[发明专利]一种在轨可更换的自适应蓄电池系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种适应于在轨可更换的蓄电池系统及其控制方法，属于航天器电源技术领域，包括：磁耦合式无线传能副边、有线充放电单元、综合控制单元，蓄电池及其管理调节电路、单刀双掷接触器K1、单刀单掷接触器K2。磁耦合式无线传能副边使用逆变/整流公用的全桥拓扑；有线充放电单元采用四开关的buck‑boost双向拓扑。综合控制单元确定蓄电池系统进入有线功率传输、无线功率传输或待机状态。根据航天器功率状态表征参数MEA值、蓄电池是否需要充电，确定蓄电池系统进入充电、待机或放电模式。根据蓄电池组电压、母线电压、磁谐振副边输出端电压、磁谐振副边所需输入端电压等信息，确认有线升降压单元的调节模式，磁耦合式无线传能副边的调节模式。

技术领域

本发明涉及航天器电源技术领域，具体涉及一种在轨可更换的蓄电池系统及其控制方法，该系统特别适合空间在轨维护服务(在轨更换、在轨构建)，可以为航天器提供源源不断的能量来源。

背景技术

随着航天事业的快速发展以及对航天器降本增效需求的日益加剧，提升航天器任务能力、保证航天器空间安全、延长航天器寿命、降低任务成本及失败风险等需求日渐强烈，通过在轨维修、更换、升级、扩容等在轨服务是满足上述需求的最合适方法，也是后续研究的一个重点。能源作为在轨服务的一个重要部分，担负着为航天器供电、扩容的目的。蓄电池采用化学变换的方式进行能量的存储，其寿命随着充放电的增加而不断减少，为此对其进行更换成为在轨服务不可缺少的部分。且随着在轨航天器构建的需要，扩充航天器的能量来源，提高供电功率也成为后续迫切的需求。

目前的航天器蓄电池，根据航天器母线电压的不同需求，采用不同数量的蓄电池单体经过串、并联后组成，通过电缆网连接相应的充放电及蓄电池管理电路形成蓄电池系统，并不具备相应的维修更换及后续扩容的能力，即使进行更换，也只能按照最初的设计更换一样的蓄电池，大大限制了能源系统的扩展和维修更换能力。若要实现在轨功率扩容，增加蓄电池组数量及容量已无法满足要求，其原因如下：

1)增加蓄电池组数量：荷电状态不同的蓄电池组无法直接并联，否则不同蓄电池组间将进行充电或放电，并且由于“木桶效应”，所有蓄电池组的的充、放电性能将会受最差一组蓄电池钳制；

2)增加蓄电池组容量：原有的充放电调节设备及其配套的均衡、热控、过放过充保护等将无法匹配。

根据以上原因可知，要实现蓄电池组的任意更换、升级、扩容，单纯的更换蓄电池组已无法满足要求，需要采用蓄电池系统，该系统中包含充放电、均衡、热控、相关保护、蓄电池信息采集、记录、预测等功能。

国内目前还未有蓄电池在轨更换的成熟经验及设备，国外开展的蓄电池更换也是采用有线方式直接进行更换，但在轨通过有线连接进行功率传输，对于对接机构的对接精度、接插件的设计、相关保护电路的要求颇高，且一旦出现打火，轻则造成接插件的融化，重则造成航天器的能源短路，任务失败。为保证安全，一般都需要设计相应的带电热插拔电路或通过局部断电进行更换的，增加了更换的复杂度。

近场无线电能传输技术由于具有无机械连接束缚、无接插环节、无裸露导体、无漏电触电危险等优势，在以无线智能终端设备、人体植入医疗器械、消费电子设备、电动汽车等为代表的民用领域已经快速发展，具有较好的市场空间和应用前景，也成为在轨供能的理想方式。若能与蓄电池结合，可实现一个具备无线传能的能量包，满足在轨服务的相关需求。但电子电路的转换速度及转换能力无法满足大功率瞬态放电的要求，且单纯的无线能量传输无法满足蓄电池的充放电要求，还需串联相应的充放电调节单元。若能结合有线充放电电调节和无线功率传输的优点，实现蓄电池的混合充放电，将会大大提供蓄电池的适应性，既能够利用目前成熟的有线功率调节技术，又能够充分发挥无线传能的优点，为后续在轨更换蓄电池、实现在轨维修、更换、扩容提供宽广的技术基础和应用平台。

发明内容