一种支持在轨维修的空间低轨高压电源系统的制作方法

本发明涉及一种支持在轨维修的空间低轨高压电源系统，属于空间电源
技术领域：
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背景技术：
：早期的空间项目中，航天系统任务时间短，功率小，系统较为简单，且受人在地外活动的约束，通常的做法是通过使用高可靠性的(零)部组件或大量的冗余设计和在轨备份来实现航天器的高可用性和高安全性。随着我国载人航天第三阶段的开展，我国将建造长期有人驻留的空间站。空间站不同于我国以往任何在轨飞行器，是一个长寿命、高可靠、高压大功率的载人飞行器，系统更加复杂。要实现其在轨15年长寿命、高可用性任务需求，仅靠提高部组件可靠性的代价是高昂、甚至不切实际的，而受航天器发射重量、功耗、总体布局、总装等种种因素的制约，也无法使用大量的冗余设计和在轨备份。如何延长空间系统的使用寿命和减低运营费用就成为一个重要的问题。和平号、国际空间站等国外空间站正是通过大量在轨维护来实现甚至延长航天器使用寿命的。由此可见，维修是保证空间站长期在轨可靠运营必不可少的手段。电源系统作为航天器的能源供给，是保证航天器高可靠、长寿命的关键系统之一，也是航天器中故障频率较高的系统之一。据统计，电源系统故障比例占整个航天器系统的24％。相对于以往航天器电源系统，空间站电源系统功率需求更大，系统组成更复杂。为保证电源系统在轨长期可靠运行，简化电源系统的设计，必须结合可靠性开展维修性设计工作。技术实现要素：本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种支持在轨维修的空间低轨高压电源系统，在电源系统相关产品出现故障情况下，通过航天员在轨进行维修操作，延长电源系统的使用寿命。本发明的技术解决方案是：一种支持在轨维修的空间低轨高压电源系统，包括两条独立的功率通道，两条功率通道功能组成相同，通过能源并网为航天器负载提供能量；每条功率通道以太阳电池翼为起点，母线滤波器为终点，形成一条独立的100v供电母线；每条功率通道包括太阳电池翼、驱动机构、分流调节器、母线滤波器、综合驱动控制器、充放电调节器、锂离子蓄电池组和电源管理器；太阳电池翼、分流调节器、母线滤波器、综合驱动控制器、充放电调节器、锂离子蓄电池组、电源管理器为最小可更换单元oru。进一步地，一台充放电调节器与一组锂离子蓄电池组组成一个机组；机组数量根据功率通道负载需求配置；各机组互相独立，通过并联入网。进一步地，工作模式包括功率通道断电、机组断电、仅oru断电三种维修工作模式。进一步地，太阳电池翼通过光电转换为功率通道提供持续电能；分流调节器根据负载需求对太阳电池翼提供的电能进行供电、分流调节；母线滤波器汇集太阳电池翼和蓄电池组能量，通过能源并网为负载供电；太阳电池翼、分流调节器、母线滤波器采用功率通道断电维修工作模式。进一步地，母线滤波器中设置稳压供电开关，用于通过功率通道断电维修的oru维修后功率通道再次上电；稳压供电开关为继电器，继电器线包供电由另一功率通道总体电路28v指令母线由提供。进一步地，锂离子蓄电池组通过所在机组的充放电调节器进行充电调节和放电输出；各机组间功能互相独立，通过并联接入系统；充放电调节器、锂离子蓄电池组采用单机组断电维修工作模式。进一步地，锂离子蓄电池组通过充放电调节器进行充电控制和放电调节；充放电调节器中设置蓄电池充电开关和放电开关，实现锂离子蓄电池断电；充电开关和放电开关均采用继电器；进一步地，综合驱动控制器用于太阳电池翼展收，及驱动太阳电池翼对日定向控制；电源管理器用于系统状态管理，通过与测控系统交互通信下行、上传系统各产品状态参数、指令；综合驱动控制器、电源管理器采用仅oru断电维修工作模式。进一步地，充放电调节器、综合驱动控制器、电源管理器的100v供电由母线滤波器提供，并分别设置供电开关，实现控制单机独立断电；供电开关为继电器。进一步地，功率通道采用分布式二次电源配置；分流调节器、充放电调节器、综合驱动控制器、电源管理器均通过单机内100v供电母线变换所需的±12v、5v二次电源；母线滤波器通过单机内100v供电母线进行28v指令母线变换，用于自身供电继电器线包及其它产品供电继电器线包供电。本发明与现有技术相比的优点在于：与现有空间电源系统相比，本发明提出的空间低轨高压电源系统支持航天员在轨维修更换。随着我国空间站的逐步建立，航天员在轨活动能力逐渐加强，在由于航天器发射成本、重量、功耗、总体布局、总装等种种制约无法使用大量高可靠零部组件、冗余和在轨备份的情况下，本发明有利于提高电源系统的在轨使用寿命。为保证航天员维修操作时人身安全，及减少电源系统断电次数，根据产品的不同功能提出了不同的维修断电模式。同时，识别了须进行硬线冗余的关键参数、指令，减少了故障情况下需整个电源系统断电维修的可能，大大降低了系统断电对航天器的影响。附图说明图1为一种支持在轨维修的空间电源系统组成框图。具体实施方式为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种支持在轨维修的空间低轨高压电源系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：在本申请实施例所提供的方案中，本电源系统包括2条独立的功率通道，2条功率通道功能组成相同，通过能源并网为航天器负载提供能量。每条功率通道以太阳电池翼为起点，母线滤波器为终点，形成一条独立的100v供电母线。每条功率通道由太阳电池翼、驱动机构、综合驱动控制器、分流调节器、充放电调节器1、充放电调节器2、充放电调节器3、锂离子蓄电池组1、锂离子蓄电池组2、锂离子蓄电池组3、母线滤波器、电源管理器组成。其中，充放电调节器1和锂离子蓄电池组1形成机组1，充放电调节器2和锂离子蓄电池组2形成机组2，充放电调节器3和锂离子蓄电池组3形成机组3。本电源系统组成框图见图1。其中，太阳电池翼通过光电转换为功率通道提供持续电能；分流调节器根据负载需求对太阳电池翼提供的电能进行供电、分流调节；母线滤波器汇集太阳电池翼和蓄电池组能量，通过能源并网为负载供电；锂离子蓄电池组通过所在机组的充放电调节器进行充电调节和放电输出；综合驱动控制器主要用于太阳电池翼展收，及驱动太阳电池翼对日定向控制；电源管理器主要用于系统状态管理，通过与测控系统交互通信下行、上传系统各产品状态参数、指令。1)该电源系统中，将太阳电池翼、综合驱动控制器、分流调节器、充放电调节器1/2/3、锂离子蓄电池组1/2/3、母线滤波器、电源管理器确定为oru。2)为保证航天员维修操作时人身安全，及减少功率通道断电次数，根据各oru的功能特性，采用不同的断电方式进行在轨维修，主要包括：功率通道断电维修工作模式：太阳电池翼、分流调节器、母线滤波器；单机组断电维修工作模式：充放电调节器1/2/3、锂离子蓄电池组1/2/3；仅oru断电维修工作模式：综合驱动控制器、电源管理器。3)充放电调节器1/2/3、综合驱动控制器、电源管理器100v供电母线由母线滤波器提供，并分别设置供电开关，实现控制单机独立断电。供电开关采用继电器；4)充放电调节器中设置蓄电池充电开关和放电开关，实现所在机组锂离子蓄电池组断电。充电开关和放电开关均采用继电器；5)母线滤波器中设置稳压供电开关，用于通过功率通道断电维修的oru维修后功率通道再次上电。开关采用继电器，稳压供电继电器线包供电由另一功率通道总体电路28v指令母线由提供；6)系统关键参数、指令及涉及各oru维修的参数、指令采用总线、硬线冗余方式，提高可靠性。电源系统所有总线参数、指令通过电源管理器与测控系统交互通信下传到地面；在电源管理器维修时，为保证系统的正常供电，系统关键参数、指令以硬线形式通过数管系统下传到地面。表1、表2给出了本系统典型的关键参数、指令及涉及oru维修的参数、指令，在应用时可根据电源系统的特点及任务要求进行增减。表1系统硬线冗余关键参数表表2系统硬线冗余关键指令表序号指令名称接收产品1.太阳电池翼捕获指令综合驱动控制器2.综合驱动控制器供电继电器接通/断开指令母线滤波器3.电源管理器供电继电器接通/断开指令母线滤波器4.充放电调节器1供电继电器断开指令母线滤波器5.充放电调节器2供电继电器断开指令母线滤波器6.充放电调节器3供电继电器断开指令母线滤波器7.充放电调节器1充电继电器断开指令充放电调节器18.充放电调节器2充电继电器断开指令充放电调节器29.充放电调节器3充电继电器断开指令充放电调节器310.充放电调节器1放电继电器断开指令充放电调节器111.充放电调节器2放电继电器断开指令充放电调节器212.充放电调节器3放电继电器断开指令充放电调节器36)功率通道采用分布式二次电源配置：分流调节器、充放电调节器1/2/3、综合驱动控制器、电源管理器均通过单机内100v供电母线自行变换产品所需的±12v、5v二次电源；母线滤波器通过单机内100v供电母线进行28v指令母线变换，用于自身供电继电器线包及其它产品供电继电器线包供电。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。1)本电源系统由2条独立的100v供电功率通道组成，2条功率通道功能组成相同，通过并网为航天器负载提供能量；2)每条功率通道由以下产品组成：太阳电池翼、驱动机构、综合驱动控制器、分流调节器、充放电调节器1、充放电调节器2、充放电调节器3、锂离子蓄电池组1、锂离子蓄电池组2、锂离子蓄电池组3、母线滤波器、电源管理器；3)充放电调节器1和锂离子蓄电池组1形成机组1；4)充放电调节器2和锂离子蓄电池组2形成机组2；5)充放电调节器3和锂离子蓄电池组3形成机组3；6)确定电源系统oru：太阳电池翼、综合驱动控制器、分流调节器、充放电调节器1、充放电调节器2、充放电调节器3、锂离子蓄电池组1、锂离子蓄电池组2、锂离子蓄电池组3、母线滤波器、电源管理器；7)充放电调节器1/2/3、综合驱动控制器、电源管理器100v供电母线由母线滤波器提供，并针对每台产品设置供电开关；8)综合驱动控制器对应母线滤波器中供电开关1，供电开关采用继电器；9)电源管理器对应母线滤波器中供电开关2，供电开关采用继电器；10)充放电调节器1对应母线滤波器中供电开关3，供电开关采用继电器；11)充放电调节器2对应母线滤波器中供电开关4，供电开关采用继电器；12)充放电调节器3对应母线滤波器中供电开关5，供电开关采用继电器；13)单功率通道采用分布式二次电源配置，分流调节器、充放电调节器1、充放电调节器2、充放电调节器3、综合驱动控制器、电源管理器均通过单机内100v供电母线自行变换产品所需的±12v、5v二次电源；14)母线滤波器通过单机内100v供电母线进行28v指令母线变换，用于给产品内供电开关1、供电开关2、供电开关3、供电开关4、供电开关5继电器线包及其它产品继电器线包供电；15)锂离子蓄电池组1通过充放电调节器1进行充电控制和放电调节。充放电调节器1中设置锂离子蓄电池组1充电开关k1和放电开关k2，供电开关均采用继电器；16)锂离子蓄电池组2通过充放电调节器2进行充电控制和放电调节。充放电调节器2中设置锂离子蓄电池组2充电开关k3和放电开关k4，供电开关均采用继电器；17)锂离子蓄电池组3通过充放电调节器3进行充电控制和放电调节。充放电调节器3中设置锂离子蓄电池组3充电开关k5和放电开关k6，供电开关均采用继电器；18)母线滤波器设置在轨稳压源100v供电输入接口，在轨稳压源100v供电母线通过母线滤波器中供电开关6接入，供电开关采用继电器；19)母线滤波器设置总体电路28v指令母线(由另一功率通道提供)输入接口，用于给供电开关6继电器线包供电；20)表1中的参数采用总线、硬线冗余方式，提高可靠性。当然，表1给出的是应用本系统的典型参数集，在应用时可根据电源系统的特点及任务要求进行增减。总线参数通过电源管理器与测控系统交互通信下传到地面；硬线参数直接通过数管系统下传到地面；21)表2中的指令采用总线、硬线冗余方式，提高可靠性。当然，表2给出的是应用本系统的典型指令集，在应用时可根据电源系统的特点及任务要求进行增减。总线指令通过电源管理器与测控系统交互通信由地面上传到航天器；硬线指令直接通过数管系统由地面上传到航天器；22)太阳电池翼、分流调节器或母线滤波器维修更换时采用功率通道断电方式，航天器负载调配到另一条功率通道。太阳电池翼进行背日控制，通过地面测控系统发送指令断开供电开关1、2及供电开关k1、k2、k3、k4、k5、k6，使该功率通道电源系统断电。维修后上电时，功率通道100v供电由在轨稳压源提供，稳压供电开关6继电器线包由另一通道总体电路28v指令母线提供，进行功率通道状态恢复；23)充放电调节器1或锂离子蓄电池组1维修更换时采用机组1断电方式，通过地面测控系统发送指令断开供电开关3及供电开关k1、k2。航天器上该功率通道负载进行调整，减小1个机组功率或调配到另一功率通道。维修后上电时，可直接进行机组状态恢复；24)充放电调节器2或锂离子蓄电池组2维修更换时采用机组2断电形式，通过地面测控系统发送指令断开供电开关4及供电开关k3、k4。航天器上该功率通道负载进行调整，减小1个机组功率或调配到另一功率通道。维修后上电时，可直接进行机组状态恢复；25)充放电调节器3或锂离子蓄电池组3维修更换时采用机组3断电形式，通过地面测控系统发送指令断开供电开关5及供电开关k5、k6。航天器上该功率通道负载进行调整，减小1个机组功率或调配到另一功率通道。维修后上电时，可直接进行机组状态恢复；26)综合驱动控制器维修时，将太阳电池翼偏置为最大对日角度后，通过地面测控系统发送指令断开供电开关1，航天器上该功率通道根据偏置后的供电能力减小负载或调配到另一功率通道。维修后上电时，可直接进行产品状态恢复；27)电源管理器维修时通过地面测控系统发送指令断开供电开关2，航天器上该功率通道正常供电，系统状态通过表1关键参数显示。维修后上电时，可直接进行产品状态恢复。显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。当前第1页12