一种空间直接与非直接功率传输融合切换电路的制作方法

1.本发明涉及空间电源领域，具体涉及一种分布式空间直接与非直接功率传输融合的切换电路。


背景技术：

2.航天器大都都需要通过能量获取光伏阵列获得能量，需要通过高综合能源利用率、高可靠功率传输路径将能量传递给载荷，保障航天器多个载荷的用电需求。
3.传统空间直接功率传输路径通常将光伏阵列输出电压钳位至能量贮存电池包的电压，无法充分利用光伏阵列能量，导致综合能源利用率低。
4.本发明提出了一种分布式空间直接功率传输与非直接功率传输融合切换电路，实现高综合能源利用率、高可靠功率传输。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种分布式空间直接与非直接功率传输融合切换电路，用于空间真空、原子氧、辐射等恶劣环境，以解决空间供电问题。
6.为实现上述目的，本发明提出了一种空间直接与非直接功率传输融合切换电路，包括能量贮存电池包和并联的多个功率传输融合基本单元，每个功率传输融合基本单元均与所述能量贮存电池包连接，将产生的电能传输给所述能量贮存电池包；
7.每个所述功率传输融合基本单元包括：能量获取光伏阵列、直接传输控制模块、非直接传输控制模块、用于切换所述直接传输控制模块和非直接传输控制模块的平滑切换控制单元、将所述平滑切换控制单元的信号进行放大的驱动电路，以及根据直接传输控制模块或非直接传输控制模块的信号工作的第一开关和第二开关，使功率传输融合基本单元根据需要，工作于直接传输输出控制模式或者非直接传输控制模式；
8.所述能量获取光伏阵列的负端连接功率地，正端连接第一开关的输出端；，第一开关的控制端连接驱动电路的输出端，第一开关的输入端连接第二开关的输出端；第二开关的控制端也与驱动电路的输出端相连接，其输入端接功率地；所述驱动电路的输入端与平滑切换控制单元的输出端相接，所述平滑切换控制单元的输入端连接直接传输控制模块和非直接传输控制模块；所述第一开关的输入端和第二开关的输出端还均与能量贮存电池包相接。
9.其中，所述平滑切换控制单元内设置有监测识别模块，可实时监测所述能量贮存电池包的电荷状态以及通过该能量贮存电池包供电的航天器载荷的供电功率，并根据该能量贮存电池包的电荷状态和航天器载荷的供电功率切换所述直接传输控制模块和非直接传输控制模块。
10.其中，当所述直接传输控制模块工作时，该直接传输控制模块根据所述能量获取光伏阵列的输出电压生成第一pwm信号，并把该第一pwm信号发送给平滑切换控制单元，经所述驱动电路放大后，控制第一开关和第二开关的通断状态，使功率传输融合基本单元工
作于功率直接分流的pwm模式；
11.当所述非直接传输控制模块工作时，该非直接传输控制模块根据所述能量获取光伏阵列的输出电压和电流生成占空比随能量获取光伏阵列的输出功率变化的第二pwm信号，并把该第二pwm信号发送给平滑切换控制单元，经所述驱动电路放大后，控制所述第一开关和第二开关的通断状态，从而使能量获取光伏阵列工作在最大功率模式，使功率传输融合基本单元工作于功率直接分流的pwm模式。
12.其中，每个所述功率传输融合基本单元还包括理想单向隔离开关与自动控制该理想单向隔离开关的通断的理想单向隔离开关自驱动。
13.其中，所述第一开关、第二开关和理想单向隔离开关均为mos管。
14.其中，所述驱动电路与第一开关的栅极和第二开关的栅极连接，通过调整两个开关的栅极偏置，控制第一开关和第二开关的导通；所述理想单向隔离开关自驱动与理想单向隔离开关的栅极连接，用于控制理想单向隔离开关的通断；
15.当理想单向隔离开关的源极无电压时，所述理想单向隔离开关自驱动自动将该理想单向隔离开关断开，当理想单向隔离开关的源极有电压时，所述理想单向隔离开关自驱动自动将该理想单向隔离开关导通。
16.其中，所述直接传输控制模块内设置有可采集所述能量获取光伏真理的输出电压的采集模块，以及，根据该采集电压进行补偿调节的反馈网络与运算放大器，使直接传输控制模块产生所述第一pwm信号，并发送给所述平滑切换控制单元；
17.所述平滑切换控制单元根据该第一pwm信号产生相应的控制第一开关和第二开关的信号，并发送给驱动电路，经驱动电路放大后，控制第一开关闭合，调整第二开关的栅极偏置，使第二开关工作于功率直接分流的pwm模式。
18.其中，所述非直接传输控制模块内设有采集能量获取光伏阵列输出电压和电流的采集模块和mcu，所述mcu内嵌有变步长全局增量电导优化算法；
19.非直接传输控制模块实时检测所述能量获取光伏阵列的输出电压和电流并追踪能量获取光伏阵列的最高电压和电流，并通过mcu生成相应的第二pwm信号，并发送给所述平滑切换控制单元；
20.所述平滑切换控制单元根据该第二pwm信号产生相应的控制第一开关和第二开关的信号，并发送给驱动电路，经驱动电路放大后，调整第一开关和第二开关的栅极偏置，使第一开关和第二开关工作于闭环控制的pwm模式，使能量获取光伏阵列工作在最大功率模式。
21.其中，所述第二pwm信号的占空比根据能量获取光伏阵列的输出电压和电流变化。
22.其中，当所述能量贮存电池包处于满电荷状态，且航天器载荷供电功率小于设定阈值时，平滑切换控制单元切换到直接传输控制模块工作，使功率传输融合基本单元工作在直接传输输出控制模式；
23.在除所述能量贮存电池包处于满电荷状态且航天器载荷供电功率小于设定阈值以外的其他情况下，平滑切换控制单元切换到非直接传输控制模块工作，使功率传输融合基本单元工作在非直接传输输出控制模式。
24.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
25.1、本发明提供的一种分布式空间直接与非直接功率传输融合切换电路，用于空间
真空、原子氧、辐射等恶劣环境，功率传输融合基本单元通过直接传输控制模块、非直接传输控制模块、平滑切换控制单元、驱动电路、第一开关、第二开关、理想单向隔离开关自驱动和理想单向隔离开关将能量获取光伏阵列发电功率高综合能源利用率、高可靠传输至能量贮存电池包和航天器安全供电；
26.2、功率传输融合基本单元可实现直接功率传输、非直接功率传输两种功率传输方式平滑切换，两种功率传输方式互为备份，非直接功率传输方式实现智能跟踪能量获取光伏阵列发电最大功率点，智能跟踪过程采用变步长全局增量电导优化算法，该算法嵌入在非直接传输控制中的mcu中，能够解决能量获取光伏阵列单峰值时时变化产生误判、不均匀环境下能量获取光伏阵列多峰值的全局最大功率点无法跟踪等问题；
27.3、直接传输控制模式下电路能实现能量获取单元的多余能量耗散及能量传输控制；
28.4、理想单向隔离开关自驱动和理想单向隔离开关实现多个功率传输融合基本单元并联汇聚功率，理想单向隔离开关采用mosfet替代传统隔离二极管，能够大大降低功率损耗。
附图说明
29.图1为本发明实施例一种空间直接与非直接功率传输融合切换电路的示意图；
30.图2为本发明实施例中非直接传输输出控制模式下的电路示意图；
31.图3为本发明实施例中直接传输输出控制模式下的电路示意图。
具体实施方式
32.以下将结合本发明实施例中的图1～图3，对本发明实施例中的技术方案、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
33.需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
34.需要说明的是，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括明确列出的要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
35.一种空间直接与非直接功率传输融合切换电路，如图1所示，包括能量贮存电池包12和多个并联的功率传输融合基本单元1；每个所述功率传输融合基本单元1可将光能转变为电能并传输给能量贮存电池包12，所述能量贮存电池包12与每个功率传输融合基本单元1连接，用于贮存所述功率传输融合基本单元1产生的能量，所述能量贮存电池包12贮存的能量可供航天器在阴影期使用；每个功率传输融合基本单元1的结构与功能完全相同，各通过一个理想单向隔离开关11与能量贮存电池包12连接；所述功率传输融合基本单元1能够
智能跟踪将光能转变为电能过程的功率，并及时进行传输控制模式的切换。
36.所述功率传输融合基本单元1包括：能量获取光伏阵列3、直接传输控制模块4、非直接传输控制模块5、用于切换所述直接传输控制模块4和非直接传输控制模块5的平滑切换控制单元6、用于放大所述平滑切换控制单元6的信号的驱动电路7、以及根据所述驱动电路7的信号切换工作模式的第一开关8和第二开关9；所述能量获取光伏阵列3可将光能转变为电能，具有两个电连接端，分别为正端和负端；所述第一开关8、第二开关9和所述理想单向隔离开关11均为mos管，具有3个电连接端，分别为栅极、漏极和源极。
37.所述功率传输融合基本单元1还包括理想单向隔离开关自驱动10，该理想单向隔离开关自驱动10可监测所述理想单向隔离开关11的源极电压，并根据该源极电压自动控制所述理想单向隔离开关11的开关。
38.所述功率传输融合基本单元1的各部件的电路连接关系如下：所述能量获取光伏阵列3的负端连接功率地，正端连接所述第一开关8的漏极；所述第一开关8的栅极连接驱动电路7的输出，其源极连接第二开关9的漏极和所述理想单向隔离开关11的源极；所述第二开关9的漏极也连接所述理想单向隔离开关11的源极，所述第二开关9的栅极也连接所述驱动电路7的输出，所述第二开关9的源极连接功率地；所述理想单向隔离开关11的栅极与所述理想单向隔离开关自驱动10的输出连接，所述理想单向隔离开关11的漏极与所述能量贮存电池包12连接。
39.当所述理想单向隔离开关11的源极有电压时，所述理想单向隔离开关自驱动10自动将该理想单向隔离开关11开通，所述功率传输融合基本单元1可将能量获取光伏阵列3产生的电能传输给能量贮存电池包12；当所述理想单向隔离开关11的源极无电压时，所述理想单向隔离开关自驱动10自动将该理想单向隔离开关11断开，使功率传输融合基本单元1与所述能量贮存电池包12隔离，从而防止该能量贮存电池包12产生漏电流。一般情况下，在所述理想单向隔离开关11的源极电压大于2v时，视为有电压，所述理想单向隔离开关自驱动10自动将该理想单向隔离开关11开通；在所述理想单向隔离开关11的源极电压小于2v时，视为无电压，所述理想单向隔离开关自驱动10自动将该理想单向隔离开关11断开。
40.所述平滑切换控制单元6还同时与所述直接传输控制模块4和所述非直接传输控制模块5连接，从而切换所述直接传输控制模块4和所述非直接传输控制模块5，保证只有一个模块处于工作模式，使功率传输融合基本单元1工作于直接传输输出控制模式或者非直接传输控制模式。
41.具体的，所述平滑切换控制单元6内设置有监测识别模块，可实时监测识别所述能量贮存电池包12的电荷状态以及航天器载荷供电功率，并根据所述能量贮存电池包12的电荷状态以及航天器载荷供电功率切换直接传输控制模块4和非直接传输控制模块5。
42.当所述能量贮存电池包12处于满电荷状态，且航天器载荷供电功率小于所有载荷工作时的功率的1/3时，如图3所示，平滑切换控制单元6切换到直接传输控制模块4工作，使功率传输融合基本单元1工作在直接传输输出控制模式，包括以下内容：所述直接传输控制模块4内设置有可采集能量获取光伏阵列3的输出电压的采集模块，以及根据该采集电压进行补偿调节的反馈网络与运算放大器，通过所述直接传输控制模块4的上述部件，根据能量获取光伏阵列3的预定工作电压值与能量获取光伏阵列3的采集电压值，该直接传输控制模块4产生第一pwm(脉冲宽度调制)信号，该第一pwm信号可控制第一开关8和第二开关9的导
通时间，从而使能量获取光伏阵列3的输出电压达到预定工作电压值，具体的，所述直接传输控制模块4将产生的第一pwm信号发送给所述平滑切换控制单元6，所述平滑切换控制单元6根据该第一pwm信号产生相应的控制第一开关8和第二开关9栅极偏置的信号，并发送给驱动电路7，经驱动电路7放大后，控制第一开关8保持闭合，并通过调整第二开关9的栅极偏置，控制第二开关9的导通时间，使能量获取光伏阵列3的输出电压达到预定工作电压值，即，使第二开关9工作于功率直接分流的pwm模式。
43.在除所述能量贮存电池包12处于满电荷状态且航天器载荷供电功率小于所有载荷工作时的功率的1/3以外的其他情况下，如图2所示，平滑切换控制单元6切换到非直接传输控制模块5工作，使功率传输融合基本单元1工作在非直接传输输出控制模式，智能跟踪所述能量获取光伏阵列3的输出最大功率点，调整能量获取光伏阵列3的输出电压，使该能量获取阵列3工作在一定的电压范围内，从而使功率传输融合基本单元1的输出功率保持在峰值，具体的：所述非直接传输控制模块5内设有采集能量获取光伏阵列3输出电压和电流的采集模块和mcu(微控制单元)，本实施例中采用空间抗辐射处理器作为mcu，且该mcu内还嵌入有变步长稳定全局峰值功率控制优化算法，该算法通过采集并判断能量获取光伏阵列3的输出电压和电流，寻找能量获取光伏阵列3的最大输出功率，并根据能量获取光伏阵列3的实时输出电流生成占空比变化的第二pwm信号，该第二pwm信号可控制第一开关8和第二开关9的导通时间，进而控制能量获取光伏阵列的输出电压，使能量获取光伏阵列3保持在最大输出功率工作；所述非直接传输控制模块5输出该第二pwm信号给平滑切换控制单元6，所述平滑切换控制单元6根据非直接传输控制模块5发来的第二pwm信号，产生相应的控制第一开关8和第二开关9栅极偏置的信号，并发送给驱动电路7，经驱动电路7放大后，调整第一开关8和第二开关9的栅极偏置，从而改变能量获取光伏阵列3的输出电压，使能量获取光伏阵列3的输出功率达到最大，且非直接传输控制模块5实时监测能量获取光伏阵列3的输出电流，根据其实时输出电流生成对应占空比的第二pwm信号，对其输出电压进行实时调控，从而使能量获取光伏阵列3保持工作在最大输出功率，即：使第一开关8和第二开关9工作于闭环控制的pwm模式，使能量获取光伏阵列3工作在最大功率模式，从而使多个功率传输融合基本单元1输出给能量贮存电池包12的功率满足航天器的载荷供电需求。
44.所述驱动电路7包含信号放大器和磁隔离模块，可放大所述平滑切换控制单元6输入的信号：所述平滑切换控制单元6输出的信号为ma(毫安)级弱信号，经过该驱动电路7，可放大为a(安)级的强信号。
45.尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。