CN113746337B - 一种航天器的电源装置、航天器电源控制器及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种航天器的电源装置、航天器电源控制器及控制方法，该电源装置包括前级MPPT电路和后级S3R电路，所述前级MPPT电路与所述后级S3R电路相连，所述后级S3R电路用于实现分流调节功能，该电源装置具有MPPT工作模式与分流调节模式两种工作状态，具有自主切换MPPT模式和S3R模式的功能，在保证最大功率输出的同时，可以主动切换至S3R模式将前级输出功率传输到母线上。本发明的有益效果是：本发明的电源装置具有自主切换MPPT模式与S3R模式功能，无需增加后级变换器，兼具高太阳电池转换电能利用率与高功率传递效率的优点。

Description

一种航天器的电源装置、航天器电源控制器及控制方法
技术领域
本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种航天器的电源装置、航天器电源控制器及控制方法。
背景技术
航天器能源***的拓扑结构从能量传输的角度可分为直接能量传递方式(DET)和峰值功率跟踪方式(PPT)。直接能量传递方式中S3R拓扑结构由于简单、可靠和高效率等特点，具有广泛应用。峰值功率跟踪方式中，为提高太阳电池输出功率利用率最常使用MPPT拓扑结构。
S3R拓扑结构，又称顺序开关分流调节器(The Sequential Switching ShuntRegulator)，其优势在于将太阳电池阵功率直接传递给负载，功率传递效率高，多余的能量通过分流调节器SR分流掉。缺点在于由于分流器采用直接能量传输体系，使得太阳能电池输出无法实现最大功率输出，对太阳电池阵输出功率的利用率低，间接导致太阳能电池在设计初期必须留出足够余量，增大了整星重量和体积。
MPPT拓扑结构，又称最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)，通过控制策略实时调整太阳电池的工作点使之始终工作在最佳功率点附近，使电源***在相同的太阳电池配置的条件下，输出更多的能量。MPPT架构相较于S3R架构，由于串联了开关调节器，其功率传递效率偏低，但能够随时跟踪太阳电池阵的最大功率输出点，最大限度地利用太阳电池转换的电能。
为了提高MPPT效率，在一些无电池***全调节架构也采用DET的电路实现MPPT。例如顺序开关分流最大功率调节器(S3MPR)架构，其主要特点为：将上述传统顺序开关分流调节器(S3R)拓扑结构中的主误差放大信号(MEA)，由固定的电压参考点改进为实时变化的值，该变化值通过MPPT电路给出，实现最大功率跟踪。这种拓扑与全调节母线MPPT拓扑结构相比，减少了功率传输路线上的电源变换器的损耗，有利于最大限度利用太阳电池阵输出功率。然而相比传统S3R电路，母线电压不再固定，而是受控于MPPT模块通过改变母线电压实现最大功率跟踪，因此分流器输出电压变化范围较大，需要增加后级DCDC变换器实现全调节稳压母线，无疑增大了***体积，整体效率偏低。
发明内容
为了解决背景技术中的架构缺点，本发明提供了一种航天器的电源装置(简称MPS3R)。
本发明提供了一种航天器的电源装置，包括前级MPPT电路和后级S3R电路，所述前级MPPT电路与所述后级S3R电路相连，所述后级S3R电路用于实现分流调节功能，该电源装置具有MPPT工作模式与分流调节模式两种工作状态，具有自主切换MPPT模式和S3R模式的功能，在保证最大功率输出的同时，可以主动切换至S3R模式将前级输出功率传输到母线上。
作为本发明的进一步改进，包括第一模块和第二模块，所述第一模块包括MPPT模块、判断模块、第一场效应管增强型N-MOS、第二场效应管增强型N-MOS、第三场效应管增强型N-MOS、第四场效应管增强型N-MOS、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、电容、第一电感，所述判断模块与所述MPPT模块相连，所述第一场效应管增强型N-MOS的源极与第一电感一端相连，所述第一场效应管增强型N-MOS的漏极与电容一端相连，所述第一电感另一端与第四二极管相连，所述第一二极管一端与所述第一场效应管增强型N-MOS的源极相连，所述第一二极管另一端与所述第一场效应管增强型N-MOS的漏极相连；所述第二场效应管增强型N-MOS的源极接地，所述第二场效应管增强型N-MOS的漏极与所述第一场效应管增强型N-MOS的源极相连，所述第二二极管一端与所述第二场效应管增强型N-MOS的源极相连，所述第二二极管另一端与所述第二场效应管增强型N-MOS的漏极相连；所述第三场效应管增强型N-MOS的源极接地，所述第三场效应管增强型N-MOS的漏极连接于所述第一电感与所述第四二极管之间，所述第三二极管一端与所述第三场效应管增强型N-MOS的源极相连，所述第三二极管另一端与所述第三场效应管增强型N-MOS的漏极相连；所述第四场效应管增强型N-MOS的漏极与所述电容相连，所述第四场效应管增强型N-MOS的源极接地，且所述第四场效应管增强型N-MOS的源极与所述MPPT模块相连；
所述第二模块与所述第一模块相连，所述第二模块包括第五场效应管增强型N-MOS、第五二极管、第二电感、第六二极管，所述第五场效应管增强型N-MOS的源极与所述第二电感一端相连，所述第二电感另一端与所述第六二极管相连，所述第五场效应管增强型N-MOS的漏极与所述第二模块相连，所述第六二极管一端与所述第五场效应管增强型N-MOS的源极相连，所述第六二极管另一端与所述第五场效应管增强型N-MOS的漏极相连。
本发明还提供了一种航天器电源控制器，包括本发明的电源装置，根据功率需求采用电源装置进行太阳电池阵功率调节器设计，用于光照期太阳电池阵的功率调节及蓄电池充电，实现轨道转移前MPPT功能，在轨道转移后实现分流调节功能。
作为本发明的进一步改进，采用同步Buck和电源装置，在光照期对太阳电池阵的输出功率进行调节及对蓄电池充电，使用单一变换器实现轨道转移前MPPT+同步Buck功能，并在轨道转移后实现分流调节功能。
作为本发明的进一步改进，轨道转移前电推进工作，航天器电源控制器默认为BUCK工作，当电推进生效时由MPPT控制保持太阳电池帆板工作在最大功率处，整个电源控制器工作在最大功率点，保证能源有效供给。
作为本发明的进一步改进，采用FSBB和电源装置，所述FSBB可实现输入输出功率的双向流动。
作为本发明的进一步改进，所述FSBB包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、电感、第一电容和第二电容，所述第一开关管源极与所述第二开关管漏极相连，所述第一开关管漏极与所述第一电容一端相连，所述第二开关管源极与所述第一电容另一端相连；所述第三开关管源极与所述第四开关管漏极相连，所述第三开关管漏极与所述第二电容一端相连，所述第四开关管源极分别与所述第二电容另一端及所述第二开关管源极相连，所述电感一端连接于第一开关管和第二开关管之间，所述电感另一端连接于第三开关管和第四开关管之间。
作为本发明的进一步改进，当Vin>Vo时，工作BUCK模式，此时第三开关管长通，第一开关管和第二开关管完成降压转换功能；当Vin≈Vo时，工作在Buck-Boost模式，此时第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管都工作，完成电压转换功能；当Vin<Vo时，工作在Boost模式，此时第一开关管长通，第三开关管和第四开关管完成升压转换功能。
本发明还提供了一种基于本发明所述航天器电源控制器的控制方法，航天器运行在转移轨道之前，电源装置工作在DC/DC电源变换状态下，当母线功率小于帆板能量、电池充电电流之和时，电源装置受MEA控制稳定母线电压，此时，电池按照设置的电流档位充电；当母线负载逐渐增大，直至母线功率大于帆板能量与电池充电电流之和，电源装置将进入MPPT模式，以帆板的最大能力为负载供给能量，此时电池充电电流受MEA控制；随着母线负载进一步增加，电池将从充电状态变为放电状态，以满足负载需求；
当航天器运行在转移轨道后，电源装置在总线转换指令的控制下实现DC/DC变换器与S3R电路的切换，电路控制逻辑为：母线功率小于帆板能量与电池充电电流之和时，电源装置受MEA控制工作在顺序分流调节模式，此时，MPS3R模块实现母线稳定，电池按照设置的电流档位充电；当母线负载逐渐增大，直至母线功率大于帆板能量与电池充电电流之和，电源装置将进入全供电模式，此时电池充电电流受MEA控制；随着母线负载进一步增加，电池将从充电状态变为放电状态，以满足负载需求。
本发明的有益效果是：本发明的电源装置具有自主切换MPPT模式与S3R模式功能，无需增加后级变换器，兼具高太阳电池转换电能利用率与高功率传递效率的优点。
附图说明
图1是MPS3R原理框图；
图2是同步Buck拓扑图；
图3(a)是电感充电阶段的MPPT工作模式图；
图3(b)是电感放电部分的MPPT工作模式图；
图4(a)是供电阶段的分流调节工作模式图；
图4(b)是分流阶段的分流调节工作模式图；
图5是四开关Buck-Boost拓扑结构图；
图6是FSBB+MPS3R电路结构框图。
具体实施方式
本发明公开了一种航天器的电源装置(简称MPS3R)，MPS3R的设计是在全调节型MPPT方案的基础上加入可以主动切换的S3R电路(前级MPPT+后级S3R电路，简称MPS3R)，使得保证最大功率输出的同时，可以主动切换至S3R模式将前级的功率高效传输到母线。S3R分流调节电路部分可兼容多种S3R架构，例如采用BOOST型的S3R设计形式等。
如图1所示，本发明的电源装置(MPS3R)包括第一模块和第二模块，所述第一模块包括MPPT模块、判断模块、第一场效应管增强型N-MOSV1、第二场效应管增强型N-MOSV2、第三场效应管增强型N-MOSV3、第四场效应管增强型N-MOSV5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管V4、电容Cin、第一电感L1，所述判断模块与所述MPPT模块相连，所述第一场效应管增强型N-MOSV1的源极与第一电感L1一端相连，所述第一场效应管增强型N-MOSV1的漏极与电容Cin一端相连，所述第一电感L1另一端与第四二极管V4相连，所述第一二极管D1一端与所述第一场效应管增强型N-MOSV1的源极相连，所述第一二极管D1另一端与所述第一场效应管增强型N-MOSV1的漏极相连；所述第二场效应管增强型N-MOSV2的源极接地，所述第二场效应管增强型N-MOSV2的漏极与所述第一场效应管增强型N-MOSV1的源极相连，所述第二二极管D2一端与所述第二场效应管增强型N-MOSV2的源极相连，所述第二二极管D2另一端与所述第二场效应管增强型N-MOSV2的漏极相连；所述第三场效应管增强型N-MOSV3的源极接地，所述第三场效应管增强型N-MOSV3的漏极连接于所述第一电感L1与所述第四二极管V4之间，所述第三二极管D3一端与所述第三场效应管增强型N-MOSV3的源极相连，所述第三二极管D3另一端与所述第三场效应管增强型N-MOSV3的漏极相连；所述第四场效应管增强型N-MOSV5的漏极与所述电容Cin相连，所述第四场效应管增强型N-MOSV5的源极接地，且所述第四场效应管增强型N-MOSV5的源极与所述MPPT模块相连；
所述第二模块与所述第一模块相连，所述第二模块包括第五场效应管增强型N-MOSV6、第五二极管D4、第二电感L2、第六二极管D5，所述第五场效应管增强型N-MOSV6的源极与所述第二电感L2一端相连，所述第二电感L2另一端与所述第六二极管D5相连，所述第五场效应管增强型N-MOSV6的漏极与所述第二模块相连，所述第六二极管D5一端与所述第五场效应管增强型N-MOSV6的源极相连，所述第六二极管D5另一端与所述第五场效应管增强型N-MOSV6的漏极相连。
例如应用在航天器电源控制器(PCU)设计中，根据功率需求采用MPS3R电路结构进行太阳电池阵功率调节器设计，用于光照期太阳电池阵的功率调节及蓄电池充电，实现轨道转移前MPPT功能，在轨道转移后实现分流调节功能。
MPS3R架构整体控制策略采用分域控制，通过统一的主误差放大器保证母线电压实现母线电压稳定。
如在上述航天器电源控制器PCU应用中，航天器运行在转移轨道之前，MPS3R工作在DC/DC电源变换状态下，当母线功率小于帆板能量、电池充电电流之和时，MPS3R受MEA控制稳定母线电压，此时，电池按照设置的电流档位充电。当母线负载逐渐增大，直至母线功率大于帆板能量与电池充电电流之和，MPS3R将进入MPPT模式，以帆板的最大能力为负载供给能量，此时电池充电电流受MEA控制；随着母线负载进一步增加，电池将从充电状态变为放电状态，以满足负载需求。
当航天器运行在转移轨道后，MPS3R在总线转换指令的控制下实现DC/DC变换器与S3R电路的切换，电路控制逻辑为：母线功率小于帆板能量与电池充电电流之和时，MPS3R受MEA控制工作在顺序分流调节模式，此时，MPS3R实现母线稳定，电池按照设置的电流档位充电。当母线负载逐渐增大，直至母线功率大于帆板能量与电池充电电流之和，MPS3R将进入全供电模式，此时电池充电电流受MEA控制；随着母线负载进一步增加，电池将从充电状态变为放电状态，以满足负载需求。
MPS3R架构实现形式：
MPS3R架构可兼容多种(不限于如下两种)功率变换拓扑来实现，两种电路实现形式举例如下：
同步Buck+MPS3R电路：采用同步Buck+MPS3R电路的全电推航天器PCU设计，在光照期对太阳电池阵的输出功率进行调节及对蓄电池充电，该拓扑可仅使用单一变换器实现轨道转移前MPPT+同步Buck功能，并在轨道转移后实现分流调节功能。电路框图如图2所示。
轨道转移前电推进工作，PCU默认为BUCK工作，此时V3、V6断开，V1，V2受MEA信号控制。当电推进生效时由MPPT控制保持太阳电池帆板工作在最大功率处，V5闭合，整个电源控制器工作在最大功率点，保证能源有效供给，如图3(a)和图3(b)所示。
轨道转移完成后星务执行切换操作，由星务发送MPPT_INH(MPPT禁止，S3R模式)指令给PCU自主判断目前的工作状态。硬件电路操作使V1闭合，V2断开，并解除V3、V6的拉低锁定。分流调节部分受MEA控制，V5断开以确保输入电容不会让分流管产生额外的损耗，此时整个电源控制器与传统S3R调节形式一致，保证能源有效供给母线，如图4(a)和图4(b)所示。
FSBB+MPS3R电路：四开关Buck-Boost(FSBB)拓扑可实现Buck(降压电路)、Boost(升压拓扑)、Buck-Boost(升降压拓扑)的功能，相比单纯的将Buck拓扑和Boost拓扑级联在一起来完成升降压的功能，FSBB电路所用器件更少，效率更高。拓扑结构如图5所示。
FSBB拓扑的工作原理简单分析如下：该方案为四开关升降压拓扑，可实现输入输出功率的双向流动。通过控制开关管的占空比变化，可实现输入输出电压的转换，该方案分为三种工作模式，1)当Vin>Vo时，工作BUCK模式，此时第三开关管Q3长通，第一开关管Q1和第二开关管Q2完成降压转换功能；2)当Vin≈Vo时，工作在Buck-Boost模式，此时第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4都工作，完成电压转换功能；3)当Vin<Vo时，工作在Boost模式，此时第一开关管Q1长通，第三开关管Q3和第四开关管Q4完成升压转换功能。
FSBB+MPS3R电路结构如图6所示，可以通过磁耦合的方式减小体积，结合MPS3R架构的特点，FSBB拓扑中的一个开关管可以同时具有分流管功能，实现体积的缩小与功率密度的提升。
本发明的技术优势如下：
1.不需要额外增加变换器即可同时具有MPPT工作模式与分流调节模式两种工作状态。在保证最大功率输出的同时，可以主动切换至S3R模式将前级输出功率高效传输到母线上。
2.相比全调节母线MPPT架构，在最大限度地利用太阳电池转换的电能的同时可以通过后级S3R电路提高了功率传递效率；相比传统S3R架构，受控于前级MPPT改变母线电压可实现最大功率跟踪，提高了能源利用率。较S3MPR架构而言，由于不需要增加后级DCDC变换器进行功率二次变换，提高了***功率密度。
3.可兼容多种功率变换拓扑，相比两拓扑级联方式可以使用更少的器件，提升功率变换效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种航天器的电源装置，其特征在于，包括前级MPPT电路和后级S3R电路，所述前级MPPT电路与所述后级S3R电路相连，所述后级S3R电路用于实现分流调节功能，该电源装置具有MPPT工作模式与分流调节模式两种工作状态，具有自主切换MPPT模式和S3R模式的功能，在保证最大功率输出的同时，可以主动切换至S3R模式将前级输出功率传输到母线上；包括第一模块和第二模块，所述第一模块包括MPPT模块、判断模块、第一场效应管增强型N-MOS(V1)、第二场效应管增强型N-MOS(V2)、第三场效应管增强型N-MOS(V3)、第四场效应管增强型N-MOS(V5)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(V4)、电容(Cin)、第一电感(L1)，所述判断模块与所述MPPT模块相连，所述第一场效应管增强型N-MOS(V1)的源极与第一电感(L1)一端相连，所述第一场效应管增强型N-MOS(V1)的漏极与电容(Cin)一端相连，所述第一电感(L1)另一端与第四二极管(V4)相连，所述第一二极管(D1)一端与所述第一场效应管增强型N-MOS(V1)的源极相连，所述第一二极管(D1)另一端与所述第一场效应管增强型N-MOS(V1)的漏极相连；所述第二场效应管增强型N-MOS(V2)的源极接地，所述第二场效应管增强型N-MOS(V2)的漏极与所述第一场效应管增强型N-MOS(V1)的源极相连，所述第二二极管(D2)一端与所述第二场效应管增强型N-MOS(V2)的源极相连，所述第二二极管(D2)另一端与所述第二场效应管增强型N-MOS(V2)的漏极相连；所述第三场效应管增强型N-MOS(V3)的源极接地，所述第三场效应管增强型N-MOS(V3)的漏极连接于所述第一电感(L1)与所述第四二极管(V4)之间，所述第三二极管(D3)一端与所述第三场效应管增强型N-MOS(V3)的源极相连，所述第三二极管(D3)另一端与所述第三场效应管增强型N-MOS(V3)的漏极相连；所述第四场效应管增强型N-MOS(V5)的漏极与所述电容(Cin)相连，所述第四场效应管增强型N-MOS(V5)的源极接地，且所述第四场效应管增强型N-MOS(V5)的源极与所述MPPT模块相连；
所述第二模块与所述第一模块相连，所述第二模块包括第五场效应管增强型N-MOS(V6)、第五二极管(D4)、第二电感(L2)、第六二极管(D5)，所述第五场效应管增强型N-MOS(V6)的源极与所述第二电感(L2)一端相连，所述第二电感(L2)另一端与所述第六二极管(D5)相连，所述第五场效应管增强型N-MOS(V6)的漏极与所述第二模块相连，所述第六二极管(D5)一端与所述第五场效应管增强型N-MOS(V6)的源极相连，所述第六二极管(D5)另一端与所述第五场效应管增强型N-MOS(V6)的漏极相连。
2.一种航天器电源控制器，其特征在于，包括权利要求1所述电源装置，根据功率需求采用电源装置进行太阳电池阵功率调节器设计，用于光照期太阳电池阵的功率调节及蓄电池充电，实现轨道转移前MPPT功能，在轨道转移后实现分流调节功能。
3.根据权利要求2所述的航天器电源控制器，其特征在于，采用同步Buck和电源装置，在光照期对太阳电池阵的输出功率进行调节及对蓄电池充电，使用单一变换器实现轨道转移前MPPT+同步Buck功能，并在轨道转移后实现分流调节功能，Buck表示降压电路。
4.根据权利要求3所述的航天器电源控制器，其特征在于，轨道转移前电推进工作，航天器电源控制器默认为BUCK工作，当电推进生效时由MPPT控制保持太阳电池帆板工作在最大功率处，整个电源控制器工作在最大功率点，保证能源有效供给。
5.根据权利要求2所述的航天器电源控制器，其特征在于，采用FSBB和电源装置，所述FSBB可实现输入输出功率的双向流动。
6.根据权利要求5所述的航天器电源控制器，其特征在于，所述FSBB包括第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)、电感(L)、第一电容和第二电容，所述第一开关管(Q1)源极与所述第二开关管(Q2)漏极相连，所述第一开关管(Q1)漏极与所述第一电容一端相连，所述第二开关管(Q2)源极与所述第一电容另一端相连；所述第三开关管(Q3)源极与所述第四开关管(Q4)漏极相连，所述第三开关管(Q3)漏极与所述第二电容一端相连，所述第四开关管(Q4)源极分别与所述第二电容另一端及所述第二开关管(Q2)源极相连，所述电感(L)一端连接于第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)之间，所述电感(L)另一端连接于第三开关管(Q3)和第四开关管(Q4)之间。
7.根据权利要求6所述的航天器电源控制器，其特征在于，当Vin>Vo时，工作BUCK模式，此时第三开关管(Q3)长通，第一开关管(Q1)和第二开关管(Q2)完成降压转换功能；当Vin≈Vo时，工作在Buck-Boost模式，此时第一开关管(Q1)、第二开关管(Q2)、第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)都工作，完成电压转换功能；当Vin<Vo时，工作在Boost模式，此时第一开关管(Q1)长通，第三开关管(Q3)和第四开关管(Q4)完成升压转换功能。
8.一种基于权利要求2-7任一项所述航天器电源控制器的控制方法，其特征在于，航天器运行在转移轨道之前，电源装置工作在DC/DC电源变换状态下，当母线功率小于帆板能量、电池充电电流之和时，电源装置受MEA控制稳定母线电压，此时，电池按照设置的电流档位充电；当母线负载逐渐增大，直至母线功率大于帆板能量与电池充电电流之和，电源装置将进入MPPT模式，以帆板的最大能力为负载供给能量，此时电池充电电流受MEA控制；随着母线负载进一步增加，电池将从充电状态变为放电状态，以满足负载需求；
当航天器运行在转移轨道后，电源装置在总线转换指令的控制下实现DC/DC变换器与S3R电路的切换，电路控制逻辑为：母线功率小于帆板能量与电池充电电流之和时，电源装置受MEA控制工作在顺序分流调节模式，此时，MPS3R模块实现母线稳定，电池按照设置的电流档位充电；当母线负载逐渐增大，直至母线功率大于帆板能量与电池充电电流之和，电源装置将进入全供电模式，此时电池充电电流受MEA控制；随着母线负载进一步增加，电池将从充电状态变为放电状态，以满足负载需求。
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