理调节电路的输出负端C端直接对外输出，对应连接蓄电池的负端，同时也是母线的负端。

综合控制单元对磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、单刀双掷接触器K1、单刀单掷接触器K2和蓄电池及其管理调节电路进行开关控制。

进一步地，磁耦合式无线传能副边具体为：使用Q1～Q4四个MOSFET组成的全桥型拓扑主电路，作为能量发射模式时高频开关管工作；每个MOSFET并联一个与寄生二极管同极性的二级管，对应Q1～Q4的二极管分别为D1～D4，在接收模式时作为整流二级管工作；线圈L1采用SS串联结构，线圈L1与谐振电容C1串联后与全桥型拓扑主电路连接。

进一步地，有线充放电单元采用基于四开关buck-boost拓扑的双向拓扑，包括Q5～Q8四个MOSFET，每个MOSFET并联一个与寄生二极管同极性的二级管，对应Q5～Q8的二极管分别为D5～D8；有线充放电单元输入端并联一个输入电容C2，有线充放电单元输出端并联一个输出电容C3。

本发明实施例还提供了一种在轨可更换的蓄电池系统的控制方法，采用上述的系统执行如下控制流程：

综合控制单元首先通过无线通讯单元获得磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置信号，A、B、C端与航天器的有线连接信号，经过逻辑处理后，确定蓄电池系统进入有线功率传输、无线功率传输或待机状态。

其次，综合控制单元获得航天器功率状态表征参数MEA值、蓄电池是否需要充电的信息后，确定蓄电池系统进入充电、待机或放电模式；

最后根据蓄电池电压、母线电压、磁耦合式无线传能副边输出端电压、磁耦合式无线传能副边所需输入端电压的信息，确认有线充放电单元采用升压、降压或滤波调节，磁耦合式无线传能副边采用整流或逆变调节。

进一步地，综合控制单元首先通过无线通讯单元获得磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置信号，A、B、C端与航天器的有线连接信号，经过逻辑处理后，确定蓄电池系统进入有线功率传输、无线功率传输或待机状态；具体为：

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置到位，且A、B、C端均与航天器连接到位，则确定蓄电池系统进入有线功率传输状态。

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置未到位，且A、B、C端均与航天器连接到位，则确定蓄电池系统进入有线功率传输状态。

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置到位，且A、B、C端与航天器未全部连接到位，则确定蓄电池系统进入无线功率传输状态。

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置未到位，且A、B、C端与航天器未全部连接到位，则确定蓄电池系统进入待机状态。

综合控制单元获得航天器功率状态表征参数MEA值、蓄电池是否需要充电的信息后，确定蓄电池系统进入充电、待机或放电模式，具体为：

若蓄电池需要充电，且MEA值显示航天器发电功率大于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入充电模式。

若蓄电池需要充电，且MEA值显示航天器发电功率等于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入直通滤波模式。

若蓄电池需要充电，且MEA值显示航天器发电功率小于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入放电模式。

若蓄电池不需要充电，且MEA值显示航天器发电功率大于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入待机模式。

若蓄电池不需要充电，且MEA值显示航天器发电功率等于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入直通滤波模式。

若蓄电池不需要充电，且MEA值显示航天器发电功率小于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入放电模式。

根据蓄电池电压、母线电压、磁耦合式无线传能副边输出端电压、磁耦合式无线传能副边所需输入电压的信息，确认有线充放电单元采用升压、降压或滤波调节，磁耦合式无线传能副边采用整流或逆变调节，具体为：

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压低于母线电压，则确认有线充放电单元采用降压调节。

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边输出端电压，则确认有线充放电单元采用降压调节，且磁耦合式无线传能副边采用整流调节。

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压等于母线电压，则确认有线充放电单元采用直通滤波调节；

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边输出端电压，则确认有线充放电单元采用直通滤波调节，且磁耦合式无线传能副边采用整流调节。

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压高于母线电压，则确认有线充放电单元采用升压调节。

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边输出端电压，则确认有线充放电单元采用升压调节，且磁耦合式无线传能副边采用整流调节。

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压低于母线电压，则确认有线充放电单元采用升压调节。

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，则确认有线充放电单元采用升压调节，且磁耦合式无线传能副边采用逆变调节。

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压等于母线电压，则确认有线充放电单元采用直通滤波调节。

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，则确认有线充放电单元采用直通滤波调节，且磁耦合式无线传能副边采用逆变调节。

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压高于母线电压，则确认有线充放电单元采用降压调节。

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，则确认有线充放电单元采用降压调节，且磁耦合式无线传能副边采用逆变调节。

进一步地，蓄电池系统在有线功率传输状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到母线输入模式下，此时磁耦合式无线传能副边不工作，共有降压充电模式、升压充电模式、直通滤波模式、升压放电模式、降压放电模式、直接放电模式等6种工作模式。

降压充电模式为：该模式下蓄电池电压低于母线电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补。

升压充电模式为：该模式下蓄电池电压高于母线电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补。

直通滤波模式为：该模式下蓄电池电压等于母线电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元与电容C2、C3组合变为CLC的π型滤波电路结构。

升压放电模式为：该模式下蓄电池电压低于母线电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补。

降压放电模式：该模式下蓄电池电压高于母线电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补。

直接放电模式为：负载功率需求大于有线充放电单元能够提供的功率，若负载工作电压与蓄电池电压相匹配，则此时有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的都处于断开状态，直接闭合单刀单掷接触器K2，由蓄电池直接放电以满足负载需求；否则此时为确保蓄电池安全，则工作于待机状态。

进一步地，蓄电池系统在无线功率传输状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到磁耦合式无线传能副边输入模式下，共有降压充电模式、升压充电模式、充电滤波模式、升压放电模式、降压放电模式、放电滤波模式等6种工作模式。

降压充电模式为：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补。

升压充电模式为：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补。

充电滤波模式：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元与电容C2、C3组合变为CLC的π型滤波电路结构。

升压放电模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补。

降压放电模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补。

放电滤波模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元变为CLC的π型滤波电路结构。

进一步地，蓄电池系统在待机状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到母线输入模式下，此时蓄电池系统未与航天器连接或航天器不需要蓄电池系统进行充放电，磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于断开状态，有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的都处于断开状态，单刀单掷接触器K2也处于断开状态。

有益效果：

1)在轨可更换的蓄电池系统及其控制方法可应用于航天器在轨维修、更换、升级、扩容等场合，有效解决目前蓄电池系统无法通过直接增加蓄电池组数量、容量达到功率扩容的目的；

2)有效解决电接口暴露于外太空环境，存在电弧放电风险、误操作风险和机械接口卡死风险，降低了航天器对接精度、机械臂控制精度等要求；

3)本发明设计的在轨可更换的蓄电池系统考虑了后续航天器在轨维护对灵活性、广泛适应性的需求，对磁耦合式无线传能的主电路和线圈均采取收发共用设计，对充放电调节单元采用升降压双向传输设计，系统集成度更高；并且可根据需要灵活裁剪满足各种应用场合。

附图说明

图1为在轨可更换的蓄电池系统组成框图；

图2为磁耦合式无线传能副边电路原理图；

图3为有线充放电单元电路原理图；

图4为有线充放电单元充电降压、放电升压工作模式图

图5为有线充放电单元充电升压、放电降压工作模式图

图6为有线充放电单元直通滤波工作模式图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本实施例一种适应于在轨可更换的自适应蓄电池系统，包括：磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、综合控制单元，蓄电池及其管理调节电路、单刀双掷接触器K1、单刀单掷接触器K2。构成蓄电池系统的部件连接是：磁耦合式无线传能副边功率输出正端连接单刀双掷接触器K1的一个输出端，单刀双掷接触器K1的另一个输出端A连接母线正端，单刀双掷接触器K1的输入端连接有线充放电单元的输入正端，磁耦合式无线传能副边功率输出负端连接有线功率单元输入负端，有线功率单元输出与蓄电池及其管理调节电路的输入端并联，蓄电池及其管理调节电路的输出正端与单刀单掷接触器K2的输入端相连，单刀单掷接触器K2的输出端B对外输出，其对应的是蓄电池的正端，蓄电池及其管理调节电路的输出负端C直接对外输出，其对应的是蓄电池的负端，同时也是母线的负端；综合控制单元对磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、单刀双掷接触器K1、单刀单掷接触器K2和蓄电池及配套管理调节电路的功率开关管、接触器等进行开关控制，它包括有线采集与处理、无线通讯单元、控制逻辑、脉冲产生、驱动及保护电路等模块。

如图2所示，为磁耦合式无线传能副边内调节拓扑采用有源全桥逆变与无源全桥整流共用的主电路，使用Q1-Q4四个MOSFET组成的全桥型拓扑，作为能量发射模式时高频开关管工作；每个MOSFET并联一个与寄生二极管同极性的二级管D1-D4，在接收模式时作为整流二级管工作；线圈采用SS串联结构，线圈与谐振电容串联后与主电路连接。

如图3所示，为有线充放电单元采用基于四开关buck-boost拓扑的双向拓扑，根据母线电压与蓄电池的电压之间的压差及其工作需要，可灵活选用升压、降压、滤波模式，完成对蓄电池的充放电。

在轨可更换的自适应蓄电池系统控制方法集成与综合控制单元，其具体实现方式为：

(一)综合控制单元首先通过无线通讯单元获得磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置信号，A、B、C端与航天器的有线连接信号，经过逻辑处理后，确定蓄电池系统进入有线功率传输、无线功率传输或待机状态。其蓄电池系统工作状态判决表如表1所示。

表1蓄电池系统工作状态判决表

其次，综合控制单元获得航天器功率状态表征参数MEA(主误差放大器)值、蓄电池是否需要充电等信息后，确定蓄电池系统进入充电、直通滤波或放电模式，其蓄电池系统有线充放电单元充、放电模式判决表如表2所示。

表2有线充放电单元充、放电模式判决表

最后根据蓄电池组电压、母线电压、磁谐振副边输出端电压、磁谐振副边所需输入端电压等信息，确认有线升降压单元采用升压、降压或直通滤波调节，磁耦合式无线传能副边采用整流或逆变调节，其蓄电池系统调节状态判决表如表3所示。

表3蓄电池系统调节状态判决表

注意上述有线放电情况只针对平稳载荷，若负载功率需求远大于有线充放电单元能够提供的功率，且负载工作电压与蓄电池电压相匹配，则此时有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的都处于断开状态，直接闭合单刀单掷接触器K2，由蓄电池直接放电以满足负载需求；否则此时为确保蓄电池安全，则工作于待机状态。

(二)有线功率传输状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到母线输入模式下，此时磁耦合式无线传能副边不工作，共有以下几种模式：

1)降压充电模式：该模式下蓄电池电压低于母线电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补，其工作模式图如图4所示。

2)升压充电模式：该模式下蓄电池电压高于母线电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补，其工作模式图如图5所示。

3)直通滤波模式：该模式下蓄电池电压等于母线电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元与电容C2、C3组合变为CLC的π型滤波电路结构，其工作模式图如图6所示。

4)升压放电模式：该模式下蓄电池电压低于母线电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补，其工作模式图如图4所示，其中Q7等效为直接连接，Q8等效为断开。

5)降压放电模式：该模式下蓄电池电压高于母线电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补，其工作模式图如图5所示，其中Q5等效为直接连接，Q6等效为断开。

6)直接放电状态下，负载功率需求远大于有线充放电单元能够提供的功率，若负载工作电压与蓄电池电压相匹配，则此时有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的都处于断开状态，直接闭合单刀单掷接触器K2，由蓄电池直接放电以满足负载需求；否则此时为确保蓄电池安全，则工作于待机状态。

(四)无线功率传输状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到磁耦合式无线传能副边输入模式下，共有以下几种模式：

1)降压充电模式：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补，其工作模式图如图4所示。

2)升压充电模式：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补，其工作模式图如图5所示。

3)充电滤波模式：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元与电容C2、C3组合变为CLC的π型滤波电路结构，其工作模式图如图6所示，其中Q5、Q7等效为直接连接，Q6、Q8等效为断开。

4)升压放电模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补，其工作模式图如图4所示。

5)降压放电模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补，其工作模式图如图5所示。

6)放电滤波模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元变为CLC的π型滤波电路结构，其工作模式图如图6所示。

(五)待机状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到母线输入模式下，此时蓄电池系统未与航天器连接或航天器不需要蓄电池系统进行充放电，磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于断开状态，有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的都处于断开状态，单刀单掷接触器K2也处于断开状态。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种适应于在轨可更换的自适应蓄电池系统，其特征在于，系统包括：磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、综合控制单元，蓄电池及其管理调节电路、单刀双掷接触器K1和单刀单掷接触器K2；

所述磁耦合式无线传能副边的功率输出正端连接单刀双掷接触器K1的一个输出端，单刀双掷接触器K1的另一个输出端A端连接母线正端，单刀双掷接触器K1的输入端连接有线充放电单元的输入正端，磁耦合式无线传能副边功率输出负端连接有线功率单元输入负端；

所述有线充放电单元输出端与蓄电池及其管理调节电路的输入端并联，蓄电池及其管理调节电路的输出正端与单刀单掷接触器K2的输入端相连，单刀单掷接触器K2的输出正端B端对外输出，对应连接蓄电池的正端，蓄电池及其管理调节电路的输出负端C端直接对外输出，对应连接蓄电池的负端，同时也是母线的负端；

所述综合控制单元对磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、单刀双掷接触器K1、单刀单掷接触器K2和蓄电池及其管理调节电路进行开关控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述磁耦合式无线传能副边具体为：使用Q1～Q4四个MOSFET组成的全桥型拓扑主电路，作为能量发射模式时高频开关管工作；每个MOSFET并联一个与寄生二极管同极性的二级管，对应Q1～Q4的二极管分别为D1～D4，在接收模式时作为整流二级管工作；线圈L1采用SS串联结构，线圈L1与谐振电容C1串联后与全桥型拓扑主电路连接。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述有线充放电单元采用基于四开关buck-boost拓扑的双向拓扑，包括Q5～Q8四个MOSFET，每个MOSFET并联一个与寄生二极管同极性的二级管，对应Q5～Q8的二极管分别为D5～D8；有线充放电单元输入端并联一个输入电容C2，有线充放电单元输出端并联一个输出电容C3。

4.一种在轨可更换的蓄电池系统的控制方法，其特征在于，采用如权利要求1～3任一所述的系统执行如下控制流程：

所述综合控制单元首先通过无线通讯单元获得磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置信号，A、B、C端与航天器的有线连接信号，经过逻辑处理后，确定蓄电池系统进入有线功率传输、无线功率传输或待机状态；

其次，综合控制单元获得航天器功率状态表征参数MEA值、蓄电池是否需要充电的信息后，确定蓄电池系统进入充电、待机或放电模式；

最后根据蓄电池电压、母线电压、磁耦合式无线传能副边输出端电压、磁耦合式无线传能副边所需输入端电压的信息，确认有线充放电单元采用升压、降压或滤波调节，磁耦合式无线传能副边采用整流或逆变调节。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述综合控制单元首先通过无线通讯单元获得磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置信号，A、B、C端与航天器的有线连接信号，经过逻辑处理后，确定蓄电池系统进入有线功率传输、无线功率传输或待机状态；具体为：

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置到位，且A、B、C端均与航天器连接到位，则确定蓄电池系统进入有线功率传输状态；

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置未到位，且A、B、C端均与航天器连接到位，则确定蓄电池系统进入有线功率传输状态；

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置到位，且A、B、C端与航天器未全部连接到位，则确定蓄电池系统进入无线功率传输状态；

若磁耦合式无线传能原边与磁耦合式无线传能副边的位置未到位，且A、B、C端与航天器未全部连接到位，则确定蓄电池系统进入待机状态；

所述综合控制单元获得航天器功率状态表征参数MEA值、蓄电池是否需要充电的信息后，确定蓄电池系统进入充电、待机或放电模式，具体为：

若蓄电池需要充电，且MEA值显示航天器发电功率大于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入充电模式；

若蓄电池需要充电，且MEA值显示航天器发电功率等于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入直通滤波模式；

若蓄电池需要充电，且MEA值显示航天器发电功率小于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入放电模式；

若蓄电池不需要充电，且MEA值显示航天器发电功率大于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入待机模式；

若蓄电池不需要充电，且MEA值显示航天器发电功率等于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入直通滤波模式；

若蓄电池不需要充电，且MEA值显示航天器发电功率小于负载用电功率，则确定蓄电池系统进入放电模式；

所述根据蓄电池电压、母线电压、磁耦合式无线传能副边输出端电压、磁耦合式无线传能副边所需输入电压的信息，确认有线充放电单元采用升压、降压或滤波调节，磁耦合式无线传能副边采用整流或逆变调节，具体为：

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压低于母线电压，则确认所述有线充放电单元采用降压调节；

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边输出端电压，则确认所述有线充放电单元采用降压调节，且所述磁耦合式无线传能副边采用整流调节；

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压等于母线电压，则确认所述有线充放电单元采用直通滤波调节；

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边输出端电压，则确认所述有线充放电单元采用直通滤波调节，且所述磁耦合式无线传能副边采用整流调节；

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压高于母线电压，则确认所述有线充放电单元采用升压调节；

在蓄电池系统处于充电模式下，若蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边输出端电压，则确认所述有线充放电单元采用升压调节，且所述磁耦合式无线传能副边采用整流调节；

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压低于母线电压，则确认所述有线充放电单元采用升压调节；

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，则确认所述有线充放电单元采用升压调节，且所述磁耦合式无线传能副边采用逆变调节；

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压等于母线电压，则确认所述有线充放电单元采用直通滤波调节；

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，则确认所述有线充放电单元采用直通滤波调节，且所述磁耦合式无线传能副边采用逆变调节；

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压高于母线电压，则确认所述有线充放电单元采用降压调节；

在蓄电池系统处于放电模式下，若蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，则确认所述有线充放电单元采用降压调节，且所述磁耦合式无线传能副边采用逆变调节。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，蓄电池系统在有线功率传输状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到母线输入模式下，此时磁耦合式无线传能副边不工作，共有降压充电模式、升压充电模式、直通滤波模式、升压放电模式、降压放电模式、直接放电模式等6种工作模式；

所述降压充电模式为：该模式下蓄电池电压低于母线电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补；

所述升压充电模式为：该模式下蓄电池电压高于母线电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补；

所述直通滤波模式为：该模式下蓄电池电压等于母线电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元与电容C2、C3组合变为CLC的π型滤波电路结构；

所述升压放电模式为：该模式下蓄电池电压低于母线电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补；

所述降压放电模式：该模式下蓄电池电压高于母线电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补；

所述直接放电模式为：负载功率需求大于有线充放电单元能够提供的功率，若负载工作电压与蓄电池电压相匹配，则此时有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的都处于断开状态，直接闭合单刀单掷接触器K2，由蓄电池直接放电以满足负载需求；否则此时为确保蓄电池安全，则工作于待机状态。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，蓄电池系统在无线功率传输状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到磁耦合式无线传能副边输入模式下，共有降压充电模式、升压充电模式、充电滤波模式、升压放电模式、降压放电模式、放电滤波模式等6种工作模式；

所述降压充电模式为：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补；

所述升压充电模式为：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补；

所述充电滤波模式：磁耦合式无线传能副边二级管D1-D4处于整流状态，蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边整流电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元采集蓄电池充电电压、充电电流与蓄电池设置电压、设置电流，通过运算后获得蓄电池的充电控制信号BEA，与航天器功率状态表征参数MEA值，进行取小处理后作为最终控制信号，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元与电容C2、C3组合变为CLC的π型滤波电路结构；

所述升压放电模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压低于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于升压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q7一直工作在导通状态，Q8一直工作在断开状态，仅通过Q5、Q6的开关动作实现端口电压的调节，其中Q5、Q6驱动信号互补；

所述降压放电模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压高于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于降压模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5一直工作在导通状态，Q6一直工作在断开状态，仅通过Q7、Q8的开关动作实现端口电压的调节，其中Q7、Q8驱动信号互补；

所述放电滤波模式：磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于逆变状态，其开关频率为线圈电感L1和电容C1组合的谐振频率，并采用固定占空比，蓄电池电压等于磁耦合式无线传能副边所需输入电压，有线充放电单元工作于直通滤波模式下，综合控制单元获取航天器功率状态表征参数MEA值，与有线充放电单元内电感L2上的电流采集值进行运算处理后，调节有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的工作状态，其中开关管Q5、Q7一直工作在导通状态，Q6、Q8一直工作在断开状态，有线充放电单元变为CLC的π型滤波电路结构。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，蓄电池系统在待机状态下，单刀双掷接触器K1的输入端切换到母线输入模式下，此时蓄电池系统未与航天器连接或航天器不需要蓄电池系统进行充放电，磁耦合式无线传能副边开关管Q1-Q4处于断开状态，有线充放电单元的四开关buck-boost双向拓扑的4个开关管的都处于断开状态，单刀单掷接触器K2也处于断开状态。

Images