一种PCU-NG及其与锂离子蓄电池组连接的预充电方法与流程

一种pcu
‑
ng及其与锂离子蓄电池组连接的预充电方法
技术领域
1.本发明涉及一种pcu
‑
ng及其与锂离子蓄电池组连接的预充电方法，属于电气工程技术领域。


背景技术：

2.由于卫星性能和健壮性要求的提高，电源控制器进行了换代升级，相较于dfh
‑
4pcu，pcu
‑
ng在有效提供100v母线的同时，质量减少30％，转换效率等性能有效提升，同时成本节约15％～20％，并且可有效适应太阳翼功率效率提升的需求以及锂离子蓄电池组使用的需求，dfh
‑
4e平台采用了pcu
‑
ng。新一代的电源控制采用模块化设计，共有四种类型模块：sun模块、tmtc模块、bcdr模块和capa模块。其中一个sun模块包含了三个s3r电路，可有效防止单点故障(母线二极管并联冗余，分流mosfet串联冗余)导致的一个太阳电池分阵的功率损失，设计了s3r保护电路，同时与gaas太阳电池匹配度更高，无电容放电损耗。基于以上优点，pcu
‑
ng取代pcu用于卫星上进行电源母线调节功能。
3.然而，与传统pcu不同，pcu
‑
ng集成了蓄电池接入继电器的功能，不需要另外配置蓄电池接入控制继电器，由于bcdr模块输入接口处有较大的电容，且锂离子蓄电池组的电压较高，若不加措施地直接连接pcu
‑
ng和锂离子蓄电池组，在pcu
‑
ng和锂离子蓄电池组接口会出现打火现象，因此如何将pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组安全可靠地匹配连接成为一个需要解决的问题，对保证pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组的安全，保证电源系统应用的可靠性，具有重大意义。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对配置pcu
‑
ng的地球同步轨道长寿命卫星电源系统，提供了一种pcu
‑
ng及其与锂离子蓄电池组连接的预充电方法，适用于pcu
‑
ng和锂离子蓄电池组可靠安全接入，从而提高星上电源系统的安全性。
5.本发明解决技术的方案是：一种pcu
‑
ng，该pcu
‑
ng包括m组bcdr模块，每组bcdr模块包括n个并联的bcdr模块，每个bcdr模块包括第一输入端口、第一输入端口；m大于等于1、n大于等于1；
6.每组bcdr模块对应连接一组锂离子蓄电池，锂离子蓄电池组通过bcdr模块实现母线调节和充电；同一组bcdr模块中，每个bcdr模块的第一输入端口，用于并联连接至锂离子蓄电池组正端；每个bcdr模块的第二输入端口，用于并联连接至锂离子蓄电池组负端；
7.pcu
‑
ng的输出端口中设有一个预充电节点，预充电节点与2n个并联的bcdr模块共同接地端之间连接预充电电阻。
8.优选的，所述bcdr模块中还包括输入滤波器，用于滤除输入干扰并稳定母线电压；输入滤波器包括电容c1和电阻r1，电容c1的一端连接第一输入端口，另一端连接电阻r1，电阻r1的另一端接地和第二输入端口，电容c1的容值达到us级。
9.优选的，所述预充电电阻为95～105欧。
10.优选的，锂离子蓄电池组正端通过正端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第一输入端口连接；锂离子蓄电池组负端通过负端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第二输入端口连接；
11.正端分路插头和负端分路插头均为1分n插头，包括一个输入分支和n个输出分支，输入分支连接锂离子蓄电池组正端和负端，n个输出分支能够独立插拔在pcu
‑
ng上bcdr模块的第一输入端口或第二输入端口上。
12.本发明的另一个技术方案是：上述pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组连接的预充电方法，该方法包括如下步骤：
13.s1、整星电缆网已敷设到位后，在锂离子蓄电池安装之前，将pcu
‑
ng的输出端口通过电缆连接引至安装于卫星表面的插头；
14.s2、保持锂离子蓄电池组接插件未插接，接插件上的所有节点处于悬空状态，保证这些节点未连接到卫星地；
15.s3、将正端分路插头输入分支连接锂离子蓄电池组的正端，n个输入分支连接至pcu
‑
ng对应的bcdr模块的第一输入端口；
16.s4、采用预充电电缆一端连接卫星表面的插头，另一端连接负端分路插头其中一个输出分支，使得pcu
‑
ng的输出端口中的预充电节点与锂离子蓄电池组负端相连；
17.s5、等待预设的充电时间，直至预充电完成进入步骤s6；
18.s6、将卫星表面的插头和负端分路插头的其余输出分支连接至pcu
‑
ng对应的bcdr模块的第二输入端口；
19.s7、断开预充电电缆与锂离子蓄电池组的连接，将负端分路插头用于预充电的分支连接至pcu
‑
ng对应的端口；
20.s8、断开预充电电缆与卫星表面的插头的连接，结束预充电过程。
21.优选的，预设的充电时间理论上不低于1s。
22.本发明与现有技术相比的有益效果是：
23.(1)、本发明针对配置的pcu
‑
ng的特点滤波电容大的特点，设置了pcu
‑
ng的预充电接口，规定了预充电电阻的大小，确保连接锂离子蓄电池时，浪涌电流得到有效的抑制。
24.(2)、本发明对于需预充电设置的pcu
‑
ng，制定了pcu
‑
ng
‑
锂离子蓄电池组安全接入的方法，规定了预充电时间，保证pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组连接时避免出现打火，危害单机和操作人员的安全，保证了系统连接的安全性和可靠性。
25.(3)、本发明方法可应用于多个型号中，相关研究成果可推广至配置pcu
‑
ng
‑
锂离子蓄电池组的空间高轨卫星电源系统应用中。
附图说明
26.图1为本发明实施例pcu
‑
ng模块配置图；
27.图2为本发明实施例pcu
‑
ng模块结构组成框图；
28.图3为本发明实施例bcdr与蓄电池组接口关系；
29.图4为本发明实施例pcu
‑
ng与蓄电池预充电接口图；
30.图5为本发明实施例连接北蓄电池组安装预充电示意图；
31.图6为本发明实施例连接南蓄电池组安装预充电示意图。
具体实施方式
32.下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
33.本发明提供了一种pcu
‑
ng及其与锂离子蓄电池组蓄电池连接的预充电方法。
34.如图1所示，本发明提供的一种pcu
‑
ng包括m组bcdr模块，每组bcdr模块包括n个并联的bcdr模块，每个bcdr模块包括第一输入端口、第一输入端口；m大于等于1、n大于等于1；
35.每组bcdr模块对应连接一组锂离子蓄电池，锂离子蓄电池组通过bcdr模块实现母线调节和充电；同一组bcdr模块中，每个bcdr模块的第一输入端口，用于并联连接至锂离子蓄电池组正端；每个bcdr模块的第二输入端口，用于并联连接至锂离子蓄电池组负端；
36.pcu
‑
ng的输出端口中设有一个预充电节点，预充电节点与2n个并联的bcdr模块共同接地端之间连接预充电电阻。
37.所述锂离子蓄电池组蓄电池正端通过正端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第一输入端口连接；锂离子蓄电池组蓄电池负端通过负端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第二输入端口连接；
38.正端分路插头和负端分路插头均为1分n插头，包括一个输入分支和n个输出分支，输入分支连接锂离子蓄电池组蓄电池的正端和负端，n个输出分支能够独立插拔在pcu
‑
ng上bcdr模块的第一输入端口或第二输入端口上。
39.优选地，所述预充电电阻为95～105欧。
40.上述pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组蓄电池连接的预充电方法，该方法包括如下步骤：
41.s1、整星电缆网已敷设到位后，在锂离子蓄电池安装之前，将pcu
‑
ng的输出端口通过电缆连接引至安装于卫星表面的插头；
42.s2、保持锂离子蓄电池组接插件未插接，接插件上的所有节点处于悬空状态，保证这些节点未连接到卫星地；
43.s3、将正端分路插头输入分支连接锂离子蓄电池组的正端，n个输入分支连接至pcu
‑
ng对应的bcdr模块的第一输入端口；
44.s4、采用预充电电缆一端连接卫星表面的插头，另一端连接负端分路插头其中一个输出分支，使得pcu
‑
ng的输出端口中的预充电节点与锂离子蓄电池组负端相连；
45.s5、等待预设的充电时间，直至预充电完成进入步骤s6；预设的充电时间不低于1s。
46.s6、将卫星表面的插头和负端分路插头的其余输出分支连接至pcu
‑
ng对应的bcdr模块的第二输入端口；
47.s7、断开预充电电缆与锂离子蓄电池组的连接，将负端分路插头用于预充电的分支连接至pcu
‑
ng对应的端口。
48.s8、断开预充电电缆与卫星表面的插头的连接，结束预充电过程。
49.实施例：
50.在本发明某一具体实施例中，pcu
‑
ng为14.4kw pcu
‑
ng，该14.4kw pcu
‑
ng通过把bcr模块和bdr模块高度集成到一个模块中来实现减重和性能的提升，通过充放电调节模块(bcdr)的并联实现功率的扩展。包括1个电容模块、2个tmtc模块、6个sun模块、两组bcdr模块。每组bcdr模块包括5个并联的bcdr模块，每个bcdr模块包括第一输入端口、第一输入端口、输入滤波电路、输入开关isw、辅助电源aps、bdr模块、bcr模块、输出开关osw、输出滤波
电路、输出端口。
51.与太阳电池阵连接的是6个sun模块，总共含有18个s3r分流调节电路。14.4kw pcu
‑
ng扩展框图如图1所示，从图1中可以看出sun模块的编号从pcu中部向外逐渐增大。每个sun模块都与两个bcdr模块毗邻。
52.当地影季或者太阳电池阵功率不足时，每组锂离子电池组通过5个热备份的bcdr模块实现母线调节。当太阳电池阵功率充足时，通过5个热备份的bcdr模块实现电池组的充电。
53.bdr模块和bcr模块均以150khz开关频率工作，每个bcdr模块均采用独立的供电电源，当供电母线电压大于最小输入电压(一般为95v)，且未发送断开指令的情况下，bcdr模块通过软启动的方式开始工作。bcdr原理如图2所示。
54.bdr模块以电流源模式工作，从而可以实现多个bdr调节器并联工作实现功率扩展，通过统一的mea控制信号，可以确保bdr模块间的电流均衡性。另外bcr也工作在电流源模式，通过电池充电管理模块(bcm)设置充电控制点，从而实现多个bcr模块的并联工作从而给蓄电池组充电。
55.bcdr模块中设置有输入开关和输出开关，可以确保任何故障情况下均不会导致母线或者电池组的过载和短路。
56.同时，能实现ait期间蓄电池组与整星之间的彻底隔离，从而确保整星紧急情况下的断电功能。
57.蓄电池组的能量通过输入滤波器经开关isw传输至bcr电路或bdr电路进行电力变换，形成100v经开关osw和输出滤波电容，传输至母线，形成稳定的100v母线。输入滤波器的作用为稳定输入源避免外界电气干扰，输出滤波电容的作用为稳定母线。开关isw和osw为bcdr模块设置的内部保护开关。bcr电路为降压电路，将母线电压变换成蓄电池电压，为蓄电池组充电；bdr电路为升压电路，将蓄电池电压变换成稳定的母线电压，为负载供电。其中母线电压为100v，蓄电池组电压为55～98.5v。每个bcdr模块中，所述输入滤波器包括电容c1和电阻r1，电容c1的一端连接第一输入端口，另一端连接电阻r1，电阻r1的另一端接地和第二输入端口，电容为us级。
58.第一组bcdr模块中，每个bcdr模块的第一输入端口，用于并联连接至北锂离子蓄电池组正端；每个bcdr模块的第二输入端口，用于并联连接至北锂离子蓄电池组负端；北锂离子蓄电池组通过第一组bcdr模块实现母线调节和充电；
59.第二组bcdr模块中，每个bcdr模块的第一输入端口，用于并联连接至南锂离子蓄电池组正端；每个bcdr模块的第二输入端口，用于并联连接至南锂离子蓄电池组负端；南锂离子蓄电池组通过第一组bcdr模块实现母线调节和充电；
60.由于bcdr模块输入接口处电容c1为us级，且锂离子蓄电池组的电压较高，若不加措施地直接连接pcu
‑
ng和锂离子蓄电池组，在pcu
‑
ng和锂离子蓄电池组接口会出现打火现象。
61.pcu
‑
ng内部配置isw(功率mos)实现蓄电池隔离功能，如图3所示。在蓄电池和蓄电池隔离功率mos管间，存在较大的bcdr模块输入滤波电容。若在蓄电池(工艺或正样电池)安装过程中，直接将电池和pcu
‑
ng连接，则在蓄电池到输入电容回路上存在较大的浪涌电流，可能会打火。因此，在pcu
‑
ng内部设计增加了预充电阻，并串联了100ω限流电阻(图中红
圈)。如图4所示，pcu
‑
ng的输出端口中设有一个预充电节点，预充电节点与2n个并联的bcdr模块共同接地端之间连接预充电电阻。本实施例中预充电电阻为100欧。
62.北锂离子蓄电池组蓄电池正端通过第一正端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第一输入端口连接；北锂离子蓄电池组蓄电池负端通过第一负端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第二输入端口连接；
63.南锂离子蓄电池组蓄电池正端通过第二正端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第一输入端口连接；南锂离子蓄电池组蓄电池负端通过第二负端分路插头与pcu
‑
ng内n个bcdr模块的第二输入端口连接；
64.第一正端分路插头、第二正端分路插头、第一负端分路插头、第二负端分路插头为1分n插头，包括一个输入分支和n个输出分支，n个输出分支能够独立插拔在pcu
‑
ng上bcdr模块的输入端口上。
65.如图5和图6所示，在工艺或正样蓄电池安装之前，需要先给pcu
‑
ng输入电容充电，因此本实施例还提供了上述pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组蓄电池连接的预充电方法，该方法包括如下步骤：
66.s1、整星电缆网已敷设到位后，在锂离子蓄电池安装之前，为方便操作和测试需求，将pcu
‑
ng的输出端口通过电缆连接引至安装于卫星表面的插头；
67.本实施例中，在pcu
‑
ng的输出端口为j30，在pcu
‑
ng的j30上设置了预充电接点，将pcu
‑
ng端j30上的南北蓄电池预充电接口引至星表插头x16b
‑
(z)的接点上；
68.s2、保持南锂离子蓄电池组和北锂离子蓄电池组接插件未插接，接插件上的所有节点处于悬空状态，保证这些节点未连接到卫星地；
69.本实施例中，保持pcu
‑
ng bcdr1a～5a bata+端未插接，bcdr1 b～5bbatb+端未插接，即n01a
‑
j04a、n01a
‑
j09a、n01a
‑
j14a、n01a
‑
j16a、n01a
‑
j21a、n01a
‑
j04b、n01a
‑
j09b、n01a
‑
j14b、n01a
‑
j16b、n01a
‑
j21 b未插接；插接蓄电池组内部功率串联电缆，先插接电池正端bat+，后插接电池负端bat
‑
；
70.s3、将第一正端分路插头一端连接北锂离子蓄电池组的正端，另一端连接至pcu
‑
ng对应的端口；将第二正端分路插头连接南锂离子蓄电池组的正端，另一端连接至pcu
‑
ng对应的端口；
71.本实施例中，插接整星电缆北蓄电池组供电正端电缆(plw01001)，先插接pcu
‑
ng bcdr1a～5abata+端(n01a
‑
j04a、n01a
‑
j09a、n01a
‑
j14a、n01a
‑
j16a、n01a
‑
j21a)，插接好pcu端的5个接插件后，再插接北蓄电池正端(n0302a
‑
x02)。
72.插接整星电缆南蓄电池组供电正端电缆(plw01003)，先插接pcu
‑
ng bcdr1 b～5b batb+(n01a
‑
j04b、n01a
‑
j09b、n01a
‑
j14b、n01a
‑
j16b、n01a
‑
j21b)，插接好pcu端的5个接插件后，再插接南蓄电池正端(n0402a
‑
x02)。
73.s4、采用预充电电缆一端连接卫星表面的插头，另一端分成两个分支，第一分支连接第二分路插头其中一个输出分支，第二分支连接第四分路插头其中一个分支，使得pcu
‑
ng的输出端口中的预充电节点与南锂离子蓄电池组和北锂离子蓄电池组负端相连；
74.本实施例中，研制预充电专用电缆，连接星表x16b
‑
(z)的预充电接口和蓄电池负端接插件，开始蓄电池安装前的预充电操作。
75.插接整星电缆北蓄电池组供电负端电缆(plw01002)，将电缆接插件连接到北蓄电
池组负端(n0301a
‑
x01)，再插接整星电缆南蓄电池组供电负端电缆(plw01004)，将电缆接插件连接到南蓄电池组负端(n0401a
‑
x01)；
76.连接预充电专用电缆，将预充电专用电缆插接到x16b
‑
(z)的预充电接口(蓝色实线)，再将北蓄电池组供电负端电缆(plw01002)电缆端bcdr1abata
‑
(n01a
‑
j05a)插接到预充电专用电缆，将南蓄电池组供电负端电缆(plw01004)电缆端bcdr1b batb
‑
(n01a
‑
j05b)插接到预充电专用电缆。此时蓄电池将对pcu bcdr输入电容进行充电，锂离子蓄电池组的能量转移至输入电容，只能通过预充电电路建立由于唯一充电通路，由于预充电电阻的设置，对输入电容的充电电流为最大为vbat/100ω＜0.985a，电流较小，无打火风险，提高了操作的安全性；
77.s5、等待预设的充电时间，直至预充电完成进入步骤s5；本实施例中，等待1min；
78.s6、将卫星表面的插头和第二分路插头和第四分路插头的其余输出分支连接至pcu
‑
ng对应的端口；
79.本实施例中，连接北蓄电池组供电回线(plw01002)电缆与pcu
‑
ng，将电缆插接至pcu端bcdr2a～5a bata
‑
的4个接插件(n01a
‑
j10a、n01a
‑
j15a、n01a
‑
j17a、n01a
‑
j22a)。
80.连接南蓄电池组供电回线(plw01004)电缆与pcu
‑
ng，将电缆插接至pcu端bcdr2b～5b batb
‑
的4个接插件(n01a
‑
j10b、n01a
‑
j15b、n01a
‑
j17b、n01a
‑
j22b)。
81.s7、断开预充电电缆与南锂离子蓄电池组、北锂离子蓄电池组连接，将第二分路插头和第四分路插头中用于预充电的分支连接至pcu
‑
ng对应的端口。
82.本实施例中，断开预充电专用电缆，先断开x16b
‑
(z)端，再断开与电池负端的接插件(n01a
‑
j05a和n01a
‑
j05b)；
83.将北蓄电池组供电回线电缆(plw01002)的bcdr1a bata
‑
(n01a
‑
j05a)插接到pcu
‑
ng bcdr1a bata
‑
，将南蓄电池组供电回线电缆(plw01004)的bcdr1b batb
‑
(n01a
‑
j05b)插接到pcu
‑
ng bcdr1b batb
‑
，此时pcu bcdr端所有接插件均插接到位；
84.s8、断开预充电电缆与卫星表面的插头的连接，结束预充电过程。
85.最后依次连接蓄电池组其他接插件：a模块和b模块(x03，x04，x05，x06)，a模块的x07(b模块的x07为空接插件，不插接电缆，采用3m胶带封堵)。
86.注：南北蓄电池组可同时进行预充电操作，也可分别进行。
87.本实施例首次在国内配置的新一代pcu
‑
ng的大功率、高轨道卫星中应用，通过分析pcu
‑
ng的技术特征，识别出pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组连接安全风险，从而设计了一种适用于pcu
‑
ng与锂离子蓄电池组连接的预充电方法，进一步提高电源系统的安全性。
88.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。