CN104300662A - 基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统 - Google Patents

基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统 Download PDF

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Abstract

基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，涉及皮卫星电源领域。解决了现有皮卫星星载电源系统可靠性差、集成度不高的问题。所述太阳能电池阵用于将太阳能转换为电能，提供一次能源，并为蓄电池充电，太阳能电池阵控制器的电源信号输出端同时与蓄电池充电控制器的电源信号输入端和电源切换控制器的第一电源信号输入端连接，蓄电池充电控制器的电源信号输出端连接蓄电池保护装置的第一电源信号输入端，蓄电池保护装置的第二电源信号输入输出端连接蓄电池的电源信号输出输入端，蓄电池保护装置的第一电源信号输出端连接电源切换控制器的第二电源信号输入端，电源切换控制器同时与母线以及电压调节控制器连接输出三种等级的电压。本发明适用于皮卫星供电。

Description

基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统
技术领域
本发明涉及皮卫星电源控制与分配系统。
背景技术
公知的皮卫星为质量在1-10kg范围内的卫星，它具有设计相对简单，体积小，重量轻，研制成本低，发射周期短等突出优点。电源系统是皮卫星上的关键系统，负责为星上其他分系统和有效载荷宫殿的重要任务。因此，提高皮卫星电源系统的可靠性和高效性是皮卫星发展的重要因素。
目前皮卫星上电源系统功能通常在单片机或FPGA的控制下实现。由于FPGA相对功耗较大，因此在皮卫星上应用相对较少。而对于FPGA或单片机，除Actel的反熔丝FPGA外都存在单粒子效应，引起程序执行错误，可能导致电源系统部分或整体功能失效。
同时，目前常用的皮卫星电源系统结构还存在以下不足：
电源系统太阳能电池阵没有专门的控制电路，对太阳能电池阵输出的调节仅限于限制其最高输出电压，不能根据太阳能电池阵输出特性曲线调节，这使得整星能过获得的功率有限，常常需要限制载荷工作时间以达到能量平衡；
其次，蓄电池没有专门的充放电控制电路，对电池的过冲、过放、过温保护分布在电源系统各个部分，缺乏模块化和集成化设计的可靠性和稳定性。
发明内容
本发明为了解决现有皮卫星星载电源系统可靠性差、集成度不高的问题，提出了一种基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统。
基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统包括太阳能电池阵、太阳能电池阵控制器、蓄电池、蓄电池充电控制器、蓄电池保护装置、电源切换控制器、过流保护装置、+3.3V电压调节控制器和+5V电压调节控制器，所述太阳能电池阵用于将太阳能转换为电能，提供一次能源，太阳能电池阵的电源信号输出端与太阳能电池阵控制器的电源信号输入端连接，太阳能电池阵控制器的电源信号输出端同时与蓄电池充电控制器的电源信号输入端和电源切换控制器的第一电源信号输入端连接，蓄电池充电控制器的电源信号输出端与蓄电池保护装置的第一电源信号输入端连接，蓄电池保护装置的第二电源信号输入输出端与蓄电池的电源信号输出输入端连接，蓄电池保护装置的第一电源信号输出端与电源切换控制器的第二电源信号输入端连接，电源切换控制器的第一电源信号输出端经过流保护装置直接输出母线电压，电源切换控制器的第二电源信号输出端经过流保护装置与+3.3V电压调节控制器的电源信号输入端连接，+3.3V电压调节控制器的电源信号输出端输出+3.3V电压，电源切换控制器的第三电源信号输出端经过流保护装置与+5V电压调节控制器的电源信号输入端连接，+5V电压调节控制器的电源信号输出端输出+5V电压。
所述电源系统还包括控制隔离电路、单片机、电压电流传感器、温度传感器和总线隔离电路，所述电压电流传感器用于采集太阳能电池阵控制器、蓄电池和电源切换控制器输出的电压信号和电流信号，电压电流传感器的电压电流信号输出端与单片机的电压电流信号输入端连接，温度传感器用于采集电源系统各器件的温度，温度传感器的温度信号输出端与单片机的温度信号输入端连接，单片机的控制信号输出端经控制隔离电路同时与每个过流保护装置的控制信号输入端连接，单片机的通信信号输出端经总线隔离电路与外部系统实现信号传输。
有益效果：本发明提出的电源系统中的供电干路采用纯硬件设计，其相对可靠性较软件控制高，有利于提高电源系统及整形可靠性；太阳能电池阵控制部分采用最大功率点追踪设计，能够尽可能的利用太阳能，提高电源系统输出功率。每个部分采用功能高度集中的模块化设计，模块之间以最小耦合方式连接，功能互不影响，可根据不同需求对模块性能、模块组合方式等进行调整；利用单片机以最小耦合方式对供电干路进行有限控制，同时采集电源系统关键参数，增强电源系统的智能化程度，同时做到不影响供电功能，从而提高了整个电源系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的原理示意图；
图2为本发明所述电源系统配电输出采用分布式配电原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统包括太阳能电池阵1、太阳能电池阵控制器2、蓄电池5、蓄电池充电控制器3、蓄电池保护装置4、电源切换控制器6、过流保护装置7、+3.3V电压调节控制器8和+5V电压调节控制器9，所述太阳能电池阵1用于将太阳能转换为电能，提供一次能源，太阳能电池阵1的电源信号输出端与太阳能电池阵控制器2的电源信号输入端连接，太阳能电池阵控制器2的电源信号输出端同时与蓄电池充电控制器3的电源信号输入端和电源切换控制器6的第一电源信号输入端连接，蓄电池充电控制器3的电源信号输出端与蓄电池保护装置4的第一电源信号输入端连接，蓄电池保护装置4的第二电源信号输入输出端与蓄电池5的电源信号输出输入端连接，蓄电池保护装置4的第一电源信号输出端与电源切换控制器6的第二电源信号输入端连接，电源切换控制器6的第一电源信号输出端经过流保护装置7直接输出母线电压，电源切换控制器6的第二电源信号输出端经过流保护装置7与+3.3V电压调节控制器8的电源信号输入端连接，+3.3V电压调节控制器8的电源信号输出端输出+3.3V电压，电源切换控制器6的第三电源信号输出端经过流保护装置7与+5V电压调节控制器9的电源信号输入端连接，+5V电压调节控制器9的电源信号输出端输出+5V电压。
本发明采用分布式配电方式，扩展方便，采用纯硬件设计，供配电功能无需软件干预和控制，提高了电源系统的可靠性。
太阳能电池阵1用于将太阳能转化为电能，为蓄电池5充电，并为后级电压调节控制器供电；蓄电池5与太阳能电池阵1并联，用于储存电能或输出电能，在阴影区为输出负载提供二次能源，为后级电压调节控制器供电，电压调节控制器用于将太阳能电池阵1和蓄电池5提供的不稳定电压转化为稳定电压输出，将功率分配集中到相应的功能模块。
蓄电池充电控制器3采用L6924D单芯片锂离子电池充电控制器，为SPV1040演示版上配套锂离子电池充电控制器，内部逻辑控制单元能提供锂离子电池充电所需的CC-CV充电曲线，芯片能根据锂离子电池状态调整充电模式，芯片具有过充、过压、过温、反向电流保护，芯片外围电路设计为只要有电源输入芯片即可根据当前电池状态自动设定充电模式。
锂离子电池过放、过充电、过流保护由过流保护装置7实现。
电压调节控制器采用开关式电源变换器，具有效率高、输入电压范围宽，开关噪声小的特点。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述太阳能电池阵控制器2采用最大功率点跟踪控制器实现。
本实施方式中，太阳能电池阵控制器2采用最大功率点跟踪控制器实现，能够根据光照情况动态调节工作参数，最大限度的利用太阳能。
太阳能电池阵控制器2选用SPV1040型太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT)控制器，该控制器为纯硬件单芯片MPPT控制器，内置MPPT算法，可根据太阳能电池输出曲线动态调节工作参数，将随光照改变的太阳能电池阵1输出转换为稳定的电压输出，为蓄电池5充电，同时为输出级负载提供电能。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述电源系统包括多组太阳能电池阵1和多组蓄电池5，每组太阳能电池阵1分别与一个太阳能电池阵控制器2连接，每组蓄电池5分别与一个蓄电池充电控制器3和一个蓄电池保护装置4连接。
本实施方式中，每两片太阳能电池片为一组，连接至一路太阳能电池阵控制器2，各组之间相互独立，共同为蓄电池充电控制器3及输出级负载供电；各组蓄电池5、蓄电池充电控制器3和蓄电池保护装置4的连接相互独立，通过电源切换控制器6共同为输出级负载供电。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述电源切换控制器6采用MOS管与驱动电路实现，所述驱动电路的控制信号输出端与MOS管的控制信号输入端连接。
电源切换控制器6采用由MOS管和相应控制电路组成的理想二极管作为电源切换，具有自身压降低、体积小、允许通过电流大的特点，能够根据每路输入电压高低自动打开或关闭相应输出，实现电源选择功能，即在光照区优先使用太阳能电池阵1供电，阴影区自动切换至蓄电池5供电，并能实现不同组蓄电池之间均衡放电，同时，本实施方式提出的电源切换控制器6相比普通二极管，具有导通态电阻小的特点，能够大大降低导通损耗，提高电源系统效率；同时，电源切换控制器6还具有可调限流、过流保护、过温保护等功能，满足电路可靠性要求。
电源切换控制器6的使能采用外部RC电路，具有自动重试式过流、短路保护功能，即在负载端发生过流或短路情况时，自动切断输出，并在一定时间后尝试恢复输出，并检测过流或短路情况是否继续存在。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述+3.3V电压调节控制器8采用TPS63021型开关电源控制器实现。
由于母线电压设定为3.0V-4.5V，因此+3.3V输出部分需要使用Buck-Boost型开关电源控制器，该控制器内部集成4A MOSFET，可在2.5V以上输入电压时提供2A输出，能够满足设计及一定降额要求。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述+5V电压调节控制器9采用TPS55340开关电源控制器实现。
TPS55340开关电源控制器为Boost型开关电源控制器，内部集成5A MOSFET，能够满足设计及一定降额要求。
具体实施方式七、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，它还包括控制隔离电路10、单片机13、电压电流传感器11、温度传感器12和总线隔离电路13，所述电压电流传感器11用于采集太阳能电池阵控制器2、蓄电池5和电源切换控制器6输出的电压信号和电流信号，电压电流传感器11的电压电流信号输出端与单片机13的电压电流信号输入端连接，温度传感器12用于采集电源系统各器件的温度，温度传感器12的温度信号输出端与单片机13的温度信号输入端连接，单片机13的控制信号输出端经控制隔离电路10同时与每个过流保护装置7的控制信号输入端连接，单片机13的通信信号输出端经总线隔离电路13与外部系统实现信号传输。
单片机13为低功耗单片机，通过电压、电流、温度传感器实现对电源系统关键部分电压、电流、温度数据采集及处理，并能够与其他分系统通信。
单片机13仅实现电源分系统状态采集和部分次要功能控制功能，其中控制功能通过电容隔离，实现单片机与供电干路的最小耦合，即便单片机13部分故障也不会影响供电干路工作。
在太阳能电池阵控制器2的每一组输出之后均有一个电压电流传感器11，用于检测不同面太阳光照相对强度，并可由此计算出卫星轴线与太阳夹角，以兼作粗太阳敏感器。
具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述单片机13采用TI MSP430型低功耗单片机实现。
由于本发明所述提供的电源系统是基于纯硬件实现的，在电路中可以与任何型号的单片机配合使用，为降低自身功耗，可以选用MSP 430F5437A型单片机，自身集成SPI、IIC控制器、16KB RAM、256KB FLASH可保证嵌入式操作系统能够在其上运行，方便实现系统间通信功能。
具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式七所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述电压电流传感器11采用INA219型传感器实现。
本实施方式中所述的电压电流传感器精度可达0.5％，以数字形式输出，方便单片机采集数据。
具体实施方式十、本具体实施方式与具体实施方式七所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统的区别在于，所述温度传感器12采用MAXIM DS620型数字温度传感器实现。
本实施方式中所述的温度传感器的精度可达±0.5℃。
本发明所述电源系统配电输出采用分布式配电设计，如图2所示，每路总输出根据需要设若干常闭支路和若干受控支路，以+3.3V输出为例，输出干路经支路过流保护开关为通信系统供电，由通信系统控制其他各系统电源开关，各系统电源入口前均有过流保护装置。

Claims (10)

1.基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，它包括太阳能电池阵(1)、太阳能电池阵控制器(2)、蓄电池(5)、蓄电池充电控制器(3)、蓄电池保护装置(4)、电源切换控制器(6)、过流保护装置(7)、+3.3V电压调节控制器(8)和+5V电压调节控制器(9)，所述太阳能电池阵(1)用于将太阳能转换为电能，提供一次能源，太阳能电池阵(1)的电源信号输出端与太阳能电池阵控制器(2)的电源信号输入端连接，太阳能电池阵控制器(2)的电源信号输出端同时与蓄电池充电控制器(3)的电源信号输入端和电源切换控制器(6)的第一电源信号输入端连接，蓄电池充电控制器(3)的电源信号输出端与蓄电池保护装置(4)的第一电源信号输入端连接，蓄电池保护装置(4)的第二电源信号输入输出端与蓄电池(5)的电源信号输出输入端连接，蓄电池保护装置(4)的第一电源信号输出端与电源切换控制器(6)的第二电源信号输入端连接，电源切换控制器(6)的第一电源信号输出端经过流保护装置(7)直接输出母线电压，电源切换控制器(6)的第二电源信号输出端经过流保护装置(7)与+3.3V电压调节控制器(8)的电源信号输入端连接，+3.3V电压调节控制器(8)的电源信号输出端输出+3.3V电压，电源切换控制器(6)的第三电源信号输出端经过流保护装置(7)与+5V电压调节控制器(9)的电源信号输入端连接，+5V电压调节控制器(9)的电源信号输出端输出+5V电压。
2.根据权利要求1所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述太阳能电池阵控制器(2)采用最大功率点跟踪控制器实现。
3.根据权利要求1所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述电源系统包括多组太阳能电池阵(1)和多组蓄电池(5)，每组太阳能电池阵(1)分别与一个太阳能电池阵控制器(2)连接，每组蓄电池(5)分别与一个蓄电池充电控制器(3)和一个蓄电池保护装置(4)连接。
4.根据权利要求1所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述电源切换控制器(6)采用MOS管与驱动电路实现，所述驱动电路的控制信号输出端与MOS管的控制信号输入端连接。
5.根据权利要求1所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述+3.3V电压调节控制器(8)采用TPS63021型开关电源控制器实现。
6.根据权利要求1所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述+5V电压调节控制器(9)采用TPS55340开关电源控制器实现。
7.根据权利要求1所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，它还包括控制隔离电路(10)、单片机(13)、电压电流传感器(11)、温度传感器(12)和总线隔离电路(13)，所述电压电流传感器(11)用于采集太阳能电池阵控制器(2)、蓄电池(5)和电源切换控制器(6)输出的电压信号和电流信号，电压电流传感器(11)的电压电流信号输出端与单片机(13)的电压电流信号输入端连接，温度传感器(12)用于采集电源系统各器件的温度，温度传感器(12)的温度信号输出端与单片机(13)的温度信号输入端连接，单片机(13)的控制信号输出端经控制隔离电路(10)同时与每个过流保护装置(7)的控制信号输入端连接，单片机(13)的通信信号输出端经总线隔离电路(13)与外部系统实现信号传输。
8.根据权利要求7所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述单片机(13)采用TI MSP430型低功耗单片机实现。
9.根据权利要求7所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述电压电流传感器(11)采用INA219型传感器实现。
10.根据权利要求7所述的基于纯硬件实现的皮卫星星载电源系统，其特征在于，所述温度传感器(12)采用MAXIM DS620型数字温度传感器实现。
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