一种分布式航天器电源系统标准接口单元

技术领域

本发明涉及分布式航天器电源系统的标准接口单元，尤其涉及可扩展、可重构的分布式电源系统的控制方法技术领域。

背景技术

目前，航天器电源系统通常是不可在轨进行维修、更换以及重构的。但是随着航天技术的飞速发展，尤其是对于在轨服务与维护的航天器，需要完成太阳翼、蓄电池组等易耗、易损模块在轨维修、更换，太阳翼、蓄电池组、控制器通过提高发电、储能及调节能力等实现在轨升级，系统通过更换、增加模块实现系统重构、功率拓展扩容，并能够适应平稳负载和短时大功率脉冲负载等的功率需求，具备柔性承载的能力。在轨服务与维护航天器对在轨维修、更换、加注、升级、重构、拓展和柔性承载有了迫切的需求。

具备模块化、标准化、可任意组合、重构，可靠性高，安全性好等特点的空间分布式电源系统，将是适应未来在轨服务，任务灵活定制，快速研制、快速生产、快速发射，在轨能性能升级、寿命增长和任务扩展等需求的必然结果。对于空间可重构分布式电源系统，如何实现分布式发电单元、储能单元的灵活接入尤为重要。传统分布式电源系统中，分布式发电、储能单元的接入通常采用固态功率开关连接，传统的固态功率开关主要应用于航空、舰船等交直流智能配电系统中，实现负载的自动管理、远程控制、状态检测、故障预测处理及容错。但是传统的固态功率开关无法实现带电热插拔，即在不关闭系统、不切断电源的情况下，将模块插入或拔出电源系统时，会引起电源母线电压电流的冲击，影响系统的正常工作。热插拔能力可提高系统的可靠性、快速维修性、冗余性和对灾难的及时恢复能力等。因此，需要一种通用标准的功率接口，具备热插拔功能，满足更换、升级、重构以及功率扩容的接口需求。

发明内容

本发明解决的技术问题是：在轨服务与维护、大型空间站、深空探测器等航天器可维修、可更换、可升级、可重构、可扩容、可柔性承载的应用需求，传统电源系统中发电、储能单元的接入方式已经不能满足分布式可重构空间电源系统灵活接入、柔性扩展以及快速保护的要求。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提出的一种分布式航天器电源系统标准接口单元适用于航天器分布式可重构电源系统，通过一套标准化、通用化电气接口，解决面向在轨服务与维护的分布式航天器发电、储能单元无法带电插拔、无法快速保护的问题。其应用场合适用于可扩展、可重构、大功率的航天器分布式电源系统。

其中，标准接口单元作为分布式电源系统中发电、储能单元与直流母线之间的接口单元，同时具有带电热插拔与快速故障保护功能。

标准接口单元包括输入接口模块、双向固态开关模块、控制单元模块、辅助电源模块、CAN通信模块、隔离驱动模块、信号采集模块、电流阈值保护模块、热插拔模块、指示模块以及输出接口模块等。

输入接口模块采用长短针结构实现带电热插拔。带电热插拔保护同时采用硬件和软件冗余方案，防止在一种保护失效时损坏电路，仅当检测到接插件在完全插入状态下才启动系统，以增加系统的可靠性和安全性。双向固态开关模块实现双向的功率潮流控制与保护。控制单元模块保护参数可软件定义保护阈值及策略，实现反限时保护、快速短路保护、功率开关控制功能。本发明通过一个标准化、通用化电气接口，解决在轨服务航天器等电源系统中分布式单元无法带电插拔、无法快速保护的问题。其应用场合适用于在轨服务与维护等可扩展、可重构、大功率的航天器分布式电源系统。

本发明的主要特点有：

1.标准接口单元包括输入接口模块、双向固态开关模块、控制单元模块、辅助电源模块、CAN通信模块、隔离驱动模块、信号采集模块、电流阈值保护模块、热插拔模块、指示模块、输出接口模块等。标准接口单元同时具有带电热插拔与快速保护功能。

2.输入接口模块负责完成标准接口单元与分布式系统直流母线、通信总线的连接等。双向固态开关模块负责完成主功率输入与输出接口的接通或者关断。控制单元模块负责数据的采集、数模转换、系统的故障诊断、固态开关的控制、上位机的通信、软件保护的实现等功能。辅助电源模块将输入电压转换为系统各个模块所使用的低电压，为整个系统供电。CAN通信模块实现标准接口单元与上位机的数据和指令通信功能。隔离驱动模块采用光耦隔离驱动，CPU产生的PWM波控制信号通过隔离驱动模块驱动固态开关，且可以保证控制电路与驱动信号电器隔离。信号采集模块包括主电路输入输出电压、电流以及温度采集电路，将采集信号输入到CPU的数模转换接口进行数模转换。电流阈值保护模块硬件实现电流阈值保护，分别包括封锁功率管驱动光耦输入以及DSP片上比较器驱动故障信号封锁PWM输出。热插拔及指示模块可以实现带电插拔，利用接插件的长短针设计给CPU传递接插件是否完全插入的信息，防止接插件在未完全插入的情况下启动系统造成系统损坏。利用不同颜色的发光二极管指示接插件连接、开关通断、故障保护三种状态。输出接口模块负责完成标准接口单元与分布式电源模块或者负载的连接等。

3.热插拔模块同时具有硬件和软件双重热插拔保护功能，仅当检测到接插件在完全插入的状态下才启动系统，防止在一个保护失效时损坏电路，以增加系统的可靠性和安全性。热插拔SWAP_IN信号，既输出给CPU用作软件保护同时也输出给驱动电路用作硬件保护。

设计SWAP插针较短，当标准接口接入到系统时，由于SWAP插针长度较短，SWAP 脚悬空，三极管导通，SWAP_IN被拉为低电平，SWAP_IN接入CPU的一个GPIO口上， CPU检测此IO口为低电平时不启动系统，当接插件完全插入后，SWAP接地被拉低，三极管关断，SWAP_IN被上拉电阻拉至高电平，CPU检测此IO口为高电平时启动系统工作。此为热插拔软件保护方案。

SWAP_IN信号还与驱动电路相连，当接插件未完全插入时，SWAP_IN为低电平，将光耦得正输入端口拉低，此时PWM无论为什么电平，光耦都不会导通。而当接插件完全插入时，SWAP_IN变为高电平，二极管反向截止，光耦得正输入端口与CPU输出的PWM 波电平相同，即PWM为高电平时光耦导通，PWM为低电平时光耦关断。此为热插拔硬件保护方案。

4.控制单元模块可进行软件定义保护阈值与策略。控制单元模块硬件包括IO子模块、PWM子模块、比较器子模块、ADC转换子模块以及CAN通信子模块等。控制单元模块软件包括主程序、定时器中断程序、PWM中断程序。主程序主要实现上电后的初始化以及重要数据恢复功能；定时器中断主要实现时间记录、遥测采集、参数上注、总线通信、健康诊断功能；PWM中断主要实现反限时保护、短路保护、功率开关控制功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、标准接口单元同时具有热插拔及快速故障保护功能。主功率开关部分采用三个功率开关管构成的双向固态开关，实现了双向功率潮流的控制功能。

二、输入接口单元的电连接器采用了长短针结构，并具有软件和硬件双重热插拔保护功能，实现可靠的带电热插拔。控制单元可软件定义保护阈值及策略，实现反限时保护、快速短路保护、功率开关控制功能。

三、标准接口单元可满足在轨服务与维护等航天器可维修、可更换、可升级、可重构、可扩容、可柔性承载的应用需求。

附图说明

图1为本发明分布式电源系统标准接口单元框图；

图2为本发明采用标准接口单元的分布式可重构航天器电源系统架构；

图3为本发明双向固态开关模块；

图4为控制单元模块定时器中断程序流程图；

图5为控制单元模块PWM中断流程图；

图6为标准接口单元结构示意图；

图7为标准接口单元的安装示意图；

图8为输入接口模块长短针电连接器图；

图9为输入接口模块功率端节点定义图；

图10为输入接口模块信号端节点定义图；

图11为输出接口模块接点定义图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。

实施例

1.总体设计方案

一种分布式航天器电源系统标准接口单元，其原理图见图1，主要包括：输入接口模块、双向固态开关模块、控制单元模块、辅助电源模块、CAN通信模块、隔离驱动单元、信号采集模块、电流阈值保护模块、热插拔模块、指示模块、输出接口模块，其中：

输入接口模块：负责完成标准接口单元与分布式系统直流母线、通信总线的连接等。

双向固态开关模块：负责完成主功率输入与输出接口的接通或者关断。

控制单元模块：标准接口单元的控制电路核心器件，负责数据的采集、数模转换、系统的故障诊断、固态开关的控制、上位机的通信、软件保护的实现等功能。

辅助电源模块：将输入电压转换为系统各个模块所使用的低电压，为整个系统供电。

CAN通信模块：实现标准接口单元与上位机的数据和指令通信功能。

隔离驱动模块：采用光耦隔离驱动，CPU产生的PWM波控制信号通过隔离驱动模块驱动固态开关，且可以保证控制电路与驱动信号电器隔离。

信号采集模块：包括主电路输入输出电压、电流以及温度采集电路，将采集信号输入到CPU的数模转换接口进行数模转换。

电流阈值保护模块：硬件实现电流阈值保护，分别包括封锁功率管驱动光耦输入以及DSP片上比较器驱动故障信号封锁PWM输出。

热插拔及指示模块：可以实现带电插拔，利用接插件的长短针设计给CPU传递接插件是否完全插入的信息，防止接插件在未完全插入的情况下启动系统造成系统损坏。利用不同颜色的发光二极管指示接插件连接、开关通断、故障保护三种状态。

输出接口模块：负责完成标准接口单元与分布式电源模块或者负载的连接等。

由标准接口单元构成的分布式可重构航天器电源系统架构如图2所示。标准接口单元结构如图6所示。标准接口单元安装于分布式发电或者储能单元的功率控制器中，具体安装标准接口单元的分布式电源控制器如图7所示。

2.输入接口模块

输入接口模块连接器那个长短针结构，包括功率正线插针、功率负线插针、接地插针、CAN通信插针(CAN_H、CAN_L、CAN_GND、CAN_Shield)以及SWAP热插拔插针。其中，接地插针长度最长，功率正线插针、功率负线插针、CAN通信插针长度居中，SWAP 热插拔插针最短。输入接口模块的长短针电连接器如图8所示，其中功率针与信号针的定义如图9和图10所示。

功率正线插针实现标准接口单元功率正线与母线功率正线的连接，功率负线插针实现标准接口单元功率负线与母线功率负线的连接，通信插针实现标准接口单元与通信总线的连接，SWAP热插拔插针实现插拔状态的检测。接地插针最长，最先实现标准接口单元地电位的建立，功率及通信插针居中，接地可靠搭接后，完成功率及通信部分的连接，最后，热插拔插针最短，当热插拔插针接通后，热插拔针与地线连通，控制电路才发出启动信号，开通固态开关，实现系统上电。

3.双向固态开关模块

双向固态开关模块由三个MOSFET组成，主通路部分由两个反串联MOSFET组成，另一个MOSFET在开关关断时组成续流回路，通过其体二极管续流。

固态开关要求电流可双向流通，故采用两个反串联的MOSFET器件，通过光耦驱动控制。除此之外，还需一个始终关断的MOSFET组成续流回路，为主电路续流。固态双向开关电路设计如图3所示。

当Q1导通时，电流从Q1的导电沟道流经Q2的体二极管流到PV2，实现从PV1到 PV2的导通；当Q2导通时，电流从Q2的导电沟道流经Q1的体二极管流到PV1，实现从 PV2到PV1的导通；由于体二极管的单向导电性，不会有相反的电流流通，从而实现双向开关的作用。在实际工作中，两个MOSFET会长时间处于完全导通状态，在开关导通关断瞬间，线路上的寄生电感会产生较大的电压突变，太大时会击穿MOSFET，故对两个MOSFET并联一个RC(C1、R1)电路，达到吸收寄生电感产生的较大电压，同时也可以抑制MOSFET反并联二极管反向恢复过程中的电压尖峰。Q3管的作用是利用其体二极管来提供续流回路，为Q1或Q2关断瞬间为感性元件产生的电流续流。电容C4和C5是母线的吸收电容。(如果MOSFET在测试时发热严重或者导通压降超出要求值，可以采取每个方向的开关由两个并联的MOSFET构成，这样降低了内阻，减少导通压降以及温度。)

4.控制单元模块

控制单元包括IO子模块、PWM子模块、比较器子模块、ADC转换子模块以及CAN通信子模块。标准接口单元的软件程序运行于控制单元模块中，主要分为三部分，分别为主程序、定时器中断程序、PWM中断程序。主程序主要实现上电后的初始化以及重要数据恢复功能；定时器中断主要实现时间记录、遥测采集、参数上注、总线通信、健康诊断功能；PWM中断主要实现反限时保护、短路保护、功率开关控制功能。

主程序：

上电后，主程序开始执行，首先对整个系统进行初始化，恢复重要数据、重要数据包括电流保护阈值、I

定时器中断程序：

定时器中断程序如图4所示。图4为定时器中断的整体流程，图5为时间记录模块的流程。定时器中断的作用是上电后每隔2ms对时间数据进行记录，t

A.待机：上位机未发送指令，进入待机状态，不进行任何操作。

B.自检：上电首次进入中断会进入自检状态，对系统进行健康测试，包括电压、电流、温度等数据，输入电压范围正常、电流为0、温度正常，健康诊断完成，继续程序。否则向上位机发送错误信号。

C.点名应答：上位机指令中有一位代表是广播点名数据下位机需要向上位机回复点名应答数据。

D.开关控制：上位机指令中有一位，代表上位机发送的是开关指令数据，下位机需要根据指令在下一个PWM中断时对相应的开关进行控制(开通或关断)，并对上位机发送应答数据。

E.总线指令：上位机指令中有一位，代表上位机发送的是总线指令数据，即上位机会向下位机发送电流保护阈值，下位机解析出阈值后，会对保护程序中的阈值数据进行修改。随后下位机会发送总线指令应答序列。

F.轮询遥测：上位机指令中有一位，代表上位机发送的是遥测轮询指令，下位机会发送所要求的遥测数据信息。

G.时间校正：上位机指令中有一位，代表上位机发送的是广播时间数据，下位机核对记录的时间数据与上位机发送的是否匹配，如不匹配以上位机为准校正时间数据。

PWM中断程序：

PWM中断的频率为10kHz，主要负责功率开关的控制和故障保护。程序流程图如图5所示。

首先程序会判断此时电流大小，若电流大于短路保护阈值，则直接断开功率开关；如果电流小于短路保护阈值但大于I2t保护阈值，则进入反时限电流保护，一种动作的条件如下式。

若保护值达到阈值，则保护动作，保护延时t＝0.0001M，反之则不动作，等待下次中断继续累加。

PWM中断中包含两个状态

a.待机：不需要开关动作进入的状态，不进行任何操作。

b.控制：根据上位机指令对功率开关进行控制。

5.热插拔及指示模块

当检测到接插件在完全插入的状态下才启动系统，热插拔的保护分为硬件和软件两种方案，防止在一个保护失效时损坏电路，以增加系统的可靠性和安全性。SWAP插针通过三极管输出一个SWAP_IN信号，SWAP_IN信号既输出给CPU同时也输出给驱动电路。

PIO口上，CPU检测此IO口为低电平时不启动系统，当接插件完全插入后，SWAP 接地被拉低，三极管关断，SWAP_IN被上拉电阻拉至高电平，CPU检测此IO口为高电平时启动系统工作。此为热插拔软件保护方案。

SWAP_IN信号还与驱动电路相连，当接插件未完全插入时，SWAP_IN为低电平，将隔离驱动光耦得正输入端口拉低，此时PWM无论为什么电平，隔离驱动光耦都不会导通。而当接插件完全插入时，SWAP_IN变为高电平，二极管反向截止，隔离驱动光耦得正输入端口与CPU输出的PWM波电平相同，即PWM为高电平时光耦导通，PWM为低电平时光耦关断。此为热插拔硬件保护方案。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。