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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Intelligent power block and distributed space power system based on intelligent power block

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及一种电源系统，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术作进一步改进，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。本专利技术作进一步改进，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。本专利技术作进一步改进，所述标准功率电路为四开关Buck-Boost电路。本专利技术作进一步改进，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Iref，S103：根据电流参考值Iref和母线电流采样值Ibus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Iref2，S203：根据电流参考值Iref2和母线电流采样值Ibus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为连接正本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，/n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。/n

【技术特征摘要】
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Iref，
S103：根据电流参考值Iref和母线电流采样值Ibus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Iref2，
S203：根据电流参考值Iref2和母线电流采样值Ibus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Iref3，
S304：根据电流参考值Iref3和母线电流采...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓峰，陈琦，张东来，刘治钢，佟强，李海津，马亮，谷雨，雷英俊，王晨，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，哈尔滨工业大学深圳，深圳市航天新源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11