CN115765134A - 一种飞行器统一供配电冗余系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种飞行器统一供配电冗余系统，涉及空间飞行器电气系统电能控制领域，包括电池模块、控制器模块、配电器模块；电池模块包括第一连接器、并联于第一连接器的至少两组太阳能电池，每组太阳能电池包括多个太阳能电池串，多个太阳能电池串的负极端通过第一连接线依次连接，每两个相邻的太阳能电池串为一组，一组太阳能电池串的正极端之间通过第二连接线连接，每个太阳能电池串的正极端均连接一个二极管，二极管的负极端之间通过第三连接线依次连接，每组太阳能电池的负极端与第一连接器之间通过两个负极线连接，每组太阳能电池的正极端与第一连接器之间通过两个正极线连接。解决了供配电系统体积重量大、可靠性低的问题。

Description

一种飞行器统一供配电冗余系统

技术领域

本申请涉及一种飞行器统一供配电冗余系统，属于空间飞行器电气系统电能控制领域。

背景技术

空天飞行器是指可以反复使用的、能够迅速穿越大气层、自由往返于地球表面与太空之间、无动力着陆的多用途航天器,它综合并发展了火箭、飞船、再入飞行体和飞机的特点。

随着科技高速发展，航空航天市场的进一步扩大，空天领域的军事竞争更加激烈，航空航天领域一些新的技术正在快速发展，如微小卫星技术、运载器技术、空天一体化飞行器技术等等，空天技术越来越受到世界各国的高度重视。

国内外对于供配电冗余设计架构均为以牺牲体积重量为代价的常规设计方案，体积重量大、可靠性低，尚未发现这种飞行器统一供配电冗余系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了统一供配电冗余设计架构，解决了体积重量大、可靠性低的问题。

提出统一供配电冗余设计架构，从配电指令多冗余总线电路、多发电母线分组环形并联冗余隔离设计、双电池可切换供电冗余设计三个方面提出了统一供配电冗余设计架构，提高了供配电系统的可靠性，同时减少了系统的体积重量。

本发明的技术解决方案是：

本发明采用的技术方案包括：提出统一供配电冗余设计架构，从配电指令多冗余总线电路、多发电母线分组环形并联冗余隔离设计、双电池可切换供电冗余设计三个方面提出了统一供配电冗余设计架构，提高了供配电系统的可靠性，同时减少了系统的体积重量。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种飞行器统一供配电冗余设计架构，步骤如下：

(1)采用双电池可切换供电冗余设计电路,见图2，控制器内部初始状态时放电开关1和2为闭合状态，互联继电器开关为打开状态，蓄电池A1通过放电调节器1-3往母线供电，蓄电池A2通过放电调节器4-6往母线供电；在蓄电池组A1故障时，放电开关1打开，并网互联继电器开关闭合，蓄电池组A2可通过放电调节器1-6为母线供电，保证飞行器正常用电，满足飞行器用电功率需求。

在(恒压源)蓄电池组一故障时，通过并网供电切换电路，实现蓄电池组二并入全网供电的能力，具备为飞行器提供满功率供电输出的能力，针对功率需求强约束飞行器实现控制器中放电调节器模块体积重量减半效果。

另外蓄电池组由多个单体先并后串的结构形式组合而成，可提高供电可靠性。

(2)采用多发电母线分组环形并联冗余隔离设计，在一路发电母线故障情况下，该路自动退出供电功能，不影响其他发电母线的正常工作，保证其他母线正常工作。图3中分为两组，第一组8路太阳电池串，每路发电母线输出正端都有一只二极管，二极管具备正向导通和反向截止功能，在该组内某一路或多路发电母线发生短路故障时，不会影响第一组内其他发电母线的正常工作，实现短路故障隔离，提高了供配电系统的可靠性；第二组10路太阳电池串同理，可依据具体路数再分成第三组、第N组。；另外，多发电母线正极和负极采用分组环形并联导线连接形式，在可靠性保证情况下有效地减少并联导线数量，减轻系统电缆的重量。

(3)采用配电指令多冗余总线电路，见图4，在控制器和配电器之间通过时基IO模块传递配电指令，具备主机备机切换功能，在“主对主”通道故障的情况下，控制器检测相关参数并判断后“主对备”、“备对主”或“备对备”通道自动切换，满足飞行器对于配电故障重构的要求。时基IO模块对外通信以RS422总线形式为主，也可采用CAN总线或者1553总线接口形式。主时基IO模块和备时基IO模块集成在一台控制器内部；主DC/DC模块和备DC/DC模块、主时基IO模块和备时基IO模块、主FPGA和备FPGA模块都集成在一台配电器内部。

综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：

(1)本架构能满足飞行器对于故障重构的要求；

(2)本架构能够达到减少电缆、控制器、配电器等单机重量体积的指标要求；

(3)本架构提高了供配电系统的可靠性；

(4)可为空天飞行器提供可靠的电源供电能力，具备设备轻质小型化、可靠性高、故障可重构等；

(5)通过设计统一供配电冗余架构，实现对空天飞行器电能供应与分配的可靠实施。

附图说明

图1为配电器内部电路示意图；

图2为双电池可切换供电冗余设计示意图；

图3a为多发电母线分组环形并联冗余隔离设计示意图，图3b为一组太阳能电池串的连接结构示意图；

图4为配电指令多冗余总线电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细的描述：

本申请实施例公开一种飞行器统一供配电冗余系统，如图1所示，包括电池模块、控制器模块、配电器模块。电池模块用于用于发电，以及对控制器模块的蓄电池充电、和/或为负载供电，比如负载可以为计算机，惯组，摄像机，信号调理装置等。控制器模块发出配电指令，配电器模块接收配电指令并执行；控制器模块用于控制电能的调节，配电器模块用于控制电能的分配。

(a)首先设计电池组数量和控制器电路，采用双电池可切换供电冗余设计方式，针对功率需求强约束飞行器控制器中放电调节器模块数量减半设计，减少了供配电系统控制器的重量体积。图2中初始状态时放电开关1和2为闭合状态，互联继电器开关为打开状态，蓄电池A1通过放电调节器1-3(假定每个放电调节器结构功能相同，均输出功率400W,重量为1.5kg)往母线供电输出1200W功率，蓄电池A2通过放电调节器4-6(假定每个放电调节器结构功能相同，均输出功率400W,重量为1.5kg)往母线供电输出1200W功率，蓄电池组A1和A2同时为母线输出2400W功率；在蓄电池组A1故障时，放电开关1打开，并网互联继电器开关闭合，蓄电池组A2可通过放电调节器1-6为母线供电输出2400W功率，保证飞行器正常用电，满足飞行器2400W用电功率需求。

蓄电池A1由3并7串组成，蓄电池A2由3并7串组成，在蓄电池A1故障时，通过“双电池可切换供电冗余设计方式”可满足飞行器2400W用电功率需求。

举例对比说明如下：冗余设计又称余度设计技术，是指在系统或设备完成任务起关键作用的地方，增加一套以上完成相同功能通道、工作元件或部件，以保证当该部分出现故障时，系统或设备仍能正常工作，减少系统或设备的故障率，提高系统可靠性。公知的冗余思路：以供电系统初始工作状态“由6并7串的蓄电池+6个放电调节器的控制器”组成(输出功率2400W)；增加关键部件冗余后的系统架构为两套“由6并7串的蓄电池+6个放电调节器的控制器”(两套共计12个放电调节器)，在一套蓄电池组故障时，另外一套仍能正常工作(输出功率2400W)。为保证在在蓄电池A1故障时，可满足飞行器2400W用电功率需求，需要为蓄电池A2设计6个放电调节器；同理在为保证在在蓄电池A2故障时，可满足飞行器2400W用电功率需求，需要为蓄电池A1设计6个放电调节器。按照“公知的冗余思路”共计需要设计12个放电调节器模块。

“双电池可切换供电冗余设计方式”冗余思路：采用“由2块3并7串的蓄电池组+6个放电调节器的控制器”组成，供电系统初始状态时放电开关1和2为闭合状态，互联继电器开关为打开状态，蓄电池组A1和A2同时为母线输出2400W功率；在蓄电池组A1故障时，放电开关1打开，并网互联继电器开关闭合，另外一块蓄电池组A2仍能正常工作(输出功率2400W)；同理在蓄电池组A2故障时，放电开关2打开，并网互联继电器开关闭合，另外一块蓄电池组A1仍能正常工作(输出功率2400W)。综上，采取了“电池可切换供电冗余设计方式”的电路，在图2控制器中可减少6个放电调节器，在保证可靠性的前提下控制器减少6个放电调节器的重量，减重9kg。

具体的，控制器模块包括放电调节器、蓄电池A1、蓄电池A2、放电开关1、放电开关2、互联继电器，放电调节器分为两组，每组包括至少两个放电调节器，每组放电调节器并联，两组放电调节器的负极端并联，放电调节器的负极端用于为配电器模块、和/或为负载供电，放电开关1连接于蓄电池A1和一组放电调节器之间，放电开关2连接于蓄电池A2和另一组放电调节器之间，互联继电器连接于放电开关1的负极侧和放电开关2的负极侧之间。

(b)其次设计发电母线数量和电路连接形式，采用多发电母线分组环形并联冗余隔离设计，以图3中太阳电池发电母线分成两组为例：前8路太阳电池组成第一组，后10路太阳电池组成第二组；第一组8路太阳电池正极输出供电线路为a-b-c-d环，第一组负极输出供电线路为e-f-g-h环，共计使用4根导线。当正线a-b线路开路故障时，8路太阳电池组可通过d-c供电输出，同理负线在当e-f线路开路故障时，8路太阳电池组可通过h-g供电输出。第二组10路太阳电池也是采用分组环形并联供电输出形式，电路连接形式与第一组相同。

公知的冗余思路：每路太阳电池正极使用2根导线，负极使用2根导线，构成冗余供电，第一组8路太阳电池正极需要使用16根导线，负极需要使用16根导线，共计需要使用32根导线。

相比采用“分组环形并联供电”输出形式，导线减少28根导线，假如正极导线L1长度为5米，负极导线L2长度为7米，采用20AWG线规(参考重量9.25g/m)，28根导线重量减少约1.6kg。

计算如下：(14×L1+14×L2)×9.25g/m＝1.6kg。

图3中每个太阳电池发电母线正输出端串联1个二极管，第一组使用8个二极管，当第一路太阳电池发电母线出现短路故障时，二极管a1具备正向导通和反向截止，其他7路太阳电池发电母线供电不会通过第一路太阳电池线路短路工作，造成第一组其他7路太阳电池发电母线全部失效。第一组中其他7路太阳电池串发生1路或多路短路故障时，与第一路太阳电池发生短路故障时二极管的隔离原理相同。

具体的，电池模块包括第一连接器、并联于第一连接器的至少两组太阳能电池，每组太阳能电池包括多个太阳能电池串，多个太阳能电池串的负极端通过第一连接线依次连接，每两个相邻的太阳能电池串为一组，一组太阳能电池串的正极端之间通过第二连接线连接，每个太阳能电池串的正极端均连接一个二极管，二极管的负极端之间通过第三连接线依次连接，每组太阳能电池的负极端与第一连接器之间通过两个负极线连接，负极线连接于太阳能电池两端的太阳能电池串，每组太阳能电池的正极端与第一连接器之间通过两个正极线连接，正极线连接于两端的二极管的负极端与第一连接器之间。一个太阳能电池串的负极线和正极线、以及该太阳能电池串和第一连接器形成环形，不同太阳能电池串的负极线和正极线形成的环形依次套设。

(c)最后采用配电指令多冗余总线电路。公知的冗余思路：增加一套完全功能相同的控制器和配电器，在主控制器和主配电器之间传递配电指令故障时，切换至备控制器和备配电器之间传递配电指令，保证系统配电功能不失效。

在图4中，将主备功能模块设计在1台控制器和1台配电器内部，通过单机内功能模块冗余方式设计，减少单机结构重量。

以时基IO模块采用RS422总线通信方式为例，具备当控制器中主时基IO模块故障和配电器中备时基IO模块同时发生故障时，通过检测电压和电流等参数自动切换为“控制器中备时基IO模块和配电器中主时基IO模块”的通道(图4中标绿色箭头)传输配电指令，可保证配电功能不失效。同理，在配电器单机内部的供电模块DC/DC和时基IO模块、时基IO模块和FPGA模块之间也具备主备交叉的供电或通信功能

具体的，配电器模块包括主DC/DC模块和备DC/DC模块、主时基IO模块和备时基IO模块、主FPGA模块和备FPGA模块，主DC/DC模块、主时基IO模块、主FPGA模块依次连接，备DC/DC模块、备DC/DC模块、备FPGA模块依次连接，主DC/DC模块和备DC/DC模块并联，备DC/DC模块与主时基IO模块连接，主DC/DC模块与备时基IO模块连接，备时基IO模块与主FPGA模块连接，主时基IO模块与备FPGA模块连接，主DC/DC模块和主FPGA模块连接，备DC/DC模块与备FPGA模块连接。

主FPGA模块的输出端连接多路主译码器，备FPGA模块的输出端连接多路备译码器，主译码器、备译码器的负极端均连接二极管；其中一个主译码器和其中一个备译码器的输出端并联；主译码器、备译码器的负极端用于支持配电控制。

控制器模块设有控制模块，控制模块用于控制互联继电器的开闭；控制模块包括主时基IO模块和备时基IO模块，控制模块的主时基IO模块与配电器模块的主时基IO模块连接，控制模块的备时基IO模块与配电器模块的备时基IO模块连接，控制模块的主时基IO模块与配电器模块的备时基IO模块连接，控制模块的备时基IO模块与配电器模块的主时基IO模块连接。

本发明虽然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，都可以做出可能的变动和修改，因此，本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：包括

用于发电的电池模块、用于控制电能的调节的控制器模块、用于控制电能的分配的配电器模块；

电池模块对控制器模块的蓄电池充电、和/或为负载供电；

控制器模块发出配电指令，配电器模块接收配电指令并执行；

电池模块包括第一连接器、并联于第一连接器的至少两组太阳能电池，每组太阳能电池包括多个太阳能电池串，多个太阳能电池串的负极端通过第一连接线依次连接，每两个相邻的太阳能电池串为一组，一组太阳能电池串的正极端之间通过第二连接线连接，每个太阳能电池串的正极端均连接一个二极管，二极管的负极端之间通过第三连接线依次连接，每组太阳能电池的负极端与第一连接器之间通过两个负极线连接，负极线连接于太阳能电池两端的太阳能电池串，每组太阳能电池的正极端与第一连接器之间通过两个正极线连接，正极线连接于两端的二极管的负极端与第一连接器之间。

2.根据权利要求1所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：所述控制器模块包括放电调节器、蓄电池A1、蓄电池A2、放电开关1、放电开关2、互联继电器，放电调节器分为两组，每组包括至少两个放电调节器，每组放电调节器并联，两组放电调节器的负极端并联，放电调节器的负极端用于为配电器模块、和/或为负载供电，放电开关1连接于蓄电池A1和一组放电调节器之间，放电开关2连接于蓄电池A2和另一组放电调节器之间，互联继电器连接于放电开关1的负极侧和放电开关2的负极侧之间。

3.根据权利要求1所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：一个所述太阳能电池串的负极线和正极线、以及该太阳能电池串和第一连接器形成环形，不同太阳能电池串的负极线和正极线形成的环形依次套设。

4.根据权利要求2所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：所述配电器模块包括主DC/DC模块和备DC/DC模块、主时基IO模块和备时基IO模块、主FPGA模块和备FPGA模块，主DC/DC模块、主时基IO模块、主FPGA模块依次连接，备DC/DC模块、备DC/DC模块、备FPGA模块依次连接，主DC/DC模块和备DC/DC模块并联，备DC/DC模块与主时基IO模块连接，主DC/DC模块与备时基IO模块连接，备时基IO模块与主FPGA模块连接，主时基IO模块与备FPGA模块连接，主DC/DC模块和主FPGA模块连接，备DC/DC模块与备FPGA模块连接。

5.根据权利要求2所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：所述控制器模块在初始状态时，放电开关1和放电开关2为闭合状态，互联继电器开关为打开状态；

在蓄电池组A1故障时，放电开关1打开，互联继电器开关闭合。

6.根据权利要求2所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：所述蓄电池A1、蓄电池A2均由多个单体先并后串的结构形式组合而成。

7.根据权利要求4所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：所述控制器模块设有控制模块，控制模块用于控制互联继电器的开闭；

控制模块包括主时基IO模块和备时基IO模块，控制模块的主时基IO模块与配电器模块的主时基IO模块连接，控制模块的备时基IO模块与配电器模块的备时基IO模块连接，控制模块的主时基IO模块与配电器模块的备时基IO模块连接，控制模块的备时基IO模块与配电器模块的主时基IO模块连接。

8.根据权利要求7所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：所述时基IO模块对外通信以RS422总线、CAN总线或者1553总线接口形式。

9.根据权利要求4所述的一种飞行器统一供配电冗余系统，其特征在于：所述主FPGA模块的输出端连接多路主译码器，备FPGA模块的输出端连接多路备译码器，主译码器、备译码器的负极端均连接二极管；

其中一个主译码器和其中一个备译码器的输出端并联；

主译码器、备译码器的负极端用于支持配电控制。

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