适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统及方法，包括：太阳能电池阵、太阳能调节单元、蓄电池、蓄电池调节单元、母线电容阵Cbus、控制系统、负载Load和一次母线；其中，太阳能电池阵与太阳能调节单元相连接；蓄电池与蓄电池调节单元相连接；太阳能调节单元调节太阳能电池阵的输出功率；蓄电池调节单元进行蓄电池的充放电控制；母线电容阵Cbus接在一次母线输出正回线之间；控制系统采集系统状态信息，进行控制计算，输出控制信号。本发明专利技术设计了母线恒压控制、蓄电池充电控制、MPP控制三种控制模式，使空间能源系统可根据具体工况自主切换至对应工作模式。

Energy management system and method for autonomous multi-functional service vehicle

【技术实现步骤摘要】
适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统及方法
本专利技术属于航天总体
，尤其涉及一种适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统及方法。
技术介绍
随着我国航天科技的飞速前进，航天器能源系统向着大功率、智能化的方向发展，传统的集中式能量管理系统因体积大、控制复杂、功率密度不高的缺点越来越不能满足未来飞行器的能源需求。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：传统的由SA+BCR+BDR三种变换器组成的空间能源管理器需要在三个工作域间进行切换，控制逻辑复杂，此外三种变换器的构成方式导致系统体积、重量大，不易实现模块化和功率等级扩展。克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统及方法，为适应复杂多变的空间环境和因负载变化引起的系统状态变化，设计了母线恒压控制、蓄电池充电控制、MPP控制三种控制模式以及三种模式间逻辑切换方式，使空间能源系统可根据具体工况自主切换至对应工作模式。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统，包括：太阳能电池阵、太阳能调节单元、蓄电池、蓄电池调节单元、母线电容阵Cbus、控制系统、负载Load和一次母线；其中，太阳能调节单元、蓄电池调节单元、母线电容阵Cbus、控制系统和负载Load均与一次母线相连接；所述太阳能电池阵与所述太阳能调节单元相连接；所述蓄电池与所述蓄电池调节单元相连接；所述太阳能调节单元由太阳能电池阵供电，根据能量调节太阳能电池阵的输出功率；所述蓄电池调节单元由蓄电池供电，进行蓄电池的充放电控制；所述母线电容阵Cbus接在一次母线输出正回线之间，用于输出滤波和提供瞬时功率；所述控制系统采集系统状态信息，进行控制计算，输出控制信号，控制太阳能调节单元的开关管和蓄电池的充电开关管动作。上述适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统中，所述太阳能调节单元包括四个相同的DC/DC变换器；其中，四个相互独立的太阳能电池阵输出电压经相对应的DC/DC变换器后并联输出形成一次母线。上述适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统中，所述蓄电池调节单元包括充电开关管、充电二极管Dc和放电二极管Dd；其中，充电开关管的漏极与一次母线相连接，充电开关管的源极与充电二极管Dc的阳极相连接，充电二极管Dc的阴极与蓄电池相连接；蓄电池与放电二极管Dd的阳极相连接，放电二极管Dd的阴极与一次母线相连接；对蓄电池充电通路：一次母线电流进入充电开关管的漏极，从充电开关管的源极流出后进入充电二极管Dc的阳极，从充电二极管Dc的阴极流出后进入蓄电池；对蓄电池放电通路：蓄电池接放电二极管Dd的阳极，放电二极管Dd的阴极接一次母线。上述适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统中，所述母线电容阵Cbus为容值为2mF的电容阵。上述适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统中，所述控制系统包括信息采集单元、逻辑运算单元和控制输出单元；其中，所述信息采集单元采集一次母线输出电压值、太阳能调节单元的输出电流值、蓄电池的端电压值、蓄电池的充电电流值、太阳能电池阵的输出电压值和太阳能电池阵的输出电流值，并将一次母线输出电压值、太阳能调节单元的输出电流值、蓄电池的端电压值、蓄电池的充电电流值、太阳能电池阵的输出电压值和太阳能电池阵的输出电流值传输给所述逻辑运算单元；所述逻辑运算单元经逻辑运算后输出控制信号控制DC/DC变换器的开关管和蓄电池的充电开关管动作。一种适用于自主多功能服务飞行器的能量管理方法，所述方法包括如下步骤：(1)通过下垂法计算出母线恒压控制电压基准值；(2)由上位机注入或约定蓄电池恒压充电电压基准值；(3)由上位机注入或约定蓄电池恒流充电电流基准值；(4)采集一次母线输出电压值，经信息采集单元进入逻辑运算单元；(5)采集太阳能调节单元的输出电流值，经信息采集单元进入逻辑运算单元；(6)采集蓄电池的端电压值，经信息采集单元进入逻辑运算单元；(7)采集蓄电池的充电电流值，经信息采集单元进入逻辑运算单元；(8)采集太阳能电池阵的输出电压值，经信息采集单元进入逻辑运算单元；(9)采集太阳能电池阵的输出电流值，经信息采集单元进入逻辑运算单元；(10)通过母线恒压控制电压基准值与一次母线输出电压值做差得到差值，并将差值送入逻辑运算单元中的电压控制器得到电流参考信号，电流参考信号与太阳能调节单元的输出电流值做差送入逻辑运算单元中的电流控制器得到第一调制信号，实现电压-电流的双闭环控制；(11)蓄电池恒流充电电流基准值与负载的电流采样值做和得到太阳能调节单元的电流参考值，并与太阳能调节单元的输出电流值做差送入逻辑运算单元中的电流控制器得到第二调制信号，实现蓄电池恒流充电控制；(12)蓄电池恒压充电电压基准值与一次母线输出电压值做差送入逻辑运算单元中的电压控制器得到第三调制信号，实现蓄电池恒压充电控制；(13)将太阳能电池阵的输出电压值与太阳能电池阵的输出电流值作为MPPT控制环的被控量，采用增量电导法计算出当前光照下最大功率点时电压基准值，并与太阳能电池阵的输出电压值做差，将差值送入逻辑运算单元得到第四调制信号，实现MPPT控制。上述适用于自主多功能服务飞行器的能量管理方法中，在步骤(1)中，母线恒压控制电压基准值的公式如下：Vref1＝kf×Io+Vref；其中，Vref1为母线恒压控制电压基准值；kf为下垂系数；Io为负载电流；Vref为未加入下垂法时母线恒压控制电压基准值。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：1)本专利技术采用一种半调节型母线架构，将光伏电池通过DC/DC变换器接于一次母线，将蓄电池通过由开关管和二极管组成的开关电路接于一次母线上，与传统全调节型能量管理器相比，省去了蓄电池充电和放电两种DC/DC变换器，减少了母线上并联变换器的种类、数量，减少了系统的体积、重量，减少了DC/DC变换引起的损耗，提高了效率。2)本专利技术通过光伏电池DC/DC变换器实现嵌套下垂法的母线恒压控制、蓄电池充放电控制和MPPT控制三种控制方式，并且三种控制方式随外界光强和负载工况变化而自动切换控制模式。与传统的能量管理器控制方法相比，本方法控制更加灵活，更能适应空间环境，在极大简化传统方法控制逻辑的基础上巧妙的增加了MPPT控制，大大提高了空间能量的利用率。3)本专利技术采用模块化分布式设计理念，在母线恒压控制中增加并联均流控制，与传统集中式能量管理器相比，本专利技术解决能量管理器功率不易扩展的问题，为未来空间飞行器超大功率需求奠定基础。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1是本专利技术实施例提供的适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统的结构框图。图2是本专利技术实施例提供的系统电路的示意图。图3是本专利技术实施例提供的系统控制方法示意图。图4是本专利技术实施例提供的系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统，其特征在于包括：太阳能电池阵、太阳能调节单元、蓄电池、蓄电池调节单元、母线电容阵Cbus、控制系统、负载Load和一次母线；其中，/n太阳能调节单元、蓄电池调节单元、母线电容阵Cbus、控制系统和负载Load均与一次母线相连接；/n所述太阳能电池阵与所述太阳能调节单元相连接；/n所述蓄电池与所述蓄电池调节单元相连接；/n所述太阳能调节单元由太阳能电池阵供电，用于调节太阳能电池阵的输出功率；/n所述蓄电池调节单元由蓄电池供电，进行蓄电池的充放电控制；/n所述母线电容阵Cbus接在一次母线输出正回线之间，用于输出滤波和提供瞬时功率；/n所述控制系统采集状态信息，根据状态信息输出控制信号，控制太阳能调节单元的开关管和蓄电池的充电开关管动作。/n

【技术特征摘要】
1.一种适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统，其特征在于包括：太阳能电池阵、太阳能调节单元、蓄电池、蓄电池调节单元、母线电容阵Cbus、控制系统、负载Load和一次母线；其中，
太阳能调节单元、蓄电池调节单元、母线电容阵Cbus、控制系统和负载Load均与一次母线相连接；
所述太阳能电池阵与所述太阳能调节单元相连接；
所述蓄电池与所述蓄电池调节单元相连接；
所述太阳能调节单元由太阳能电池阵供电，用于调节太阳能电池阵的输出功率；
所述蓄电池调节单元由蓄电池供电，进行蓄电池的充放电控制；
所述母线电容阵Cbus接在一次母线输出正回线之间，用于输出滤波和提供瞬时功率；
所述控制系统采集状态信息，根据状态信息输出控制信号，控制太阳能调节单元的开关管和蓄电池的充电开关管动作。


2.根据权利要求1所述的适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统，其特征在于：所述太阳能调节单元包括四个相同的DC/DC变换器；其中，四个相互独立的太阳能电池阵输出电压经相对应的DC/DC变换器后并联输出形成一次母线。


3.根据权利要求1所述的适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统，其特征在于：所述蓄电池调节单元包括充电开关管、充电二极管Dc和放电二极管Dd；其中，
充电开关管的漏极与一次母线相连接，充电开关管的源极与充电二极管Dc的阳极相连接，充电二极管Dc的阴极与蓄电池相连接；蓄电池与放电二极管Dd的阳极相连接，放电二极管Dd的阴极与一次母线相连接；
对蓄电池充电通路：一次母线电流进入充电开关管的漏极，从充电开关管的源极流出后进入充电二极管Dc的阳极，从充电二极管Dc的阴极流出后进入蓄电池；对蓄电池放电通路：蓄电池接放电二极管Dd的阳极，放电二极管Dd的阴极接一次母线。


4.根据权利要求1所述的适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统，其特征在于：所述母线电容阵Cbus为容值为2mF的电容阵。


5.根据权利要求3所述的适用于自主多功能服务飞行器的能量管理系统，其特征在于：所述控制系统包括信息采集单元、逻辑运算单元和控制输出单元；其中，
所述信息采集单元采集一次母线输出电压值、太阳能调节单元的输出电流值、蓄电池的端电压值、蓄电池的充电电流值、太阳能电池阵的输出电压值和太阳能电池阵的输出电流值，并将一次母线输出电压值、太阳能调节单元的输出电...

【专利技术属性】
技术研发人员：何雄，桂鹏，郭帅，孟晓脉，陈永刚，王蓓蓓，张霞，王强，章玄，
申请(专利权)人：北京卫星制造厂有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11