CN110994768B - 一种航天器上的多蓄电池组切换与备份装置及控制方法 - Google Patents

一种航天器上的多蓄电池组切换与备份装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于航天器上的多组蓄电池组切换与备份装置。其包含：蓄电池组、下位机、放电电路、充电电路、太阳阵、电容阵、充放电开关、使能开关、跨接开关和BEA。下位机判断蓄电池组、放电电路状态，当其中一功能模块出现异常时，下位机检测仪常状态并发出指令控，通过制开关通、断来实现主、备切换。本发明电路结构简单可靠，易于工程实现，航天领域，为蓄电池组切换与备份提供了一种有效方法。

Description

一种航天器上的多蓄电池组切换与备份装置及控制方法
技术领域
本发明涉及一种航天器上的多蓄电池组切换与备份装置及控制方法，属于航天电源技术领域。
背景技术
在航天器上，首先考虑的是设备的可靠性。航天器飞行寿命一般可达几年甚至上十年；在航天器飞行过程中，使用一组蓄电池组不能满足飞行任务。如果遇到供电***失效问题，会导致整器无法工作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种航天器上的多蓄电池组切换与备份装置及控制方法，电路结构简单、易于工程实现。本发明主要通过三组开关实现充电、放电以及蓄电池组切换的功能，能够有效的解决多蓄电池组航天器备份与切换的问题，从而省去多组蓄电池***电路，能够合理利用模块资源，同时操作更加安全，有效提高了航天器工作的可靠性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种航天器上的多蓄电池组切换与备份装置，包括蓄电池组1、蓄电池组2、下位机、放电电路1、放电电路2、充电电路1、充电电路2、太阳阵、电容阵、充放电开关1、充放电开关2、跨接开关、使能开关1、使能开关2、使能开关 3、BEA1切换开关、BEA2切换开关，采样电路；
所述充放电开关1用于控制蓄电池组1与放电电路1之间的通断、用于控制蓄电池组1与充电电路1之间的通断；
所述充放电开关2用于蓄电池组2与放电电路2之间的通断、用于控制蓄电池组2与充电电路2之间的通断；
所述跨接开关用于切换放电电路1和放电电路2、用于切换充电电路1和充电电路2；
所述使能开关1、使能开关2、使能开关3分别用于控制充放电开关1、跨接开关、充放电开关2的开关；
所述BEA1切换开关用于切换充电电路1向蓄电池组1或蓄电池组2输出反馈信号；
所述BEA2切换开关用于切换充电电路2向蓄电池组1或蓄电池组2输出反馈信号；
所述采样电路用于采集蓄电池组1的电压数据、蓄电池组2的电压数据、充电电路1或充电电路2的充电电流、放电电路1或放电电路2的放电电压，然后输出给下位机；
所述下位机根据蓄电池组1的电压数据、蓄电池组2的电压数据、所述充电电流和放电电压，控制所述使能开关1、使能开关2、使能开关3；
所述太阳阵用于为蓄电池组1和蓄电池组2供电；所述电容阵用于母线电压滤波作用。
优选的，所述蓄电池组1和蓄电池组2均采用7节单体串联组成。
优选的，所述采样电路将采用的蓄电池组1的电压数据、蓄电池组2的电压数据、所述充电电流和放电电压均转换为0V～5V电压信号发送给下位机。
优选的，所述放电电路2内设有隔离二极管D1，用于放电电路2故障时放电电路2的输出电压与母线电压隔离。
优选的，所述放电电路1内设有隔离二极管D2，用于放电电路1故障时放电电路1的输出电压与母线电压隔离。
优选的，所述蓄电池组1的充电终压比蓄电池组2的充电终压大。
一种航天器上的多蓄电池组切换与备份控制方法，采用上述航天器上的多蓄电池组切换与备份装置，包括如下步骤：
S1、充放电开关1闭合，充放电开关2闭合，跨接开关断开；蓄电池组1 经充放电开关1向放电电路1供电；
S2、当下位机判断蓄电池组1和蓄电池组2之一故障时，则将故障的蓄电池组的输出切断，利用正常的蓄电池组继续供电。
优选的，当任一蓄电池组的电压大于阈值且充电电路的电路大于1A是，则判断该蓄电池组故障。
优选的，当任一蓄电池组的电压，和，该蓄电池组内超过四分之一的单体的电压，均超过阈值时，判断该蓄电池组故障。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明的多组蓄电池组切换与备份装置及控制方法，蓄电池组之间互为热备份，在一组蓄电池组发生故障时不会对母线电压造成影响，进一步提高供电***稳定性；
(2)本发明的多组蓄电池组切换与备份装置及控制方法，一组蓄电池组故障情况下充电电路和放电电路正常工作，不会造成整个***的能量不平衡，提高供电***稳定性；
(3)本发明的多组蓄电池组切换与备份装置及控制方法，考虑充电电路切换后相互干扰问题，设置不同充电电路充电终压相差50mv，避免相互干扰。提高供电***稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例的正常供电情况下电气连接图。
图2是本发明实施例的蓄电池组1故障情况下电气连接图。
图3是本发明实施例的蓄电池组2故障情况下电气连接图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种航天器上的多蓄电池组切换与备份装置，包括蓄电池组1(11)、蓄电池组2(22)、下位机(33)、放电电路1(44)、放电电路2(55)、充电电路1(66)、充电电路2(77)、太阳阵(88)、电容阵(99)、充放电开关1(K1)、充放电开关2(K3)、跨接开关(K2)、使能开关1(K4)、使能开关2(K5)、使能开关3(K6)、BEA1切换开关(K7)、BEA2切换开关(K8)，采样电路(100)；
所述充放电开关1(K1)用于控制蓄电池组1(11)与放电电路1(44) 之间的通断、用于控制蓄电池组1(11)与充电电路1(66)之间的通断；
所述充放电开关2(K3)用于蓄电池组2(22)与放电电路2(55)之间的通断、用于控制蓄电池组2(22)与充电电路2(77)之间的通断；
所述跨接开关(K2)用于切换放电电路1(44)和放电电路2、用于切换充电电路1(66)和充电电路2(77)；
所述使能开关1(K4)、使能开关2(K5)、使能开关3(K6)分别用于控制充放电开关1(K1)、跨接开关(K2)、充放电开关2(K3)的开关；
所述BEA1切换开关(K7)用于切换充电电路1(66)向蓄电池组1(11) 或蓄电池组2(22)输出反馈信号；
所述BEA2切换开关(K8)用于切换充电电路2(77)向蓄电池组1(11) 或蓄电池组2(22)输出反馈信号；
所述采样电路(100)用于采集蓄电池组1(11)的电压数据、蓄电池组2 (22)的电压数据、充电电路1(66)或充电电路2(77)的充电电流、放电电路1(44)或放电电路2(55)的放电电压，然后输出给下位机(33)；
所述下位机(33)根据蓄电池组1(11)的电压数据、蓄电池组2(22) 的电压数据、所述充电电流和放电电压，控制所述使能开关1(K4)、使能开关 2(K5)、使能开关3(K6)；
所述太阳阵(88)用于为蓄电池组1(11)和蓄电池组2(22)供电；所述电容阵(99)用于母线电压滤波作用。
所述蓄电池组1(11)和蓄电池组2(22)均采用7节单体串联组成。所述采样电路(100)将采用的蓄电池组1(11)的电压数据、蓄电池组2(22) 的电压数据、所述充电电流和放电电压均转换为0V～5V电压信号发送给下位机(33)。所述放电电路2(55)内设有隔离二极管D1，用于放电电路2(55) 故障时放电电路2(55)的输出电压与母线电压隔离。所述放电电路1(44) 内设有隔离二极管D2，用于放电电路1(44)故障时放电电路1(44)的输出电压与母线电压隔离。
所述蓄电池组1(11)的充电终压比蓄电池组2(22)的充电终压大。
一种航天器上的多蓄电池组切换与备份控制方法，采用上述航天器上的多蓄电池组切换与备份装置，包括如下步骤：
S1、充放电开关1(K1)闭合，充放电开关2(K3)闭合，跨接开关(K2) 断开；蓄电池组1(11)经充放电开关1(K1)向放电电路1(44)供电；
S2、当下位机(33)判断蓄电池组1(11)和蓄电池组2(22)之一故障时，则将故障的蓄电池组的输出切断，利用正常的蓄电池组继续供电。
当任一蓄电池组的电压大于阈值且充电电路的电路大于1A时，则判断该蓄电池组故障。当任一蓄电池组的电压，和，该蓄电池组内超过四分之一的单体的电压，均超过阈值时，判断该蓄电池组故障。
实施例2：
参见图1，本实施例的多组蓄电池组切换与备份装置包括；蓄电池组1(11)、蓄电池组2(22)、下位机(33)、放电电路1(44)、放电电路2(55)、充电电路1(66)、充电电路2(77)太阳阵(88)、电容阵(99)；该装置还包括：充放电开关1(K1)、充放电开关2(K3)、跨接开关(K2)、使能开关1(K4)、使能开关2(K5)、使能开关3(K6)、BEA1切换开关(K7)、BEA2切换开关(K8)，采样电路(100)。
充放电开关1(K1)，连接蓄电池组1(11)、放电电路1(44)、充电电路 1(66)和跨接开关(K2)，充放电开关1(K1)通断能够实现蓄电池组1(11) 与放电电路1(44)、充电电路1(66)的通断；
充放电开关2(K3)，连接蓄电池组2(22)、放电电路2(55)、充电电路 2(77)和跨接开关(K2)，充放电开关2(K3)的通断能够实现蓄电池组2(22) 与放电电路2(55)、充电电路2(77)的通断；
跨接开关(K2)，连接充放电开关1(K1)、充放电开关2(K3)、放电电路1(44)、放电电路2(55)、充电电路1(66)和充电电路2(77)，跨接开关(K2)的通断能够实现放电电路1与放电电路2切换，并且能够进行对应充电电路切换；
BEA1切换开关(K7)输入端连接蓄电池组1(11)与蓄电池组2(22) 的反馈信号，输出端连接充电电路1(66)的控制电路，通过BEA1切换开关 (K7)的通断能够实现充电电路1(66)反馈信号切换；
BEA2切换开关(K8)输入端连接蓄电池组1(11)与蓄电池组2(22) 的反馈信号，输出端连接控制电模块2(77)的电路，通过BEA2切换开关(K8) 的通断能够实现充电电路2(66)反馈信号切换；
使能开关1(K4)为充放电开关1(K1)的使能开关，即在充放电开关1 (K1)通断指令上串联继电器开关，当下位机(33)发出使能，即继电器接通时，充放电开关1(11)遥控指令方可执行，从而防止误动作。
使能开关2(K5)为充放电开关2(K2)的使能开关，即在充放电开关2 (K2)通断指令上串联继电器开关，当下位机(33)发出使能，即继电器接通时，充放电开关2(K2)遥控指令方可执行，从而防止误动作。
使能开关3(K6)为跨接开关(K3)的使能开关，即在跨接开关(K3)通断指令上串联继电器开关，当下位机(33)发出使能，即继电器接通时，跨接开关(K3)遥控指令方可执行，从而防止误动作。
采样电路(100)对蓄电池组电压、蓄电池单体电压、充电电流、放电电压等参数进行采集，并转换为0～5V电压信号发送给下位机。
设每组蓄电池组分别对应3路放电电路，放电电路采用升压模式拓扑。每组蓄电池配合2路路放电电路能够保证整个飞行器正常工作，其中1路作为冗余设计。在放电电路故障情况下输出电压比母线电压低，当前故障放电电路输出会被隔离二极管D1、D2隔离，不会影响母线电压。
设置蓄电池组1(11)充电终压比蓄电池组2(22)充电终压大50mv，使得两路充电电路对一组蓄电池充电时，充电电路1优先对蓄电池充电，不会导致两路充电电路相互干扰。
考虑到一组蓄电池故障后，现有充放电电路必然能量不平衡，所以设置充电切换开关，可以通过切换为其中任意一组组电池充电的电路拓扑，具体如下：
在检测到蓄电池组有一组失效后，放弃失效段的蓄电池组，断开该蓄电池充放电开关，同时把相应充电电路进行切换，为另一组蓄电池充电。如图2所示假设蓄电池组A失效，则将1、2切换到为蓄电池组B充电，同时断开A 的放电开关。
下位机(33)自行检测每路太阳电池电压与蓄电池组充电电流，出现以下情况自动执行断开故障蓄电池组充放电开关，并切换该组充电到另外一组蓄电池组：
1)如果蓄电池组电压大于阀值且该路充电电流大于1A，则检测提醒此蓄电池组故障，下位机发出指令断开该蓄电池组充放电开关，同时把相应充电电路切换到另一组电池。
2)如果蓄电池组电压与7节单体电压之中的2个同时超出正常范围，则检测提醒此蓄电池组故障，下位机发出指令断开该电池组充放电开关，同时把相应充电电路切换到另一组电池。
该方法包含以下步骤：
步骤1、设置蓄电池组与放电电路、充电电路切换开关，设置充电反馈电路切换开关，使蓄电池组与放电电路、充电电路在故障状态时能相互切换。
步骤2、通过设置蓄电池组电压采样电路、蓄电池单体采样电路、放电输出电压采样电路，充电电流采样电路，使以上参数转换为0～5V电压信号并传递给下位机(33)。
步骤3、设置充电环路参数，使得两组蓄电池组充电终压相差50mv，避免充电电路在切换后两路充电电路相互干扰。
步骤4、正常供电情况下，充放电开关闭合，跨接开关断开(K2)。当下位机判读蓄电池故障时，发送指令切断蓄电池供电并接通跨接开关，同时把故障蓄电池相应的充电电路到切换另一组蓄电池组。
即设正常供电工况下，充放电开关1(K1)闭合，充放电开关2(K3)闭合，跨接开关(K2)断开；设每组蓄电池组为7节单体串联；
如电路判读蓄电池组1(11)单体电压或蓄电池组整组电压参数超出阀值时，判断蓄电池组1(11)为故障状态；此时下位机(33)发出使能开关1(K4) 通指令、充放电开关1(K1)断指令、使能开关3(K6)通指令、跨接开关(K2) 通指令、BEA1切换开关切换指令，此时充放电开关1(K1)断开、跨接开关 (K2)接通；蓄电池组2(22)继续接替蓄电池组1(11)工作，蓄电池组1 (11)能分别通过放电电路1(44)和放电电路2(55)对母线供电，充电电路1(66)通过对跨接开关(K2)对蓄电池组2(22)充电，太阳阵不会因为蓄电池组(11)故障而不提供能量，所以蓄电池组(11)故障不会导致整个***能量不失衡；
如电路判读蓄电池组2(22)单体电压或蓄电池组整组电压参数超出阀值时，判断蓄电池组2(22)为故障状态；此时下位机(33)发出使能开关3(K6) 通指令、充放电开关2(K3)断指令、使能开关2(K4)通指令、跨接开关(K2) 通指令、BEA2切换开关切换指令，此时充放电开关2(K3)断开、跨接开关 (K2)接通；蓄电池组1(11)继续接替蓄电池组2(22)工作，蓄电池组2 (22)能分别通过放电电路1(44)和放电电路2(55)对母线供电，充电电路2(77)通过对跨接开关(K2)对蓄电池组1(11)充电，太阳阵不会因为蓄电池组2(22)故障而不提供能量，所以蓄电池组2(22)故障不会导致整个***能量不失衡。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种航天器上的多蓄电池组切换与备份控制方法，采用航天器上的多蓄电池组切换与备份装置；
航天器上的多蓄电池组切换与备份装置，包括蓄电池组1(11)、蓄电池组2(22)、下位机(33)、放电电路1(44)、放电电路2(55)、充电电路1(66)、充电电路2(77)、太阳阵(88)、电容阵(99)、充放电开关1(K1)、充放电开关2(K3)、跨接开关(K2)、使能开关1(K4)、使能开关2(K5)、使能开关3(K6)、BEA1切换开关(K7)、BEA2切换开关(K8)，采样电路(100)；
所述充放电开关1(K1)用于控制蓄电池组1(11)与放电电路1(44)之间的通断、用于控制蓄电池组1(11)与充电电路1(66)之间的通断；
所述充放电开关2(K3)用于蓄电池组2(22)与放电电路2(55)之间的通断、用于控制蓄电池组2(22)与充电电路2(77)之间的通断；
所述跨接开关(K2)用于切换放电电路1(44)和放电电路2、用于切换充电电路1(66)和充电电路2(77)；
所述使能开关1(K4)、使能开关2(K5)、使能开关3(K6)分别用于控制充放电开关1(K1)、跨接开关(K2)、充放电开关2(K3)的开关；
所述BEA1切换开关(K7)用于切换充电电路1(66)向蓄电池组1(11)或蓄电池组2(22)输出反馈信号；
所述BEA2切换开关(K8)用于切换充电电路2(77)向蓄电池组1(11)或蓄电池组2(22)输出反馈信号；
所述采样电路(100)用于采集蓄电池组1(11)的电压数据、蓄电池组2(22)的电压数据、充电电路1(66)或充电电路2(77)的充电电流、放电电路1(44)或放电电路2(55)的放电电压，然后输出给下位机(33)；
所述下位机(33)根据蓄电池组1(11)的电压数据、蓄电池组2(22)的电压数据、所述充电电流和放电电压，控制所述使能开关1(K4)、使能开关2(K5)、使能开关3(K6)；
所述太阳阵(88)用于为蓄电池组1(11)和蓄电池组2(22)供电；所述电容阵(99)用于母线电压滤波作用；
所述放电电路2(55)内设有隔离二极管D1，用于放电电路2(55)故障时放电电路2(55)的输出电压与母线电压隔离；
所述放电电路1(44)内设有隔离二极管D2，用于放电电路1(44)故障时放电电路1(44)的输出电压与母线电压隔离；
控制方法包括如下步骤：
S1、充放电开关1(K1)闭合，充放电开关2(K3)闭合，跨接开关(K2)断开；蓄电池组1(11)经充放电开关1(K1)向放电电路1(44)供电；
S2、当下位机(33)判断蓄电池组1(11)和蓄电池组2(22)之一故障时，则将故障的蓄电池组的输出切断，利用正常的蓄电池组继续供电；
当任一蓄电池组的电压大于阈值且充电电路的电路大于1A时，则判断该蓄电池组故障；
当任一蓄电池组的电压，和，该蓄电池组内超过四分之一的单体的电压，均超过阈值时，判断该蓄电池组故障。
2.根据权利要求1所述的一种航天器上的多蓄电池组切换与备份控制方法，其特征在于，所述蓄电池组1(11)和蓄电池组2(22)均采用7节单体串联组成。
3.根据权利要求1所述的一种航天器上的多蓄电池组切换与备份控制方法，其特征在于，所述采样电路(100)将采用的蓄电池组1(11)的电压数据、蓄电池组2(22)的电压数据、所述充电电流和放电电压均转换为0V～5V电压信号发送给下位机(33)。
4.根据权利要求1所述的一种航天器上的多蓄电池组切换与备份控制方法，其特征在于，所述蓄电池组1(11)的充电终压比蓄电池组2(22)的充电终压大。
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