航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统

技术领域

本发明涉及航天器供配电的技术领域，具体地，涉及航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统。

背景技术

航天事业发展日新月异，航天器载荷种类越来越多，功率越来越大，负载形式越来越多变，特别是微波遥感负载、光学遥感负载、激光负载、平台姿控力矩陀螺负载、电推进负载等负载形式越来越多，需求的功率需求越来越大，载荷工作一般为大功率脉动形式或短时间脉动形式，由于负载的脉冲或短时工作模式对母线有严重的反射影响，特别是异常状态下不同负载的特性表现，常常引起航天器其他负载故障，特别是近年来发生的各种在轨问题，多为不同负载使用同一母线供电，或采取的隔离措施不到位引起航天器工作异常，并发生多起卫星功能丧失或失效。

专利文献CN111361765B公开了航天器电源双母线，涉及蓄电池组的在轨重构功能；专利文献CN1112636444B全调节统一母线的双星组合体航天器并网供配电系统,提供的是实现航天器在组合体工作时的供电互补；专利文献201510677252.2一种双舱组合式航天器联合供电系统及方法，其主要是针对上升舱和着陆舱电源系统，着陆舱无蓄电池组，阴影区只能上升舱对着陆舱供电；专利文献CN109873414A公开了一种航天器测试供配电系统健康监测处理方法，涉及航天器测试健康监测技术领域；专利文献CN108258720A一种双母线能源并网拓扑结构及其并网控制方法，讲述的为平台能源组件与载荷能源组件的并网功能，解决的是微纳卫星单母线体制中载荷短时大功率供电稳定性的问题；专利文献CN106410936A一种基于高低压双母线的大功率高效卫星电源系统，采用分阵设计，28V功率调节和42V功率调节分开设计的方案。

因此，需要提出一种新的技术方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统。

根据本发明提供的一种航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统，包括：太阳电池阵、分流电路、充电控制电路、放电调节电路、稳态负载母线、动态负载母线、蓄电池组隔离并联控制电路、稳态负载、动态负载、功率隔离调节电路、蓄电池组；

所述太阳电池阵包括N11-N1n+1路和N21-N2n+1路，其中N11-N1n+1路为稳态负载母线供电，并通过N11-N1n+1分流电路分流；N21-N2n+1路太阳电池阵为稳态负载供电、为蓄电池组充电、对地分流；所述太阳电池阵、分流电路、充电控制电路为一一对应关系；

所述放电调节电路包括A1-An路和B1-Bn路；所述蓄电池组通过A1-An路放电调节电路和B1-Bn路放电调节电路为稳态负载母线供电；

所述动态负载母线通过蓄电池组供电，两组蓄电池组通过隔离后进行并联，然后通过功率隔离调节电路为动态负载供电；

所述蓄电池组通过蓄电池组隔离并联控制电路进行蓄电池组并联输出。

优选地，所述N11-N1n+1路太阳电池阵为负载供电和分流；所述N21-N2n+1路太阳电池阵为负载供电、为蓄电池组充电、分流、为动态负载母线供电。

优选地，所述太阳电池阵的供电、分流、充电顺序为：先供电，稳态负载母线顺序为N11→N1n→N21→N2n，其次为动态负载母线，供电顺序为N2n→N21，充电顺序次之，顺序为N21→N2n；最后为分流顺序，供电、充电之外的功率用于分流。

优选地，所述蓄电池组包括：A蓄电池组、B蓄电池组；所述蓄电池组通过放电调节电路为稳态负载母线供电；所述蓄电池组通过功率隔离调节电路分别为不同脉动动态负载供电。

优选地，所述N11-N1n+1路太阳电池阵的输出功率不大于稳态负载的常态功率；所述太阳电池阵采用两翼或多翼供电，对应于母线和蓄电池组的太阳电池阵采取交叉式分布于两翼或多翼，同时每路太阳电池阵输出具备独立隔离措施。

优选地，所述放电调节电路A1-An路和放电调节电路B1-Bn路相互之间具备隔离措施、具备故障后自主退出供电网络的能力，任何一路放电调节电路发生故障后不影响其他放电调节电路工作，航天器发生异常断电重启后故障电路保持故障隔离状态。

优选地，所述A蓄电池组、B蓄电池组通过蓄电池组隔离并联控制电路进行蓄电池组并联输出，进行隔离和每组蓄电池组的接入、断开控制，两组蓄电池组供电均衡输出，功率均衡输出不均衡度不大于5％。

优选地，所述功率隔离调节电路进行相应动态负载的电源变换、滤波、功率输出隔离、自主故障隔离，负载端瞬时动态特性引起输入端的母线电压波动不大于±2.5V，反射纹波不超过300mV，电流波动不大于±1A。

优选地，任何一路功率隔离调节电路发生故障不影响其他动态负载供电的功率隔离调节电路正常工作，航天器发生异常断电重启后功率隔离调节电路初始状态除保证航天器最小稳定状态的动态负载外应处于断电状态，当动态负载母线处于欠压状态，电压未达到其设计值的80％时，除保证航天器最小稳定状态的动态负载外其余功率隔离调节电路应自主断电。

优选地，所述太阳电池阵经过分流电路、充电控制电路调节后为稳态负载母线供电，所述N21-N2n+1路太阳电池阵经过分流电路、充电控制电路调节后为蓄电池组充电和为动态负载母线供电。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供了基于不同负载的供电能力，把稳态负载和脉动动态负载进行隔离式供电，确保航天器动态负载工作时对航天器其他的负载的干扰和影响；

2、本发明采取了有效的隔离措施，断电重启保护措施，欠压状态保护措施，可以有效确保航天器能源，防止航天器故障扩散和次生灾害发生，为航天器故障后抢救赢得宝贵时间；

3、本发明能够提高太阳电池阵的使用率，一般来说常规太阳电池阵供电输出的末级功率在航天器发射初期状态处于分流状态，即一般由于功率余量不使用，本发明可以有效的利用前后级的功率输出，提供功率利用率，同时前级太阳电池阵直接参与航天器负载供电，无充电功能，可以有效简化航天器电路设计，有利于提供系统安全性，减轻系统重量。

附图说明

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：

图1为本发明所提供的一种航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统的示意图。

具体实施方式

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。

实施例1：

根据本发明提供的一种航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统，包括：太阳电池阵、分流电路、充电控制电路、放电调节电路、稳态负载母线、动态负载母线、蓄电池组隔离并联控制电路、稳态负载、动态负载、功率隔离调节电路、蓄电池组；所述太阳电池阵包括N11-N1n+1路和N21-N2n+1路，其中N11-N1n+1路为稳态负载母线供电，并通过N11-N1n+1分流电路分流；N21-N2n+1路太阳电池阵为稳态负载供电、为蓄电池组充电、对地分流；所述太阳电池阵、分流电路、充电控制电路为一一对应关系；所述放电调节电路包括A1-An路和B1-Bn路；所述蓄电池组通过A1-An路放电调节电路和B1-Bn路放电调节电路为稳态负载母线供电；所述动态负载母线通过蓄电池组供电，两组蓄电池组通过隔离后进行并联，然后通过功率隔离调节电路为动态负载供电；所述蓄电池组通过蓄电池组隔离并联控制电路进行蓄电池组并联输出。

N11-N1n+1路太阳电池阵为负载供电和分流；所述N21-N2n+1路太阳电池阵为负载供电、为蓄电池组充电、分流、为动态负载母线供电；太阳电池阵的供电、分流、充电顺序为：先供电，稳态负载母线顺序为N11→N1n→N21→N2n，其次为动态负载母线，供电顺序为N2n→N21，充电顺序次之，顺序为N21→N2n；最后为分流顺序，供电、充电之外的功率用于分流。

蓄电池组包括：A蓄电池组、B蓄电池组；所述蓄电池组通过放电调节电路为稳态负载母线供电；所述蓄电池组通过功率隔离调节电路分别为不同脉动动态负载供电。

N11-N1n+1路太阳电池阵的输出功率不大于稳态负载的常态功率；所述太阳电池阵采用两翼或多翼供电，对应于母线和蓄电池组的太阳电池阵采取交叉式分布于两翼或多翼，同时每路太阳电池阵输出具备独立隔离措施。

放电调节电路A1-An路和放电调节电路B1-Bn路相互之间具备隔离措施、具备故障后自主退出供电网络的能力，任何一路放电调节电路发生故障后不影响其他放电调节电路工作，航天器发生异常断电重启后故障电路保持故障隔离状态。

A蓄电池组、B蓄电池组通过蓄电池组隔离并联控制电路进行蓄电池组并联输出，进行隔离和每组蓄电池组的接入、断开控制，两组蓄电池组供电均衡输出，功率均衡输出不均衡度不大于5％。

功率隔离调节电路进行相应动态负载的电源变换、滤波、功率输出隔离、自主故障隔离，负载端瞬时动态特性引起输入端的母线电压波动不大于±2.5V，反射纹波不超过300mV，电流波动不大于±1A；任何一路功率隔离调节电路发生故障不影响其他动态负载供电的功率隔离调节电路正常工作，航天器发生异常断电重启后功率隔离调节电路初始状态除保证航天器最小稳定状态的动态负载外应处于断电状态，当动态负载母线处于欠压状态，电压未达到其设计值的80％时，除保证航天器最小稳定状态的动态负载外其余功率隔离调节电路应自主断电。

太阳电池阵经过分流电路、充电控制电路调节后为稳态负载母线供电，所述N21-N2n+1路太阳电池阵经过分流电路、充电控制电路调节后为蓄电池组充电和为动态负载母线供电。

实施例2：

本发明提供了航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统，包括：太阳电池阵、分流电路、充电控制电路、静态负载调节母线、动态负载母线、蓄电池组隔离并联控制电路、功率隔离调节电路、以及蓄电池组；所述太阳电池阵分为N11～N1n+1路、N21～N2n+1路，其中N11～N1n+1路为静态负载母线供电，并通过N11～N1n+1分流电路分流；N21～N2n+1路太阳电池阵可以为稳态负载供电、为蓄电池组充电、对地分流；太阳电池阵、分流电路、充电电路为一一对应关系；动态负载母线直接通过蓄电池组供电，两组电池组通过隔离后进行并联，然后通过功率隔离调节电路为动态负载供电；阴影期两组蓄电池组通过放电电路为静态负载母线供电。近年来，多次发生航天器供配电方面在轨质量问题，甚至发生航天器寿命期失效，严重影响了用户使用，究其原因多数为稳态负载和大功率脉动动态负载共用母线引起干扰，本发明针对航天器在轨问题，提出了稳态负载与脉动动态负载独立供电方案，同时对各动态负载采取隔离措施，减少各负载单机之间关联，当某路负载发生异常时，不会对其他负载造成影响，由于隔离设计，减少了由于航天器接地问题带来的故障状态下的潜通路，可以有效提高航天器抗干扰能力和系统稳定性，设置多路太阳电池阵仅用于供电和动态负载由蓄电池组端引出设计可以有效利用太阳电池阵输出功率，减少电路设计复杂性。

根据本发明提供的航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统，其特征在于，包括：太阳电池阵、分流电路、充电控制电路、放电调节电路、稳态负载母线、动态负载母线、蓄电池组隔离并联控制电路、稳态负载、动态负载以及蓄电池组；

太阳电池阵分为两种类型，一种为N11～N1n，具备直接为负载供电和分流能力；一种为N21～N2n，具备为负载供电、为蓄电池组充电、分流、为动态负载母线供电能力；太阳电池阵的供电、分流、充电顺序为：供电优先级最高，稳态负载母线顺序为N11→N1n→N21→N2n，动态负载母线次之，供电顺序为N2n→N21，充电顺序次之，顺序为N21→N2n；分流顺序最后，供电、充电之外的功率用于分流；太阳电池阵N11～N1n输出功率一般不大于稳态负载的常态功率；太阳电池阵一般采用两翼或多翼供电，对应于母线和蓄电池组的太阳电池阵采取交叉式分布于两翼或多翼，同时每路太阳电池阵输出具备独立隔离措施；太阳电池阵N11～N1n、N21～N2n经过分流电路、充电控制电路调节后为稳态负载母线供电，太阳电池阵N21～N2n经过分流电路、充电控制电路调节后为蓄电池组充电和为动态负载母线供电。

蓄电池组包括A蓄电池组、B蓄电池组或更多的蓄电池组；蓄电池组通过放电调节电路A1～An、B1～Bn为稳态负载母线供电，放电调节电路A1～An、B1～Bn，相互之间具备隔离措施、具备故障后自主退出供电网络的能力，任何一路放电调节电路发生故障后不得影响其他放电调节电路工作；蓄电池组通过功率隔离调节电路1～n分别为不同脉动动态负载供电；A蓄电池组、B蓄电池组通过蓄电池组隔离并联控制电路实现蓄电池组并联输出，具备隔离能力和每组蓄电池组的接入、断开控制能力，两组蓄电池组供电均衡输出，功率均衡输出不均衡度不大于5％；由于动态负载母线取电于蓄电池组，蓄电池组充电电压、电流应可以根据在轨负载情况进行适时调整，确保蓄电池组充满。

为动态负载供电的功率隔离调节电路具备相应动态负载的电源变换、滤波、功率输出隔离、自主故障隔离功能，负载端瞬时动态特性引起输入端的母线电压波动不大于±2.5V，反射纹波不超过300mV(VP-P)，电流波动不大于±1A，任何一路功率隔离调节电路发生故障不得影响其他动态负载供电的功率隔离调节电路正常工作。

航天器发生异常断电重启后功率隔离调节电路初始状态除保证航天器最小稳定状态的动态负载外应处于断电状态，当动态负载母线处于欠压状态，电压未达到其设计值的80％时，除保证航天器最小稳定状态的动态负载外其余功率隔离调节电路应自主断电。

为了解决现有供配电系统设计方案的缺陷，本发明的目的在于提供一种航天器高效率多模式功率负载隔离式供电系统。利用本发明，不但可以满足航天器负载用电需求，实现不同负载之间的有效隔离，同时减轻了电源系统重量，减少航天器资源使用，提高航天器装载能力，提供太阳电池阵功率的利用率，整套方案简易可靠，原理清晰。下面举例说明：

某航天器功率3500W，稳态负载1500W，其他负载未不同形式的动态负载，航天器太阳电池阵16路，其中太阳电池阵1-4为本专利中的N11～N1n用于稳态负载母线供电，太阳电池阵5-16为本专利中的N21～N2n用于两组蓄电池组充电和动态负载供电。16路太阳电池阵分布于两个太阳翼，其中1、3、5…15分布于A太阳翼，2、4、6…16分布于B太阳翼，每组蓄电池组充电电流15A，每路太阳电池阵输出电流约7A，则太阳电池阵1-4输出总功率约1200W，用于稳态负载供电，不足部分由太阳电池阵5-16提供，正常工作时约太阳电池阵1-6为稳态母线负载供电，两组蓄电池组充电电流约30A，则太阳电池阵6-10分别为两组蓄电池组充电，剩余太阳电池阵11-16大约1750W用于动态负载供电，其中动态负载供电不足部分可以由蓄电池组充电电流部分提供，但要保证蓄电池组在轨能量平衡，这样一方面太阳电池阵功率基本上均直接为负载供电，提供供电效率，另一方面不至于太阳电池阵余量设计过大。

当动态负载工作时，由于功率隔离调节电路的隔离作用，降低了动态负载对整星的影响，同时由于功率隔离调节电路的调节滤波的约束作用，实际对输入端的影响较小，也不会造成动态负载对蓄电池组充电有影响，当某路动态负载发生短路等异常故障时，功率隔离调节电路可以有效阻止故障的扩散，当航天器发生异常断电重启后，由于功率隔离调节电路的初始设置，负载处于断电状态，不会加大对航天器初始状态的影响，当航天器母线发生欠压时，通过判断可以提前对动态负载断电，可以有效降低航天器负载，有利于航天器的抢救。

A蓄电池组、B蓄电池组通过蓄电池组隔离控制电路可以实现两组蓄电池组的有效隔离，并实现两组蓄电池组的均衡，当某路蓄电池组发生故障后，通过隔离控制可以有效控制蓄电池组的放电深度，对蓄电池组实现有效保护。

本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

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，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。