CN112467820A - 一种航天器电源系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种航天器电源系统及其控制方法，所述航天器系统包括电源模块、蓄电池、充电调节模块、放电调节模块、电压误差放大电路以及电池充电管理电路，所述电压误差放大电路用于控制母线电压的调节，所述电池充电管理电路用于控制充电调节电路输出功率的调节；所述航天器电源系统的控制方法，根据电压误差放大电路所输出的主误差放大信号MEA的电压范围不同，所述电源系统的工作在三种不同模式下：光照器分流调节电路稳定母线电压功能工作域、阴影期放电调节电路稳定母线电压功能工作域以及死区。本发明所提出的新型航天器电源系统仅经历1个死区范围，可以有效提高电源系统的母线动态响应速度，大大简化充电调节电路的控制系统设计复杂性。

Description

一种航天器电源系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及空间电源领域，特别涉及一种航天器电源系统及其控制方法。
背景技术
目前航天器电源系统大多使用的仍是太阳电池阵-蓄电池电源系统，航天器处于光照期时，依靠太阳帆板吸收太阳能为航天器负载供电和蓄电池进行充电，同时多余的能源通过电源系统分流调节电路短路返回至太阳电池阵，航天器处于阴影期时，依靠蓄电池放电为航天器负载供电。
为了提高航天器电源系统母线控制精度和响应速度，大多电源系统采用统一MEA控制策略，电源系统根据MEA电压范围工作在不同的模式。一般分为分流域、充电域和放电域：当太阳阵能源足够负载功率需求，但不足负载功率和蓄电池充电功率需求时，电源系统工作在充电域，太阳阵能源通过分流调节电路全部供电到母线端，优先为负载供电，多余的能源为蓄电池充电，电源系统输出母线电压由充电调节电路稳定实现，充电调节电路自动减小充电电流，因此设计时充电调节电路除按照蓄电池特性设置的恒流、恒压环路控制系统外，需要增加单独的稳定母线功能的环路控制系统，充电调节电路控制系统设计较为复杂。
为了不同域之间电源系统稳定工作，电源系统分流域、充电域和放电域之间设置相应的死区电压，MEA电压在经历死区电压段时，电源系统分流调节电路、充电调节电路和放电调节电路都不对母线电压进行调节，只有跨过死区电压到相应的域内时，相应的控制电路开始起控，通过系统负反馈将母线电压调整到正常范围内，因此电源系统在光照期和阴影期之间过渡时，MEA电压经历三域，两个死区电压，分别是分流域与充电域之间的死区电压，充电域和放电域之间的死区电压，电源系统的母线电压响应速度相对较慢。
综上，现有航天器电源系统统一主误差放大信号(MEA)控制方法，主要存在以下不足：
1)充电调节电路控制系统设计复杂，对功率拓扑的特性有一定要求，除了满足通用的蓄电池恒流、恒压充电控制系统外，针对电源系统在充电域工作时，充电调节电路需要设计单独的针对稳定母线功能的控制系统环路，充电控制系统的设计相对较为复杂；
2)航天器电源系统在光照期和阴影期之间过渡时，3域过渡经历2个死区电压，电源系统母线电压动态响应速度相对较慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航天器电源系统及其控制方法，实现航天器在光照期和阴影期过渡时，电压误差放大电路输出的主误差放大信号MEA仅经历1个死区范围，有效提高电源系统的母线动态响应速度，且在太阳阵能源不足以满足负载功率和蓄电池充电功率之和时，无须考虑由充电调节电路实现稳定母线电压功能，大大简化充电调节电路的控制系统设计复杂性，解决了传统航天器电源系统不足。
为了达到上述目的，本发明提供了一种航天器电源系统，其用于为负载功能供电，所述电源系统包括：
电源模块，其输出母线电压，所述电源模块包括N路并联的太阳电池阵，与N路太阳电池阵一一串联的N路分流调节电路；
连接在电源模块的输出端与地端之间的蓄电池；
连接在电源模块与蓄电池之间的充电调节电路；
连接在蓄电池与电源模块之间的放电调节电路；
电压误差放大电路，其输入端接入母线电压采样信号VBUS+及基准电压参考信号Vref-BUS，其输出端输出主误差放大信号MEA至每一路分流调节电路、放电调节电路及电池充电管理电路的输入端；所述电压误差放大电路输出主误差放大信号MEA，用于控制母线电压的调节，确保任何时刻母线电压稳定；
电池充电管理电路，其输入端接入蓄电池电压采样信号Vbat、恒压充电基准参考信号Vref-V、恒流充电基准参考信号Vref-I、主误差放大信号MEA及基准电压参考信号Vref-BCM，其输出端输出电池充电管理信号BCM至所述放电调节电路的输入端；所述电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM，用于控制充电调节电路输出功率的调节。
进一步地，所述N大于等于1。
进一步地，所述充电调节电路包括相互连接的BUCK拓扑电路、充电电流采样电路及电流内环控制器，所述电流内环控制器包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的输入端连接电池充电管理电路的输出端及充电电流采样电路的输出端，所述第一运算放大器的输出端连接BUCK拓扑电路中MOS管的栅极；所述BUCK拓扑电路包括MOS管、二极管、电感及电阻，所述MOS管的漏极连接电源模块的输出端，所述MOS管的源极连接电感的正极及二极管的负极，所述二极管的正极接地，所述电感的负极经电阻连接到蓄电池的输入端；所述充电电流采样电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端分别连接电感的负极、电阻的负极，所述第二运算放大器的输出端连接电流内环控制器中的第一运算放大器的输入端；所述充电调节电路采用平均电流模式控制，通过调整电池充电管理电路输出的电池充电管理信号BCM的大小实现充电调节电路输出电流大小的调整。
进一步地，所述充电调节电路采用平均电流模式控制，通过调整电池充电管理电路输出的电池充电管理信号BCM的大小实现充电调节电路输出电流大小的调整。
进一步地，所述电池充电管理电路包括：
电池恒压充电控制器，其输入端接入蓄电池电压采样信号Vbat与恒压充电基准参考信号Vref-V的误差信号，并输出电池误差放大电压信号BEA；
BCM-MEA控制器，其输入端接入主误差放大信号MEA及基准电压参考信号Vref-BCM的误差信号，并输出电压控制信号BCM-MEA；
取小运算电路，其输入端分别接入电池误差放大电压信号BEA、恒流充电基准参考信号Vref-I以及电压控制信号BCM-MEA，用于将电池误差放大电压信号BEA、恒流充电基准参考信号Vref-I以及电压控制信号BCM-MEA三者中数值最小的电压信号作为电池充电管理电路的输出电池充电管理信号BCM。
进一步地，电源模块输出功率优先为负载供电后，剩余输出功率若大于蓄电池恒流或恒压模式充电功率需求时，电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM为电池恒压充电控制器输出的电池误差放大电压信号BEA或恒流充电基准参考信号Vref-I。
进一步地，电源模块输出功率优先为负载供电后，剩余输出功率不足以满足蓄电池恒流或恒压模式充电功率需求时，电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM为BCM-MEA控制器输出电压控制信号BCM-MEA。
进一步地，所述基准电压参考信号Vref-BCM取值为7.5V。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种航天器电源系统的控制方法，电源系统中电压误差放大电路所输出的主误差放大信号MEA的电压范围不同，所述电源系统的工作在不同模式：
当主误差放大信号MEA的电压范围为8.5V≤MEA≤20V时，所述电源系统工作在光照器分流调节电路稳定母线电压功能工作域；
当主误差放大信号MEA的电压范围为1V≤MEA≤8V时，所述电源系统工作在阴影期放电调节电路稳定母线电压功能工作域；
当主误差放大信号MEA的电压范围为8V<MEA<8.5V时，所述电源系统工作在死区。
进一步地，所述电源系统工作在阴影期放电调节电路稳定母线电压功能工作域时，又分为三种工作模式：
当主误差放大信号MEA的电压范围为1V≤MEA≤7.5V时，所述N路分流调节电路工作在全供电模式，充电调节电路不工作，放电调节电路工作以稳定母线电压；
当主误差放大信号MEA的电压范围为7.5V<MEA≤8V时，所述N路分流调节电路工作在全供电模式，充电调节电路及放电调节电路同时工作，所述充电调节电路作为电源系统的可调直流负载，并按照蓄电池状态恒流或恒压充电，其功率不足部分由放电调节电路输出补偿，以稳定母线电压；
当主误差放大信号MEA的电压范围为MEA＝7.5V时，放电调节电路输出功率恒定，通过自动调整电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM大小实现充电调节电路输入功率调整；所述充电调节电路输入功率等于放电调节电路输出功率与电源模块输出功率之和减去负载功率。
进一步地，所述电源系统工作在光照器分流调节电路稳定母线电压功能工作域时，所述充电调节电路作为电源系统的稳定直流负载，并按照恒压或恒流模式为蓄电池充电，放电调节的线路不工作，电源模块中的N路分流调节电路并联工作以稳定母线电压。
本发明具有以下优势：
本发明提供的一种航天器电源系统及其控制方法，实现航天器在光照期和阴影期过渡时，电压误差放大电路输出的主误差放大信号MEA仅经历1个死区范围，有效提高电源系统的母线动态响应速度，且在太阳阵能源不足以满足负载功率和蓄电池充电功率之和时，无须考虑由充电调节电路实现稳定母线电压功能，大大简化充电调节电路的控制系统设计复杂性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种航天器电源系统的原理框图；
图2为本发明实施例提供的电池充电管理电路的原理框图；
图3为本发明实施例提供的充电调节电路的原理框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种航天器电源系统及其控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示，本发明提出的一种航天器电源系统，用于为负载供电，所述的电源系统包括：
电源模块，其输出端输出母线电压，所述电源模块包括12路并联的太阳电池阵，与12路太阳电池阵一一串联的12路分流调节电路；
连接在电源模块与地端之间的电容阵及蓄电池；所述电容阵用于稳定所述电源模块输出的母线电压的电压值；
连接在电源模块与蓄电池之间的充电调节电路；
连接在蓄电池与电源模块之间的放电调节电路；以及
电压误差放大电路，其输入端接入母线电压采样信号VBUS+及基准电压参考信号Vref-BUS，其输出端输出主误差放大信号MEA至每一路分流调节电路、放电调节电路、电池充电管理电路的输入端；所述电压误差放大电路输出主误差放大信号MEA，用于控制母线电压的调节，确保任何时刻母线电压稳定；
电池充电管理电路，其输入端接入蓄电池电压采样信号Vbat、恒压充电基准参考信号Vref-V、恒流充电基准参考信号Vref-I、主误差放大信号MEA及基准电压参考信号Vref-BCM，其输出端输出电池充电管理信号BCM至所述放电调节电路的输入端；所述电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM，作为充电调节电路充电电流的参考控制信号，自动调节大小以实现控制充电调节电路输出功率的调节。
所述的航天器电源系统用于为负载供电时，所述负载连接在所述电源模块的输出端。
进一步，如图2所示，所述电池充电管理电路包括：
电池恒压充电控制器，其输入端接入蓄电池电压采样信号Vbat与恒压充电基准参考信号Vref-V的误差信号，输出电池误差放大信号BEA；
BCM-MEA控制器，其输入端接入主误差放大信号MEA及基准电压参考信号Vref-BCM的误差信号，输出电压控制信号BCM-MEA；
取小运算电路，其输入端分别接入电池误差放大信号BEA、恒流充电基准参考信号Vref-I以及电压控制信号BCM-MEA，用于将电池误差放大信号BEA、恒流充电基准参考信号Vref-I以及电压控制信号BCM-MEA三者中数值最小的电压信号作为电池充电管理电路的输出电池充电管理信号BCM。
具体地，电源模块输出功率优先为负载供电后，剩余输出功率若大于蓄电池恒流或恒压模式充电功率需求时，电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM为电池恒压充电控制器输出的电误差放大信号BEA或恒流充电基准参考信号Vref-I。电源模块输出功率优先为负载供电后，剩余输出功率不足以满足蓄电池恒流或恒压模式充电功率需求时，电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM为BCM-MEA控制器输出电压控制信号BCM-MEA。BCM-MEA控制器输出电压控制信号BCM-MEA的电压大小由电压误差放大电路输出的主误差放大信号MEA与基准电压参考信号Vref-BCM误差决定，主误差放大信号MEA的电压值越小，则BCM-MEA控制器输出电压控制信号BCM-MEA的电压值越小，即电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM的电压值越小。其中，所述基准电压参考信号Vref-BCM取值为7.5V。
如图3所示，所述的充电调节电路包括BUCK拓扑电路、充电电流采样电路、电流内环控制器，所述电流内环控制器包括第一运算放大器A1，所述第一运算放大器A1的输入端连接电池充电管理电路的输出端及充电电流采样电路的输出端，所述第一运算放大器A1的输出端连接BUCK拓扑电路中MOS管Q1的栅极；所述BUCK拓扑电路包括MOS管Q1、二极管D1、电感L1及电阻R1，所述MOS管Q1的漏极连接电源模块的输出端，所述MOS管Q1的源极连接电感L1的正极及二极管D1的负极，所述二极管D1的正极接地，所述电感L1的负极经电阻R1连接到蓄电池的输入端；所述充电电流采样电路包括第二运算放大器A2，所述第二运算放大器A2的输入端分别连接电感L1的负极、电阻R1的负极，所述第二运算放大器A2的输出端连接电流内环控制器中的第一运算放大器A1的输入端。所述充电调节电路采用平均电流控制模式，通过电源系统负反馈自动调整电池充电管理电路输出的电池充电管理信号BCM的大小，实现充电调节电路输出电流大小的调整。
具体地，所述放电调节电路采用跨导模式控制，通过调整电压误差放大电路输出的主误差放大信号MEA的大小实现放电调节电路输出电流大小的调整。
本发明还提出了一种航天器电源系统的控制方法，采用统一MEA控制策略，根据电源系统中电压误差放大电路所输出的主误差放大信号MEA的电压范围不同，所述电源系统的工作在三种不同模式：
1、当主误差放大信号MEA的电压范围为8.5V≤MEA≤20V时，所述电源系统工作在光照器分流调节电路稳定母线电压功能工作域；
具体地，当主误差放大信号MEA的电压范围为8.5V≤MEA≤20V时，电源模块输出功率满足负载功率和蓄电池恒流或恒压模式充电的功率需求，电源模块中的12路分流调节电路形式完全相同，所述12路分流调节电路并联工作以稳定母线电压；放电调节电路不工作，此状态下，充电调节电路作为电源系统的稳定直流负载，并根据蓄电池状态按照恒流或恒压模式为蓄电池充电。
2、当主误差放大信号MEA的电压范围为1V≤MEA≤8V时，所述电源系统工作在阴影期放电调节电路稳定母线电压功能工作域；
具体地，所述电源系统工作在阴影期放电调节电路稳定母线电压功能工作域时，又分为三种工作模式：
当主误差放大信号MEA的电压范围为1V≤MEA≤7.5V时，电源模块输出功率小于负载功率需求，负载功率不足部分由蓄电池通过放电调节电路输出补偿，此模式下，所述12路放电调节电路全供电工作，电源系统由放电调节电路工作以实现稳定母线电压，充电调节电路不工作；
当主误差放大信号MEA的电压范围为7.5V<MEA≤8V时，电源模块输出功率小于负载功率和蓄电池恒流或恒压充电功率之和，但大于负载功率，所述12路分流调节电路工作在全供电模式，充电调节电路及放电调节电路同时工作，所述放电调节电路工作以稳定母线电压：所述充电调节电路作为电源系统的可调直流负载，充电调节电路按照蓄电池状态进行恒流或恒压充电所需要的功率工作，所述充电调节电路输出功率不足部分由放电调节电路输出补偿，蓄电池实际充电功率为电源模块输出功率与负载功率之差；其中，充电调节电路按照蓄电池状态进行恒流或恒压充电时，其输出功率大小的自动调节通过电池管理电路根据电压误差放大信号MEA的大小自动调节电池管理信号BCM大小实现；
当主误差放大信号MEA的电压范围为MEA＝7.5V时，蓄电池通过放电调节电路输出功率恒定，所述充电调节电路输出功率等于放电调节电路输出功率与电源模块输出功率之和减去负载功率，蓄电池充电功能等于充电调节电路输出功率和放电调节电路输入功率之差，根据电源模块输出功率和负载功率情况，自动调整电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM大小实现充电调节电路输出功率的调整；具体地，电源模块输出功率减小或负载功率增加时，电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM自动减小，以维持主误差放大信号MEA等于7.5V不变，直至电池充电管理信号BCM逐渐减小到0，蓄电池停止工作，充电调节电路不工作为止；若电源模块输出功率进一步减小或负载功率进一步增加，主误差放大信号MEA进一步减小，则蓄电池通过放电调节电路输出功率增加。
3、当主误差放大信号MEA的电压范围为8V<MEA<8.5V时，所述电源系统处于光照期与阴影期过渡阶段，称为死区范围。
本发明提供的一种航天器电源系统及其控制方法，实现航天器在光照期和阴影期过渡时，电压误差放大电路输出的主误差放大信号MEA仅经历1个死区范围，有效提高电源系统的母线动态响应速度，且在太阳阵能源不足以满足负载功率和蓄电池充电功率之和时，无须考虑由充电调节电路实现稳定母线电压功能，大大简化充电调节电路的控制系统设计复杂性
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种航天器电源系统，包括：电源模块，所述电源模块包括N路并联的太阳电池阵，与N路太阳电池阵一一串联的N路分流调节电路，所述电源模块输出母线电压；连接在电源模块的输出端与地端之间的蓄电池，其特征在于，所述电源系统还包括：充电调节电路、放电调节电路、电压误差放大电路、以及电池充电管理电路；
所述充电调节电路连接在所述电源模块与所述蓄电池之间，所述放电调节电路连接在所述蓄电池与所述电源模块之间；
所述电压误差放大电路的输入端接入母线电压采样信号VBUS+及基准电压参考信号Vref-BUS，其输出端输出主误差放大信号MEA至每一路分流调节电路及放电调节电路、电池充电管理电路的输入端，用于控制母线电压的调节；
所述电池充电管理电路的输入端接入蓄电池电压采样信号Vbat、恒压充电基准参考信号Vref-V、恒流充电基准参考信号Vref-I、主误差放大信号MEA及基准电压参考信号Vref-BCM，其输出端输出电池充电管理信号BCM至所述放电调节电路的输入端，用于控制充电调节电路输出功率的调节。
2.如权利要求1所述的一种航天器电源系统，其特征在于，所述充电调节电路包括相互连接的BUCK拓扑电路、充电电流采样电路及电流内环控制器；所述电流内环控制器包括第一运算放大器，所述第一运算放大器的输入端连接电池充电管理电路的输出端及充电电流采样电路的输出端，所述第一运算放大器的输出端连接BUCK拓扑电路中MOS管的栅极；所述BUCK拓扑电路包括MOS管、电感及电阻，所述MOS管的漏极连接电源模块的输出端，所述MOS管的源极经电感、电阻连接到蓄电池的输入端；所述充电电流采样电路包括第二运算放大器，所述第二运算放大器的输入端分别连接电感的负极、电阻的负极，所述第二运算放大器的输出端连接电流内环控制器中的第一运算放大器的输入端；所述充电调节电路采用平均电流模式控制，通过调整电池充电管理电路输出的电池充电管理信号BCM的大小实现充电调节电路输出电流大小的调整。
3.如权利要求1所述的一种航天器电源系统，其特征在于，所述放电调节电路采用跨导模式控制，通过调整电压误差放大电路输出的主误差放大信号MEA的大小以实现放电调节电路输出电流大小的调整。
4.如权利要求1所述的一种航天器电源系统，其特征在于，所述电池充电管理电路包括：
电池恒压充电控制器，其输入端接入蓄电池电压采样信号Vbat与恒压充电基准参考信号Vref-V，输出电池误差放大电压信号BEA；
BCM-MEA控制器，其输入端接入主误差放大信号MEA及基准电压参考信号Vref-BCM，输出电压控制信号BCM-MEA；
取小运算电路，其输入端分别接入电池误差放大电压信号BEA、恒流充电基准参考信号Vref-I以及电压控制信号BCM-MEA，用于将电池误差放大电压信号BEA、恒流充电基准参考信号Vref-I以及电压控制信号BCM-MEA三者中数值最小的电压信号作为电池充电管理电路的输出电池充电管理信号BCM。
5.如权利要求4所述的一种航天器电源系统，其特征在于，所述基准电压参考信号Vref-BCM取值为7.5V。
6.如权利要求1-5任意一项所述的一种航天器电源系统的控制方法，其特征在于，电源系统中电压误差放大电路所输出的主误差放大信号MEA的电压范围不同，所述电源系统工作在不同模式：
当主误差放大信号MEA的电压范围为8.5V≤MEA≤20V时，所述电源系统工作在光照器分流调节电路稳定母线电压功能工作域；
当主误差放大信号MEA的电压范围为1V≤MEA≤8V时，所述电源系统工作在阴影期放电调节电路稳定母线电压功能工作域；
当主误差放大信号MEA的电压范围为8V<MEA<8.5V时，所述电源系统工作在死区。
7.如权利要求6所述的一种航天器电源系统的控制方法，其特征在于，所述电源系统工作在阴影期放电调节电路稳定母线电压功能工作域时，根据主误差方法信号MEA的电压范围不同，又分为三种工作模式：
当主误差放大信号MEA的电压范围为1V≤MEA≤7.5V时，所述N路分流调节电路工作在全供电模式，充电调节电路不工作，放电调节电路工作以稳定母线电压；
当主误差放大信号MEA的电压范围为7.5V<MEA≤8V时，所述N路分流调节电路工作在全供电模式，充电调节电路及放电调节电路同时工作，所述充电调节电路作为电源系统的可调直流负载，并按照蓄电池状态恒流或恒压充电，其功率不足部分由放电调节电路输出补偿，以稳定母线电压；
当主误差放大信号MEA的电压范围为MEA＝7.5V时，放电调节电路输出功率恒定，通过自动调整电池充电管理电路输出电池充电管理信号BCM大小实现充电调节电路输入功率调整；所述充电调节电路输入功率等于放电调节电路输出功率与电源模块输出功率之和减去负载功率。
8.如权利要求6所述的一种航天器电源系统的控制方法，其特征在于，所述电源系统工作在光照器分流调节电路稳定母线电压功能工作域时，所述充电调节电路作为电源系统的稳定直流负载，并按照恒压或恒流模式为蓄电池充电，放电调节的线路不工作，电源模块中的N路分流调节电路并联工作以稳定母线电压。
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