一种适应深空探测器的变结构电源系统及调节方法与流程

1.本发明涉及航天器能源领域，具体地，涉及一种适应深空探测器的变结构电源系统及调节方法，尤其是一种适应深空探测器的变结构电源系统新型拓扑。


背景技术：

2.深空探测器任务飞行距离远、持续时间长，空间环境存在大量未知和不确定性，人工干预时效性差，需要探测器具有高度的自主管理能力。在奔火途中，太阳光照与离太阳距离的平方成反比(每1au距离1353w/m2)。太阳辐照强度随着距离增加而不断减小。进入火星轨道后，火星大气直接照射的太阳辐射强度在远日点491w/m2和近日点715w/m2之间变化(平均值591w/m2)。因此，在研制的过程中，针对上述因素，并结合探测器的需求，如何设计一种深空探测器电源系统新型拓扑使整星能源得到更高的利用率。
3.在专利文献《部分自重构深空探测电源系统》cn201410427811.x通过对充电控制电路、峰值跟踪电路、放电控制电路和均衡控制电路的变换实现不同轨道的电源系统结构等；在专利文献《一种深空探测飞行器电源系统》cn201811261951.9是对双母线体制下的峰值功率跟踪电源拓扑结构进行优化，提高了充电效率；在专利文献《一种深空探测器太阳电池系统设计方法》cn201910291474.9通过对飞行距离的判断确定电池片串并设计。在公开号为cn110148995a中国发明专利文献中，公开了一种航天器可重构电源系统架构，包括太阳能电池阵、蓄电池组、源级母线、功能开关模块、dc/dc变换器模块和负载母线。太阳能电池阵和蓄电池组作为源级通过功能开关模块与分段式源级母线相连，源级母线通过dc/dc变换器模块与负载母线相连，实现能量变换。dc/dc变换器具备重构成mppt模块、电池充电模块、电池放电模块和其他功能模块能力，通过功能开关模块和重构算法进行电源系统各种工作模式的切换。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适应深空探测器的变结构电源系统拓扑及调节方法。
5.根据本发明提供的一种适应深空探测器的变结构电源系统，包括：太阳能电池阵、全调节统一母线、分流单元、充电单元、充电切换开关、分离体充电开关、探测器锂离子蓄电池组、分离体锂离子蓄电池组、充电开关、放电开关以及充放电模块；所述太阳能电池阵通过分流单元给全调节统一母线供电，所述充电单元设置为多个且均与太阳能电池阵连接，其中部分充电单元通过充电切换开关连接充电开关的一端或全调节统一母线，剩余充电单元通过分离体充电开关连接充电开关的一端或分离体锂离子蓄电池组，所述充电开关的另一端分别连接放电调节模块和探测器锂离子蓄电池组，充电开关为探测器锂离子蓄电池组提供充电通路，所述放电开关为探测器锂离子蓄电池组提供放电通路，所述探测器锂离子蓄电池组与充电开关的另一端之间串联有放电开关，所述放电调节模块将探测器锂离子蓄电池组功率输出至全调节统一母线。
6.优选的，所述的部分充电单元通过充电切换开关连接充电开关的一端或全调节统一母线，当探测器锂离子蓄电池组在接通充电开关为充电提供通路时，根据探测器锂离子蓄电池组的充电电压和充电电流需要的功率，将充电切换开关逐步由连接充电开关的一端切换至连接全调节统一母线。
7.优选的，所述的部分充电单元通过充电切换开关连接充电开关的一端或全调节统一母线，当探测器锂离子蓄电池组为充满状态且整星能源紧缺时，所有充电切换开关切换至连接全调节统一母线。
8.优选的，所述的部分充电单元通过充电切换开关连接充电开关的一端或全调节统一母线，当整星能源富裕且探测器锂离子蓄电池组为亏电时，根据整星能源富裕程度选择不同数量的充电切换开关切换至连接探测器锂离子蓄电池组并接通充电开关，且整星能源富裕程度越高，连接至探测器锂离子蓄电池组的充电切换开关数量越多。
9.优选的，所述的另一部分充电单元通过分离体充电开关连接充电开关的一端或分离体锂离子蓄电池组，当所有充电切换开关均连接全调节统一母线且整星能源仍紧张时，将分离体充电开关连接至充电开关的一端。
10.优选的，所述的另一部分充电单元通过分离体充电开关连接充电开关的一端或分离体锂离子蓄电池组，当所有充电切换开关均连接至充电开关的一端给探测器锂离子蓄电池组充电，且需要加快探测器锂离子蓄电池组的充电速度时，将部分或所有的分离体充电开关连接至充电开关的一侧，剩余充电单元功率输出至探测器锂离子蓄电池组。
11.优选的，所述的剩余充电单元通过分离体充电开关连接充电开关的一端或分离体锂离子蓄电池组，当探测器分离前需要对分离体锂离子蓄电池组充电时，根据分离前剩余时间选择不同数量的分离体充电开关连接至分离体锂离子蓄电池组，剩余时间越短，则连接至分离体锂离子蓄电池组的分离体充电开关数量越多，接通分离体充电开关的数量不超过两路。
12.优选的，所述的部分充电单元通过充电切换开关连接充电开关的一端或全调节统一母线，当飞行器在空间飞行过程中长期处于光照期时，根据整星功率需求和太阳能电池阵的功率，将不同数量的充电切换开关连接全调节统一母线，减少探测器锂离子蓄电池组的充放电次数。
13.优选的，所述全调节统一母线包括全调节统一母线正线和全调节统一母线回线，所述全调节统一母线正线和所述全调节统一母线回线间连接有母线电容。
14.根据本发明提供的一种适应深空探测器的变结构电源系统调节方法，包括以下步骤：
15.步骤s1：在探测器临发射前，接通充电开关和放电开关，且在轨飞行阶段充电开关和放电开关一直保持接通状态，放电开关的接通保证全调节统一母线上的电压稳定输出。
16.步骤s2：按照探测器与地球的具体来进行充电切换开关控制，在近地阶段，太阳能电池阵输出功率余量较大，探测器锂离子蓄电池组充电功率需求较小，选择部分充电切换开关连接至充电开关的一侧对探测器锂离子蓄电池组进行充电，当探测器锂离子蓄电池组充满时，选择零个或一个充电切换开关连接至充电开关的一侧对探测器锂离子蓄电池组进行充电。
17.步骤s3：在远地阶段，太阳能电池阵输出功率余量较小，电池充电功率需求较小，
选择部分或全部充电切换开关连接至充电开关的一侧对探测器锂离子蓄电池组进行充电，当探测器锂离子蓄电池组充满时，选择一个或两个充电切换开关连接至充电开关的一侧对探测器锂离子蓄电池组进行充电。
18.步骤s4：在探测器分离阶段，太阳能电池阵输出功率余量较小，根据分离前剩余时间选择不同数量的分离体充电开关连接至分离体锂离子蓄电池组，剩余时间越短，则连接至分离体锂离子蓄电池组的分离体充电开关数量越多。
19.步骤s5：在探测器分离后，将所有的分离体充电开关连接充电开关的一端。
20.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
21.1、本发明大大提升了太阳能电池阵的输出功率的利用率，减少了能源的浪费；
22.2、本发明避免了探测器锂离子蓄电池组在轨浮充的问题，从而提高了探测器锂离子蓄电池组的在轨使用寿命；
23.3、本电源系统拓扑具有稳定性高的优点。
附图说明
24.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
25.图1为本发明一种适应深空探测器的变结构电源系统拓扑图。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
27.一种适应深空探测器的变结构电源系统，包括：太阳能电池阵、全调节统一母线、分流单元、充电单元、充电切换开关、分离体充电开关、探测器锂离子蓄电池组、分离体锂离子蓄电池组、充电开关、放电开关以及充放电模块。在本实施例中分流单元数量采用14个，充电开关2个，放电开关2个，充电单元采用6个，充电切换开关采用4个，分离体充电开关采用2个，全调节统一母线包括全调节统一母线正线和全调节统一母线回线。
28.太阳能电池阵通过分流单元给全调节统一母线供电，14个充电单元与太阳能电池阵连接后并联接入全调节统一母线。充电单元的一端与太阳能电池阵连接，其中4个充电单元的另一端分别通过4个充电切换开关连接充电开关的一端或全调节统一母线，剩余2个充电单元分别通过2个分离体充电开关连接充电开关的一端或分离体锂离子蓄电池组，在充电开关的一端连接有保护电容，保护电容的另一端与充电切换开关和分离体充电开关连接，充电开关的另一端分别连接放电调节模块和探测器锂离子蓄电池组，探测器锂离子蓄电池组与充电开关的另一端之间串联有放电开关，放电调节模块将探测器锂离子蓄电池组功率输出至全调节统一母线。在全调节统一母线正线和全调节统一母线回线间连接有母线电容。
29.按照探测器离地球的距离来进行充电切换开关进行控制，但在全任务阶段充电开关和放电开关保持接通状态。在近地阶段，太阳能电池阵输出功率余量比较大，探测器锂离
子蓄电池组充电功率需求比较小，可以将其中2个或3个充电切换开关到探测器锂离子蓄电池组充电，且分离体锂离子蓄电池组充电完成后将2个分离体充电开关切换给探测器锂离子蓄电池组充电；当探测器锂离子蓄电池组充满时，可以将其中0个或1个充电切换开关到探测器锂离子蓄电池组，2个分离体充电开关切换开关可以保持不变，使探测器锂离子蓄电池组处于不充或者小电流放电的状态；充电切换开关切换路数主要依据太阳能电池阵输出功率和负载功率需求，使探测器锂离子蓄电池组在不同的充电切换开关状态下有较小的放电电流和较小的放电电流；
30.在远地阶段，太阳能电池阵输出功率余量比较小，探测器锂离子蓄电池组充电功率需求比较小，可以将其中3个或4个充电切换开关到探测器锂离子蓄电池组充电，和分离体充电开关切换给探测器锂离子蓄电池组充电，当探测器锂离子蓄电池组充满时，可以将其中1个或2个充电切换开关到探测器锂离子蓄电池组，使探测器锂离子蓄电池组处于小电流放电的状态，不但保证探测器锂离子蓄电池组不浮充而且保证了充电通路不断；
31.在分离阶段，太阳能电池阵输出功率余量比较小，按要求在分离前2天将分离体锂离子蓄电池组充满，则探测器程控将1个分离体充电开关切换给分离体锂离子蓄电池组，如果实际工程时间紧张可以将2个分离体充电开关切换给分离体锂离子蓄电池组，实现快速充电；
32.在分离后阶段，将2个分离体充电开关切换给探测器锂离子蓄电池组充电，或接到充电开关切换分离体锂离子蓄电池组状态，实现电池探测器锂离子蓄电池组充电和放电。
33.通过以上流程对充电切换开关和分离体充电开关切换开关控制，使探测器锂离子蓄电池组处于小电流充电和小电流放电(或不充)的状态；充电切换开关切换路数主要依据太阳能电池阵输出功率和负载功率需求，使探测器锂离子蓄电池组在不同的充电切换开关状态下有较小的放电电流和较小的放电电流，对实现了提升太阳阵输出功率利用率和避免了电池在轨浮充的问题，对大大提高了深空探测器锂离子蓄电池的在轨工作寿命和为可靠性提供了巨大的帮助。
34.本发明根据深空探测对电源的特殊需求和对电源常用的s3r和s4r拓扑结构的优点的研究，对电路结构进行局部改动，既保证原有技术的成熟度又保证工程实施的安全性，同时实现了提升了太阳阵输出功率利用率和避免了电池在轨浮充的问题，大大提高了深空探测器锂离子蓄电池的在轨工作寿命和为可靠性提供了巨大的帮助。
35.本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
36.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。