CN106059040A - 一种用于立方星的电源系统及能源分级调控方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于立方星的电源系统及能源分级调控方法，该方法首先采集电压、温度等工作参数，判断出蓄电池组是否处于正常的工作状态。如果蓄电池组处于正常的工作状态，将判断蓄电池电压所在的阈值范围，并以此为依据设定和调整卫星负载开关机状态，从而调整负载功率与太阳电池阵输出功率的平衡，维持蓄电池组荷电在始终处于预设的范围。如果判断出蓄电池组电压低于正常工作电压，则发送指令将蓄电池组断开以避免蓄电池组被过放电。如果判断出蓄电池组已发生失效，则将电池组彻底从系统中切除，进行故障隔离。该方法用软件完全替代了功率调节硬件电路，比传统方法需要更少的硬件资源，设置更灵活，并有利提高立方星能源系统的比能量。

Description

一种用于立方星的电源系统及能源分级调控方法
技术领域
本发明涉及一种能源分级调控方法，可应用于立方星及其他微纳型卫星的电源系统。
背景技术
1999年美国加州州立理工大学和斯坦福大学，对立方体卫星提出了定义：即结构尺寸为10cm×10cm×10cm的正立方体，质量为1kg左右的皮卫星，这种皮卫星称作立方体卫星，这就是标准的一个立方体星单元(“1U”)。
一般来说，在微小卫星上采用的电源系统，同样可应用于立方体卫星和由其组合而成的纳卫星。太阳电池阵-蓄电池组联合供电系统，电源系统由太阳电池阵、蓄电池组和电源控制器三部分组成。对立方体卫星，太阳电池阵有体装式太阳电池阵和展开式太阳电池阵。锂离子蓄电池因其较高的比功率和比能量，已成为小卫星电源系统储能装置的首选。锂离子蓄电池由于不耐过充和过放电，一般采用恒流-恒压充电。电源控制器起到母线功率调节、蓄电池组充放电控制作用。
电源系统拓扑结构一般分为直接能量传递电源(DET)系统最大功率点跟踪(MPPT)系统两种。直接能量传递电源系统(DET)是将太阳电池阵通过隔离二极管直接连接在母线的正端。光照期，太阳电池阵输出的功率直接馈送给负载，同时通过充电调节器给蓄电池组进行恒流-恒压充电；当太阳电池阵的输出功率大于负载功率和蓄电池组所需充电功率之和时，通过分流调节器分流作用来稳定母线。由于体积重量限制，专门的放电调节器很少在微纳星上采用，因此在阴影期，蓄电池组直接放电供给负载工作。
最大功率点跟踪(MPPT)是微小卫星电源系统常用的拓扑结构。一般是在太阳电池阵和负载之间引入一个串联开关调节器，随时跟踪阳电池阵最大功率点。一般采用微处理器进行控制，通过一定的算法实现。
采用以上不论哪种拓扑结构，都需要额外的硬件来进行太阳电池阵功率调节、维持母线电压恒定，并确保蓄电池组不被过充。对母线功率调节电路、对蓄电池组的恒流恒压充电控制电路，均需占用一定的体积和重量，而如何节省体积和重量，是立方星设计需要考虑的一个重要因素。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于立方星的能源分级调控方法，通过负载工作分级管理，实现稳定母线电压和蓄电池组充放电控制。
本发明的技术方案是：一种用于立方星的电源系统，包括太阳电池阵、蓄电池组和m组负载；太阳电池阵包括P个分阵，P、m为正整数；每个分阵通过一个隔离二极管与母线连接，蓄电池组采用锂离子电池组；蓄电池组与母线正之间串有由开关K1、开关K2和二级管D1组成的电路，电路连接方式为K2与二极管D1串联后，再与开关K1并联；二极管D1阴极与蓄电池组直接连接；m组负载通过每组各自的开关与母线相连接，模拟负载与卫星真实负载并联；所述的每个太阳电池分阵由多只单体太阳电池串联而成，串联数根据蓄电池组电压确定，确保串联后太阳电池阵总的输出电压应高于蓄电池组总电压；当m组负载开关全部闭合、即m组负载全部投入工作时，负载消耗的电流之和大于P个太阳电池阵的输出电流总和。
一种能源分级调控方法，
1)将m组负载按重要程度分为m级；负载i对应卫星第i级负载，负载i开启工作时卫星可实现最基本功能；开机顺序为：1级负载→2负载，……，m级负载；i＝1，2……m；
2)i级负载开机工作通过如下条件设置：
采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压大于i级负载开机门限电压Vi时，i级负载开机；
3)采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压小于i级负载关机门限电压Voff(I)时，i级负载关机；
4)采集蓄电池组电压，当蓄电池组电压≤蓄电池组过放电门限电压且连续持续10秒，发送“K1断开”指令；将“K1断开,蓄电池组与母线断开；在K1状态为“断开”的情况下，当蓄电池组自动接入门限值≤蓄电池组电压≤蓄电池组电压工作上限，同时蓄电池组温度≥正常工作温度下限值、且连续持续10秒时，发送“K1接通”指令，将“K1接通,蓄电池组重新与母线连接；
5)采集蓄电池组电压，在开关K2接通的情况下，当蓄电池组电压小于电池放电失效门限电压(此处设为2.7V*蓄电池串联节数)且持续10秒，此时发送“K2断开”指令，同时设置仅保留最重要的1级负载开机工作，将其余各级负载均断电，并进入“电池异常模式”；在“电池异常模式”下，仅保留最重要的1级负载长期开机工作，2级负载按如下流程进行调控，其余各级负载不工作：
采集母线电压，当母线电压≥4.00V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载开机；当母线电压≤3.9V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载关机。
所述的负载开机门限电压Von(i)设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin；其中电池组充电状态＝电池组剩余安时容量/额定安时容量；i级负载开机门限电压Von(i)对应电池组充电状态为：Smin+i*(Smax-Smin)/(m-1)时，蓄电池组的充电电压；每级开机操作执行间隔一定的时间延时。
所述的i级负载关机门限电压Voff(i)设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin；其中电池组充电状态＝电池组剩余安时容量/额定安时容量；i级关机门限电压Voff(i)对应电池组充电状态为：Smin+(i-1)*(Smax-Smin)/(m-1)时，蓄电池组的放电电压；每级关机操作执行间隔一定的时间延时。
所述的蓄电池组过放电门限电压＝3.3V*蓄电池串联节数。
所述的正常工作温度下限值为0℃。
所述的电池放电失效门限电压＝2.7V*蓄电池串联节数。
每级关机操作执行间隔时间延时为10s～30s。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)系统不额外增加用于功率调节的硬件，通过负载工作分级管理，实现稳定母线电压和蓄电池组充放电控制；
2)在轨工作时蓄电池组荷电态始终保持在预设的范围，有利于控制蓄电池组放电深度，延长蓄电池组使用寿命；
3)当蓄电池组发生故障或失效后，采用本发明提供的方法，仅通过太阳电池阵仍可在光照区维持卫星基本功能工作。
附图说明
图1电源系统原理框图；
图2能源动态管理流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的实施方式：
为最大限度地节约立方星电源系统的体积和重量，本发明提出了一种方案。电源系统为太阳电池阵-蓄电池组联合供电系统，以蓄电池端口电压为整星母线电压。这里不采用以往的电源控制器通过分流调节或DC-DC变换器调节来稳定母线电压，利用锂离子电压波动小和太阳电池阵输出特性，通过卫星负载和太阳电池阵输出功率的匹配，确定蓄电池组的充放电状态，保持蓄电池组的荷电态在一定范围之间波动，并通过稳定蓄电池组电压达到稳定母线电压的目的。这样可以将硬件设计大大简化设计，充分节省了体积和重量。
太阳电池阵输出能量经二极管隔离后直接供给锂离子蓄电池组，蓄电池组直接接入母线，一次母线电压为半调节方式，电压范围在(3.3V～4.1V)*N之间(N为蓄电池串联节数)。在光照期，太阳电池阵输出能量首先直接供给负载。当太阳电池阵输出能量大于负载所需能量时，剩余的能量给蓄电池组充电。将卫星负载按重要程度进行分类，并依据分类将负载分成若干级。若全部卫星负载开启仍不能消耗太阳电池阵全部输出功率时，需设置一些模拟负载，避免多余的能量将锂离子电池组过充电。通过软件判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压高于某一预先设定的接通门限时，接通对应某一级负载；当蓄电池组电压低于某一预先设定断开门限时，断开对应的某一级负载，从而实现对锂离子的充电进的限压控制。可将模拟负载的设置与卫星热设计结合起来，模拟负载的热耗可用于为卫星舱板或蓄电池组加热。当判断出蓄电池已经发生失效时，完全断开蓄电池组与母线的连接，仅通过太阳电池阵仍可在光照区维持卫星基本功能工作。
如图1所示，每个太阳电池阵输出能量经二极管隔离后，直接供给锂离子蓄电池组。蓄电池组直接接入母线，电压范围在(3.3V～4.1V)*N之间(N为蓄电池串联节数)。在光照期，太阳电池阵输出能量首先直接供给负载。当太阳电池阵输出能量大于负载所需能量时，剩余的能量给蓄电池组充电。为防止锂离子电池组过充，设若干路模拟负载并联在一次母线输出端，这些模拟负载的热耗可用于为卫星舱板或蓄电池组加热。蓄电池组通过2个开关与母线连接，一个开关是充放电开关K1，此开关闭合后，蓄电池组可直接向母线放电，太阳电池阵输出到母线的富裕的功率也可以直接为蓄电池组充电；另一个是充电开关K2，由于开关串联了二极管，当开关闭合时，母线可以通过隔离二极管为蓄电池组充电，但蓄电池组不能通过此开关向母线放电。
由能源管理软件负责电源系统的管理，根据当前电源系统提供的电源功率的大小，通过软件自主控制载荷的工作模式、模拟负载开关机的切换，以此来实现电源输入输出功率平衡。软件判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压高于某一预先设定的接通门限时，接通对应某一级负载；当蓄电池组电压低于某一预先设定断开门限时，断开对应的某一级负载。从而实现对锂离子的充放电电压控制在一定范围内，实现了充放电控制，同时达到稳定母线电压的目的。
本发明采用的能源分级调控方法如下：
1)将m组负载按重要程度分为m级。负载1对应卫星第1级负载，负载1开启工作时卫星可实现最基本功能；工作负载2对应第2级负载，……，负载m对应第m级负载。开机顺序为：1级负载→2负载，……，m级负载。
2)i级负载开机工作通过如下条件设置(i为正整数)：
采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压大于i级负载开机门限电压Vi时，i级负载开机。
负载开机门限电压Von(i)设置方法如下：
设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin；其中电池组充电状态＝电池组剩余安时容量/额定安时容量。
i级负载开机门限电压Von(i)对应电池组充电状态为
Si＝Smin+i*(Smax-Smin)/(m-1)时，蓄电池组的充电电压。
3)采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压小于i级负载关机门限电压Voff(I)时，i级负载关机。
i级负载关机门限电压Voff(i)设置方法如下：
i级关机门限电压Voff(i)对应电池组充电状态为
Si＝Smin+(i-1)*(Smax-Smin)/(m-1)时，蓄电池组的放电电压。
4)当蓄电池组电压≤蓄电池组过放电门限电压(此处设为3.3V*蓄电池串联节数)且连续持续10秒，发送“K1断开”指令；将“K1断开,蓄电池组与母线断开；
5)在K1状态为“断开”的情况下，蓄电池组自动接入门限值≤蓄电池组电压≤蓄电池组电压工作上限，同时蓄电池组温度≥正常工作温度下限值(此处设为0℃)、且连续持续10秒时，发送“充放电开关K1接通”指令，将“VK1接通,蓄电池组重新与母线连接；
6)在充电开关K2接通的情况下，当蓄电池组电压小于电池放电失效门限电压(此处设为2.7V*蓄电池串联节数)且持续10秒，此时发送“K2断开”指令，同时设置仅保留最重要的1级负载开机工作，将其余各级负载均断电，并进入“电池异常模式”。
7)“电池异常模式”下，仅保留最重要的1级负载长期开机工作，2级负载按如下流程进行调控，其余各级负载不工作：
当蓄电池组电压≥4.00V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载开机；当蓄电池组电压≤3.9V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载关机。
这里以4级负载设置为例，其中1～3级为卫星工作负载；4级为模拟负载，用以消耗太阳电池阵富余的输出功率。为避免当蓄电池组电压处在两个相邻区域之间时，开关发生来回切换的现象，这里将各判断执行区域进行了滞回特性设置，即每个开关的接通和断开判据之间都存在一定“死区”，因此不会存在当蓄电池组电压落在两个相邻区域之间时开关来回切换的现象。
设置分级工作的目的，是使当卫星工作在基础负载(即仅有长期工作的用电设备开机工作)，根据经验，蓄电池组以0.1C电流倍率放电时，单体电池电压大约在3.70V左右时，电池容量约为额定容量的60％；单体电池电压大约在4.00V左右时，电池容量约为额定容量的90％。因此，不开启模拟负载时，卫星在各个工作模式正常工作时，蓄电池组充电状态保持在60％～90％之间运行，此时对蓄电池组的安全和寿命有利，因此这里取Smax＝90％，Smin＝60％。。当单体电池电压达到4.00V时，需要限制蓄电池组的充电电流，避免过充，将通过开启模拟负载工作来维持正常工作。表1给出各级负载开关机对应电池组状态，表2给出了能源分级管理操作步骤。
表1 各级负载开关机对应电池组状态(N为蓄电池串联节数)
表2能源管理操作表
由于锂离子蓄电池组被严重过放电时，会发生永久失效，当软件判断出蓄电池组电压过低时，切断充放电开关K1，避免蓄电池组因进一步放电而导致失效。当软件判断出蓄电池组已永久失效时，进一步切断充电开关K2，断开蓄电池组与母线的连接，此时仍可通过开关机负载、匹配太阳电池阵工作点来稳定母线电压在一定范围内。见表3。
表3电池异常管理表
序号 判据 执行操作
1 母线电压≥4.00V*N且连续持续30秒 2级负载开机
2 母线电压≤3.90V*N且连续持续30秒 2级负载关机
完整的能源动态管理流程见图2。
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。

Claims (8)

1.一种用于立方星的电源系统，其特征在于：包括太阳电池阵、蓄电池组和m组负载；太阳电池阵包括P个分阵，P、m为正整数；每个分阵通过一个隔离二极管与母线连接，蓄电池组采用锂离子电池组；蓄电池组与母线正之间串有由开关K1、开关K2和二级管D1组成的电路，电路连接方式为K2与二极管D1串联后，再与开关K1并联；二极管D1阴极与蓄电池组直接连接；m组负载通过每组各自的开关与母线相连接，模拟负载与卫星真实负载并联；所述的每个太阳电池分阵由多只单体太阳电池串联而成，串联数根据蓄电池组电压确定，确保串联后太阳电池阵总的输出电压应高于蓄电池组总电压；当m组负载开关全部闭合、即m组负载全部投入工作时，负载消耗的电流之和大于P个太阳电池阵的输出电流总和。
2.一种利用权利要求1所述系统的能源分级调控方法，其特征在于：步骤如下：
1)将m组负载按重要程度分为m级；负载i对应卫星第i级负载，负载i开启工作时卫星可实现最基本功能；开机顺序为：1级负载→2负载，……，m级负载；i＝1，2……m；
2)i级负载开机工作通过如下条件设置：
采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压大于i级负载开机门限电压Vi时，i级负载开机；
3)采集并判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压小于i级负载关机门限电压Voff(I)时，i级负载关机；
4)采集蓄电池组电压，当蓄电池组电压≤蓄电池组过放电门限电压且连续持续10秒，发送“K1断开”指令；将“K1断开,蓄电池组与母线断开；在K1状态为“断开”的情况下，当蓄电池组自动接入门限值≤蓄电池组电压≤蓄电池组电压工作上限，同时蓄电池组温度≥正常工作温度下限值、且连续持续10秒时，发送“K1接通”指令，将“K1接通,蓄电池组重新与母线连接；
5)采集蓄电池组电压，在开关K2接通的情况下，当蓄电池组电压小于电池放电失效门限电压(此处设为2.7V*蓄电池串联节数)且持续10秒，此时发送“K2断开”指令，同时设置仅保留最重要的1级负载开机工作，将其余各级负载均断电，并进入“电池异常模式”；在“电池异常模式”下，仅保留最重要的1级负载长期开机工作，2级负载按如下流程进行调控，其余各级负载不工作：
采集母线电压，当母线电压≥4.00V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载开机；当母线电压≤3.9V*蓄电池串联节数且连续持续30秒，2级负载关机。
3.根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于：所述的负载开机门限电压Von(i)设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin；其中电池组充电状态＝电池组剩余安时容量/额定安时容量；i级负载开机门限电压Von(i)对应电池组充电状态为：Smin+i*(Smax-Smin)/(m-1)时，蓄电池组的充电电压；每级开机操作执行间隔一定的时间延时。
4.根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于：所述的i级负载关机门限电压Voff(i)设置方法如下：设卫星在轨运行时，电池组充电状态上限为Smax，电池组充电状态下限Smin；其中电池组充电状态＝电池组剩余安时容量/额定安时容量；i级关机门限电压Voff(i)对应电池组充电状态为：Smin+(i-1)*(Smax-Smin)/(m-1)时，蓄电池组的放电电压；每级关机操作执行间隔一定的时间延时。
5.根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于：所述的蓄电池组过放电门限电压＝3.3V*蓄电池串联节数。
6.根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于：所述的正常工作温度下限值为0℃。
7.根据权利要求1所述的一种能源分级调控方法，其特征在于：所述的电池放电失效门限电压＝2.7V*蓄电池串联节数。
8.根据权利要求3或4所述的一种能源分级调控方法，其特征在于：每级关机操作执行间隔时间延时为10s～30s。
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