CN106100096B - 一种微纳卫星低压高效电源系统 - Google Patents

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Abstract

一种微纳卫星低压高效电源系统，采用12V低压非调节母线拓扑结构，以锂离子蓄电池组作为储能装置，采用分流调节方式实现功率调节和稳压及为蓄电池组恒流‑恒压充电。对太阳电池阵进行分组连接，分别对应直接供电和分流供电；分流电路设计有故障隔离，当系统判断出分流电路发生故障时，通过与分流电路互为备份的一组开关实现稳定母线和为蓄电池组恒压充电功能；星地供电接口能实现星箭分离时卫星加电开始工作；能够针对不同寿命期进行充电管理和过放保护。采用本发明的电源系统具有低功耗，体积小、重量轻的特点，可应用于整星负载功耗5～100W的微纳卫星电源系统。

Description

一种微纳卫星低压高效电源系统
技术领域
本发明涉及一种微纳卫星低压高效电源系统，可应用于微纳卫星电源系统。
背景技术
卫星从重量上划分，一般分为大卫星、小卫星、微卫星、纳卫星和皮卫星。其中重量大于1000kg的为大卫星，重量在100kg～1000kg之间为小卫星，重量在10kg～100kg之间为微卫星，重量在1kg～10kg之间为纳卫星，重量在<1kg为皮卫星。大卫星整星功耗一般在1500W以上，采用额定值为42V、50V或100V一次母线供电。小卫星整星功耗在1500W以下，电源系统一般采用额定值为28V的一次母线，二次电源一般采用集中式与分散式供电相结合的配置，小卫星电源系统采用S3R、S4R等拓扑结构。对于1～100kg的微纳卫星，其功耗一般在5～100W,若沿用小卫星的28V一次母线设计，因为器件耐压等级提高时会增加器件的体积重量，因而不利于设备的微小型化；另外若母线电压过低又会增加功率传输环节的线路损耗。
微纳卫星与小卫星不同，它体积重量限制更严格，也有更严格的热耗要求，要求具有更高的效率；微纳卫星往往搭载发射，以避免多星之间的电磁干扰，因此往往要求发射前和发射过程不带电。锂离子蓄电池因其自身的电化学特性要求，使用中不允许过充电和过放电，因此对锂离子蓄电池的充放电管理和保护也是电源系统必须解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种微纳卫星低压高效电源系统，解决了微纳卫星电源系统小型化、轻量化、高效和搭载发射要求。
本发明的技术方案是：一种微纳卫星低压高效电源系统，包括太阳电池阵、蓄电池组、继电器K1、行程开关K2、一个隔离二极管、磁保持继电器K4-2、磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1和限压式分流调节电路；蓄电池组采用锂离子蓄电池组；太阳电池阵输出能量经二极管隔离后直接供给蓄电池组，蓄电池组直接接入母线；每块太阳电池阵包括2个太阳电池分阵，并依次顺序编号，其中每个偶数号分阵通过隔离二极管直接与一次母线连接；每个奇数号分阵除通过隔离二极管与一次母线连接外，每个奇数号分阵输出端连接另一个隔离二极管并与限压式分流调节电路连接；当太阳电池阵输出能量大于负载所需能量时，剩余的能量通过母线给蓄电池组充电；
继电器K1和一个隔离二极管并联后，连接在电池组与母线之间，其中隔离二极管的阴极连接蓄电池组输出正端；继电器K1为蓄电池接入开关；继电器K1在轨为接通状态；在继电器K1断开状态下太阳电池阵通过隔离二极管向蓄电池组充电；行程开关K2连接在太阳电池阵、蓄电池组的公共输出端与母线之间，行程开关K2有两个状态，当被压紧时，内部触点为断开状态，当它被释放时内部触点为接通状态；星箭对接后至发射前，行程开关K2状态为压紧状态，此时触点断开，卫星不加电；星箭分离后，行程开关K2被释放，卫星开始加电工作；在限压式分流调节电路与太阳电池阵之间串联有磁保持继电器K3，奇数号的太阳电池阵中的太阳电池分阵经二极管隔后离汇集在一起并且与磁保持继电器K4-1连接，偶数号的太阳电池分阵经二极管隔后离汇集在一起并且与磁保持继电器K4-2连接，磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1和磁保持继电器K4-2另一端与电源地连接；所述磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1、磁保持继电器K4-2用作限压式分流调节电路的故障隔离，当限压式分流调节电路发生短路失效时，将磁保持继电器K3断开，停止分流；当母线电压高于恒压基准设置值时，磁保持继电器K4-1、磁保持继电器K4-2闭合；当母线电压低于恒压基准设置值时，磁保持继电器K4-1、磁保持继电器K4-2恢复到断开状态。
所述限压式分流调节电路包括脉宽调制电路、驱动电路和功率开关；脉宽调制电路从母线电压取样得到采样电压信号，对该信号进行放大比较后，产生与采样电压信号对应的调宽信号，经脉宽调制电路输出的调宽信号经过驱动电路放大后，控制功率开关的导通和关断时间，并通过分流将母线电压限制在恒压基准设定值；
还包括充电电压设置开关，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和、电容C2、开关K5；开关K5与电阻R2并联；运算放大器U1为脉宽调制电路中的运算放大器，运算放大器U1的输出信号作为脉宽调制电路内部比较器的输入信号；母线电压反馈信号接到与运算放大器U1的同向输入端连接，电阻R1、电阻R2、电阻R3依次串联在一起，电阻R1的另一端与稳压电源Vref相连接，电阻R3的另一端接地；电阻R1与电阻R2的公共端同时还接到运算放大器U1的反向输入端；电阻R4与电容C1串联，再与电容C2并联后一起组成运算放大器U1的反馈网络；恒压基准设置在稳压电源Vref被电阻R1、电阻R2和电阻R3分压后，电阻R2+电阻R3的电压值；当开关K5接通时，恒压基准设置在稳压电源Vref被电阻R3和电阻R1分压后，电阻R3的电压值；开关K5的通断通过遥控指指令控制来切换。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用额定电压12V不调节母线的拓扑结构，即蓄电池组的输出电压作为母线电压。不需放电调节器，低压母线利于降低器件的耐压等级，即本发明有利于减小产品的体积重量。
(2)方阵分为分流阵和供电阵两部分，减轻分流电路的压力，同时当分流电路发生故障时，供电阵仍可为卫星提供一部分电能；另外设有串联开关和并联开关，分流电路发生故障时可切除分流电路，通过控制开关可实现功率调节和充电控制功能。即本发明具有更强的故障隔离能力。
(3)采用行程开关控制卫星自主加电。星箭对接后至发射前，卫星不加电。星箭分离后，行程开关被释放，卫星开始加电工作。这样适应多颗同时发射及搭载发射时要求的发射前和发射过程不带电的要求。
附图说明
图1为电源系统原理框图。
图2为恒压基准切换电路原理图。
图3为限压式分流调节电路原理图。
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
电源系统由三部分组成，即太阳电池阵、蓄电池组和限压式分流调节电路。充分利用锂离子电压波动小和太阳电池阵恒流的特性，选择不调节母线，以蓄电池端口电压为整星母线电压，结合轻量化的设计理念，蓄电池选取锂离子蓄电池，太阳电池阵选取三结砷化镓电池片。如图1所示。
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。在地影期，完全由蓄电池组为整星提供能量。在光照期，太阳电池阵输出能量首先直接供给负载。每块太阳电池板分为2个太阳电池分阵，其中一个分阵通过隔离二极管直接与一次母线连接；另一太阳电池分阵除通过隔离二极管与一次母线连接外，太阳电池分阵输出端连接另一个隔离二极管与限压式分流调节电路连接，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，对锂离子的充电应进行限压控制，通过分流太阳电池阵多余能量使母线电压保持恒定状态。
由于锂离子蓄电池的正常工作电压一般在3.3V～4.2V之间，对于额定电压为+12V的一次母线，选择3节锂离子串联，整星一次电源母线电压可维持在为9.9V～12.6V的范围。根据三结砷化镓电池片在-100℃～100℃内的输出电压范围，可选则7只太阳电池片串联的方式输出，太阳电池片的并联数目可根据卫星负载情况和太阳电池基板可布片面积联合确定。
限压式分流电路的是从母线电压取样，驱动分流功率级，该信号放大比较后进入脉宽调制(PWM)电路，PWM电路产生与采样电压信号对应的调宽信号，PWM电路输出的调宽信号经过驱动电路控制功率开关管的关断时间，稳定母线电压，通过分流对母线进行限压控制。蓄电池组输出断与母线直接连接，因此对母线电压进行了限压控制同时也对蓄电池组进行了限压(恒压)充电。
图1中，继电器K1为蓄电池接入开关，继电器K1既可用于地面测试，在轨可作为蓄电池组过放保护用。继电器K1在轨为接通状态。继电器K1与隔离二极管并联，在继电器K1断开状态下太阳电池阵可通过二极管向蓄电池组充电。
K2为行程开关，星箭对接后至发射前，开关状态为压紧状态，此时触点断开，卫星不加电。星箭分离后，K2被释放，卫星开始加电工作。
磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1和磁保持继电器K4-2用作分流电路的故障隔离。当分流电路发生短路失效时，将磁保持继电器K3断开，停止分流。为避免蓄电池组过充，判断蓄电池组电压，当电池组电压达到预设的断开门限值(默认为12.9V)时，将磁保持继电器K4-1、磁保持继电器K4-2闭合，此时各分阵被分流，蓄电池组放电；当电池组电压回复到预设的接入门限值时(默认为10.8V)，自动将磁保持继电器K4-1和磁保持继电器K4-2断开，各分阵重新向母线供电并为蓄电池组充电。通过遥控指令也可以切换磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1和磁保持继电器K4-2。
锂离子蓄电池组的过放电一般发生在阴影期，过放电会对锂离子电池造成不可逆转的致命损伤，造成蓄电池组永久失效，致使整个卫星无法供电。因此，系统设计时必须考虑对于锂离子蓄电池组的过放保护。通过软件判断蓄电池组电压，当蓄电池组电压到达到某设定域值时，为了保护蓄电池组不被过放电，发指令的蓄电池组放电开关继电器K1断开，即将蓄电池组与母线断开。当卫星从阴影期进入光照期后，太阳电池阵供出能量，经与蓄电池组放电开关继电器K1并联的旁路二极管给蓄电池组充电，当蓄电池组已基本充满电，此时发指令将蓄电池组接入开关接通，蓄电池组重新接入母线，恢复正常供电。
限压式分流调节电路对蓄电池组采取的是限压型充电，即当充电电压达到恒压基准设定值后，进行限压保持，此后充电电流逐步减小，考虑到有些卫星轨道有全日照季，如果负载比较轻、太阳电池功率富裕的情况下，就会出现长期给蓄电池组涓流充电的情况，蓄电池组始终处于满荷电态，对蓄电池组的寿命不利。基于这一考虑，在卫星进入全光照区后，应采取调低蓄电池组的充电电压的方法，使其充满时容量为额定容量的70％～90％左右，这样可以减小涓流对蓄电池组带来的危害。因此，电源管理模块设计了1个串联的充电电压设置开关，通过指令控制1个开关的通断状态可以相应的改变充电电压值。图2是充电电压设置电路，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和、电容C2、开关K5。K5与R2并联。U1为脉宽调制电路中的运算放大器，运算放大器的输出信号作为脉宽调制电路内部比较器的输入信号；Vref为精密稳压电源；母线电压反馈信号接到与运算放大器U1的同向输入端连接，R1、R2、R3依次串联在一起，R1一端与Vref相连接，R3一端接地；R1与R2连接的一端同时还接到U1的反向输入端；R4与C1串联、再与C2并联后一起组成运算放大器U1的反馈网络。当开关K5断开时，恒压基准设置在电压Vref被电阻R2+电阻R3和电阻R1分压所对应的值，当开关K5接通时，恒压基准设置在电压Vref被电阻R3和R1分压所对应的值；开关K5的通断通过遥控指指令控制来切换。正常情况下充电电压为12.3V(4.1V×3)，全光照模式应设为11.7V～12.0V(3.9V×3～4.0V×3)。
图3是限压式分流调节电路的原理图。U2为集成PWM控制器，Q1为功率开关管。正常情况下，开关K1为闭合状态。U2输出的两路信号经集成或门电路U3和三极管Q2、三极管Q3放大后，驱动分流功率开关管Q1。一次母线电压经电阻R19和电阻R20分压后作为母线电压反馈输出给U2内部运算放大器的同向输入端，U2内部5.1V基准经电阻R1、电阻R2、电阻R3分压后得到的电压送入放大器的反向输入端；放大器的输出作为U2内部比较器的输入，并与U2内部产生的锯齿波比较后得到调制后的两路脉冲信号，两路脉冲信号再经U3加法电路相加后，再经三极管Q2和三极管Q3放大,驱动功率开关管Q1导通或关断，实现对太阳电池阵输出分流控制，起到稳定母线的作用。
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 (3)

1.一种微纳卫星低压高效电源系统，其特征在于：包括太阳电池阵、蓄电池组、继电器K1、行程开关K2、一个隔离二极管、磁保持继电器K4-2、磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1和限压式分流调节电路；蓄电池组采用锂离子蓄电池组；太阳电池阵输出能量经二极管隔离后直接供给蓄电池组，蓄电池组直接接入母线；每块太阳电池阵包括2个太阳电池分阵，并依次顺序编号，其中每个偶数号分阵通过隔离二极管直接与一次母线连接；每个奇数号分阵除通过隔离二极管与一次母线连接外，每个奇数号分阵输出端连接另一个隔离二极管并与限压式分流调节电路连接；当太阳电池阵输出能量大于负载所需能量时，剩余的能量通过母线给蓄电池组充电；
继电器K1和一个隔离二极管并联后，连接在电池组与母线之间，其中隔离二极管的阴极连接蓄电池组输出正端；继电器K1为蓄电池接入开关；继电器K1在轨为接通状态；在继电器K1断开状态下太阳电池阵通过隔离二极管向蓄电池组充电；行程开关K2连接在太阳电池阵、蓄电池组的公共输出端与母线之间，行程开关K2有两个状态，当被压紧时，内部触点为断开状态，当它被释放时内部触点为接通状态；星箭对接后至发射前，行程开关K2状态为压紧状态，此时触点断开，卫星不加电；星箭分离后，行程开关K2被释放，卫星开始加电工作；在限压式分流调节电路与太阳电池阵之间串联有磁保持继电器K3，奇数号的太阳电池阵中的太阳电池分阵经二极管隔离后汇集在一起并且与磁保持继电器K4-1连接，偶数号的太阳电池分阵经二极管隔离后汇集在一起并且与磁保持继电器K4-2连接，磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1和磁保持继电器K4-2另一端与电源地连接；所述磁保持继电器K3、磁保持继电器K4-1、磁保持继电器K4-2用作限压式分流调节电路的故障隔离，当限压式分流调节电路发生短路失效时，将磁保持继电器K3断开，停止分流；当母线电压高于恒压基准设置值时，磁保持继电器K4-1、磁保持继电器K4-2闭合；当母线电压低于恒压基准设置值时，磁保持继电器K4-1、磁保持继电器K4-2恢复到断开状态。
2.根据权利要求1所述的一种微纳卫星低压高效电源系统，其特征在于：所述限压式分流调节电路包括脉宽调制电路、驱动电路和功率开关；脉宽调制电路从母线电压取样得到采样电压信号，对该信号进行放大比较后，产生与采样电压信号对应的调宽信号，经脉宽调制电路输出的调宽信号经过驱动电路放大后，控制功率开关的导通和关断时间，并通过分流将母线电压限制在恒压基准设定值。
3.根据权利要求2所述的一种微纳卫星低压高效电源系统，其特征在于：还包括充电电压设置开关，包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电容C1和、电容C2、开关K5；开关K5与电阻R2并联；运算放大器U1为脉宽调制电路中的运算放大器，运算放大器U1的输出信号作为脉宽调制电路内部比较器的输入信号；母线电压反馈信号接到与运算放大器U1的同向输入端连接，电阻R1、电阻R2、电阻R3依次串联在一起，电阻R1的另一端与稳压电源Vref相连接，电阻R3的另一端接地；电阻R1与电阻R2的公共端同时还接到运算放大器U1的反向输入端；电阻R4与电容C1串联，再与电容C2并联后一起组成运算放大器U1的反馈网络；恒压基准设置在稳压电源Vref被电阻R1、电阻R2和电阻R3分压后，电阻R2+电阻R3的电压值；当开关K5接通时，恒压基准设置在稳压电源Vref被电阻R3和电阻R1分压后，电阻R3的电压值；开关K5的通断通过遥控指令控制来切换。
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