技术领域
[0001] 本
发明属于航天总体技术领域，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。
背景技术
[0002] 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。
发明内容
[0003] 本发明解决的技术问题是：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，本发明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。
[0004] 本发明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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 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：
[0011] Vref1＝kf×Io+Vref；
[0012] 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。
[0013] 本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
[0014] 1)本发明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。
[0015] 2)本发明通过光伏电池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。
[0016] 3)本发明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，本发明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
[0017] 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，而并不认为是对本发明的限制。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：
[0018] 图1是本发明
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。
[0019] 图2是本发明实施例提供的系统电路的示意图。
[0020] 图3是本发明实施例提供的系统控制方法示意图。
[0021] 图4是本发明实施例提供的系统控制流程示意图。
具体实施方式
[0022] 下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0023] 图1是本发明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。如图1所示，该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，
[0024] 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出处功率；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。
[0025] 太阳能调节单元包括四个相同的DC/DC变换器；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。
[0026] 如图1所示，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漏极，从充电开关管源极流出后进入充电二极管阳极，从充电二极管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阳极，二极管阴极接一次母线。
[0027] 母线电容阵Cbus为容值为2mF的电容阵；电容阵接在能量管理器一次母线正回线之间，靠近输出端口。
[0028] 如图1所示，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。
[0029] 具体的，图1是本发明中采用的基于半调节母线的分布式能量管理器的系统架构，太阳能电池阵SA通过DC/DC变换器接于母线BUS，蓄电池BAT通过由蓄电池充电开关S、充电二极管Dc和放电二极管Dd组成的蓄电池调节单元接于母线BUS，其中Cbus表示母线电容阵，Load表示负载。
[0030] 图2是本发明中采用的基于半调节母线的分布式能量管理器电路图，SA1～SA4表示四个
太阳能电池板，BAT表示蓄电池，由图可知整个电路由两部分组成：由四个相同的DC/DC变换器构成的能量变换部分和由充电开关和二极管组成的蓄电池调节单元。
[0031] 以第一个电路为例对DC/DC变换器进行说明，包括输入滤波电路、能量变换电路和输出滤波电路。输入滤波电路由Lin1、Cin1、Cd1和Rd1组成，太阳能电池阵SA1输出电压接电感Lin1一端，Lin1另一端与电容Cin1相连，Cin1另一端接SA1回线，电容Cd1与
电阻Rd1
串联后与Cin1并联，滤波电路的设计保证变换器输入电流连续、脉动量小，提高输入
电能质量，有利于延长太阳能电池阵使用寿命。能量变换电路由功率开关管S01和
续流二极管Dx1组成，接S01漏极接输入滤波电路输出端，S01源极接Dx1阴极，Dx1阳极接SA1回线，S01和Dx1通过高频开关动作实现变换器输入/输出电压/电流控制。输出滤波电路由Lf1和Co1组成，Lf1一端与Dx1阴极相连，Lf1另一端与Co1一端和输出二极管Do1阳极相连，Co1另一端接SA1回线，输出滤波电路用于保证变换器输出电压电流稳定。D01为变换器输出隔离二极管防止变换器并联时产生内部环流。
[0032] 对蓄电池充
放电管理电路进行说明，包括蓄电池充电开关S、蓄电池充电二极管Dc、蓄电池放电二极管Dd以及蓄电池开关S3。对蓄电池充电通路：一次母线电流进入充电开关管S漏极，从充电开关管S源极流出后进入充电二极管Dc阳极，从充电二极管Dc阴极流出后进入蓄电池开关S3源极，S3漏极接蓄电池输出端；当充电开关导通时，母线电压嵌位至蓄电池端电压，系统切换至蓄电池充放电控制模式，并根据空间光照和负载情况进行蓄电池充电管理控制。Dc为充电二极管，用以避免蓄电池电流通过S
体二极管灌入母线，增加系统充放电可靠性。对蓄电池放电通路：蓄电池接放电二极管Dd阳极，二极管阴极接一次母线。Dd为蓄电池放电二极管，当光伏电池输出功率不足以提供给负载或阴影期光伏无输出时，蓄电池通过二极管Dd给负载供电。
[0033] 图3为本发明提出的分布式能量管理技术控制框图，其中包括：基于下垂均流法的恒压环控制、蓄电池充电管理控制、MPPT控制以及控制逻辑判断。
[0034] 基于下垂法的恒压控制技术：参考电压为由下垂曲线得到的母线电压基准值，基准值与母线电压反馈值做差，并将差值送入控制器Gcl得到电流参考信号Io_ref，电流参考信号与反馈值做差送入控制器Gc5，最终生成调制信号Uc1。
[0035] 蓄电池充电管理控制：充电电流参考值为恒流充电指令Ibat_ref，可根据实际情况在上位机或控制程序中设置，充电电流反馈值为光伏电池变换器SA_DCDC输出电流减去负载电流，充电电流参考值与反馈值做差，并将差值送入控制器Gc2得到调制信号Uc2；充电电压参考值为恒压充电指令Vbat_ref，可根据实际情况在上位机或控制程序中设置，充电电压反馈值为蓄电池端电压，充电电压参考值与反馈值做差，并将差值送入控制器Gc3得到调制信号Uc3；调制信号Uc2、Uc3作为控制逻辑判断1的输出量，经逻辑运算后得出调制信号Uc23。
[0036] MPPT电控制：太阳能电池阵输出电压采样值Vsa_fb与输出电流采样值Isa_fb作为MPPT控制环的被控量，采用增量电导法计算出光伏电池输出电压基准值Vsa_ref，基准值与采样值Vsa_fb做差，将差值送入控制器Gc4得到调制信号Uc4。
[0037] 控制逻辑判断2：由恒压控制、蓄电池充放电控制以及MPPT控制得到的调制信号Uc1、Uc23、Uc4作为控制逻辑判断2的输入量，经逻辑运算后得出调制信号Uc，调制信号Uc作为SA_DCDC变换器内部各功率组件均流环控制输入得出四个调制信号Ucx1、Ucx2、Ucx3、Ucx4，四个调制信号与载波信号比较得出占空比，生成PWM脉冲信号送入SA_DCDC变换器各功率组件驱动电路。
[0038] 图4为本发明提出的分布式能量管理方法控制
流程图，图中提出了嵌套下垂法的母线电压控制、蓄电池充电控制和MPPT控制三种控制模式具体实现方式和模式切换的判断条件。如图4所示，该方法包括如下步骤：
[0039] (1)通过下垂法计算出母线恒压控制电压基准值(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。
[0040] (2)由上位机注入或约定蓄电池恒压充电电压基准值；
[0041] (3)由上位机注入或约定蓄电池恒流充电电流基准值；
[0042] (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；
[0043] (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；
[0044] (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；
[0045] (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；
[0046] (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；
[0047] (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；
[0048] (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；
[0049] (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；
[0050] (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；
[0051] (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。
[0052] (14)控制逻辑判断1通过一个取小值电路选出最小值并判断蓄电池充电模式，实现蓄电池恒流充电和恒压充电模式的切换；
[0053] (15)控制逻辑判断2通过设置两个
阈值和判读蓄电池充电开关状态量(0或1)将系统分为三个工作域，判断调制信号处于哪个工作域确定系统实际控制方式。
[0054] 所述分布式能量管理方法根据实际负载工况和工作环境系统工作于四种工作模式，包括嵌套下垂法的母线恒压控制、蓄电池恒流充电控制、蓄电池恒压充电控制、MPPT控制。
[0055] 当光照充足且蓄电池充电指令不发送工况下，工作于嵌套下垂法的母线恒压控制，执行步骤(1)、(4)、(5)、(10)、(15)实现一次母线恒压输出，具有并联均流能
力；当光照充足且发送蓄电池充电指令的情况下，工作于蓄电池充电控制，如果蓄电池电压低于蓄电池设计电压2V时，执行步骤(3)、(5)、(7)、(11)、(14)、(15)实现蓄电池恒流充电控制，直至充电开关闭合或进入蓄电池恒压充电控制；在上述蓄电池恒流充电控制下，当蓄电池电压不低于设计值的1V时，执行步骤(2)、(4)、(6)、(12)、(14)、(15)实现蓄电池恒压充电控制，直至充电开关闭合；当光照不足时，太阳能电池阵输出功率小于负载功率，工作于MPPT控制，执行步骤(8)、(9)、(13)、(15)，蓄电池放电工作，光伏电池调节单元进入MPPT工作模式生成当前光照强度下最大功率。
[0056] 具体的，蓄电池作为系统的辅助能源，在系统首次加电时启动和工作时，步骤如下：
[0057] (1)判断蓄电池是否安装至舱板；
[0058] (2)判断蓄电池接入开关是否开通；
[0059] (3)对系统控制中需要的输入电压电流、输出电压电流、电感电流以及各种开关状态量进行采集；
[0060] (4)通过电压、电流判断系统是否存在过压、过流情况，如果出现过压、过流则封
锁PWM脉冲，关断功率开关管，对系统进行过压、过流保护，如果不存在过压、过流情况则进入第五步；
[0061] (5)判断蓄电池充电开管S是否开通，如果开通进一步(6)；如果判断蓄电池充电开关未开通，则进入母线恒压控制(10)；
[0062] (6)判断蓄电池端电压是否为小于99V(蓄电池充满时设定电压值)，如果小于则说明蓄电池未充至设定电压值，进入(7)采用恒流充电模式；如果蓄电池端电压大于等于99V，则说明蓄电池恒流充电完成，进入恒压充电模式(8)；
[0063] (7)进入恒流充电模式；
[0064] (8)进入恒压充电模式；
[0065] (9)直到蓄电池充电完成或充电开关关断；
[0066] (10)控制母线电压为100V；
[0067] (11)然后判断母线电压是否与蓄电池电压相等，如果不等则说明此时光伏电池可以满足负载需求，蓄电池不参与控制，回到第(10)继续进行恒压控制(10)，如果母线电压与蓄电池端电压相等则说明光照不足，母线电压被蓄电池端电压嵌位，光伏电池和蓄电池一起给负载供电，变换器进入(12)；
[0068] (12)工作在MPPT模式；
[0069] 每个控制模式都会计算出一个调制信号送至TCMP产生PWM脉冲。
[0070] 本发明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。
[0071] 本发明通过光伏电池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。
[0072] 本发明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，本发明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。
[0073] 本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和
修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
