CN106356975A

CN106356975A - 一种微小卫星能源系统

Info

Publication number: CN106356975A
Application number: CN201610818059.0A
Authority: CN
Inventors: 张佳亮; 周蒙; 张建国; 杨晓生; 陆运章; 蒋超
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2017-01-25

Abstract

本发明公开了一种微小卫星能源系统，包括太阳电池阵、带MPPT充电管理单元、电压变换单元、电池管理单元和蓄电单元，所述带MPPT充电管理单元与所述太阳电池阵相连、用于设定所述太阳电池阵的输出电压以输出最大功率；所述电压变换单元与所述带MPPT充电管理单元相连、用于将带MPPT充电管理单元的输出电压变换成负载所需的电压；所述电池管理单元分别与所述带MPPT充电管理单元和蓄电单元相连、用于接收带MPPT充电管理单元的输出电压并输出与所述蓄电单元一致的输出电压。本发明的微小卫星能源系统具有结构简单、功耗低、充放电可控等优点。

Description

一种微小卫星能源系统

技术领域

本发明主要涉及卫星技术领域，特指一种微小卫星能源系统。

背景技术

卫星电源系统是卫星关键分系统之一，它为卫星的其他分系统和有效载荷提供能量支撑。电源系统一般有“供电系统”和“配电系统”两部分。供电系统部分由发电系统和电源控制设备组成，而发电系统由主电源和储能电池组成。主电源是卫星的主要发电装置，将其他形式的能量转化为电能。储能电源是卫星阴影区唯一的能源，在卫星有峰值功率需求时，也提供能量。电源控制设备在光照区完成对太阳电池阵输出功率进行调节，在地影区对蓄电池组实施充放电控制及保护等，完成遥测信号的取样及预处理，接受并执行遥控指令及地面有线指令。配电系统包括功率变换单元、控制单元、分流调节单元。微小卫星由于系统相对简单，因此配电系统与供电系统合二为一，统称电源系统。

能源系统是微小卫星其他功能正常进行的保障，而且由于星用能源系统对电子元器件有着较高的要求，因此，微小卫星用能源系统多采用可靠性高、集成度低的器件构成的DET能量传输方式，但是，随着工业用电子元器件的发展，成熟的高集成度的工业用芯片已经能够满足星用电子元器件的需求，为了降低成本和提高能量利用效率，采用低成本、高集成度的MPPT能量传输方式成为微小卫星能源系统的发展趋势，但常见的MPPT能量传输方式系统结构相对复杂。下面就DET能量传输方式和MPPT能量传输方式作进一步分析如下：

(1)DET方式的太阳电池阵的输出功率直接传递给负载，采用分流器调节太阳电池阵的输出功率，使母线电压维持在预定范围内，将超过负载需要的功率消耗掉，属于耗散型调节方式。同时，母线电压设定值与太阳电池阵最大功率点电压值不一致，所以DET方式无法最大程度利用太阳电池功率。

(2)常见MPPT能量传输方式电路结构复杂，电压转换和追踪算法实现电路都存在功耗。MPPT方式的太阳电池阵与一个DC/DC变换器串联。它根据太阳电池阵的输出伏安特性曲线动态地改变工作电压点，使工作电压点处于峰值功率点，然后该变换器将峰值的输入功率转换成所需的输出功率。但是其中的变换器电路和最大功率点算法实现电路都存在着功耗。

另外在一些能源系统中，充电电流过大时，采取直接切断充电回路方式，不仅带来了能量损失，而且使用的MPPT方式相对复杂，变换器电路和最大功率点算法实现电路存在损耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、具有充电管理的微小卫星能源系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种微小卫星能源系统，包括太阳电池阵、带MPPT充电管理单元、电压变换单元、电池管理单元和蓄电单元，所述带MPPT充电管理单元与所述太阳电池阵相连、用于设定所述太阳电池阵的输出电压以输出最大功率；所述电压变换单元与所述带MPPT充电管理单元相连、用于将带MPPT充电管理单元的输出电压变换成负载所需的电压；所述电池管理单元分别与所述带MPPT充电管理单元和蓄电单元相连、用于接收带MPPT充电管理单元的输出电压并输出与所述蓄电单元一致的输出电压。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述带MPPT充电管理单元包括芯片U1、电阻R1～R6、电容C1～C5、二极管D2、开关管Q1～Q2、电感L1，所述电阻R1、R2的一端均与U1的MPPTSET脚相连，所述电阻R1、R2的另一端分别与所述太阳电池阵的正负极相连，所述U1的VCC端经电容C1与GND相连并经电阻R3与太阳电池阵的正极相连，所述二极管D2的正极与U1的REGN端相连并经电容C2与GND相连，所述D2的负极与U1的BTST端相连并经电容C3与U1的PH端相连，所述开关管Q1的G极与U1的HIDRV端相连，Q1的S极与Q2的D极相连，Q1的D极与太阳电池阵的正极相连；Q2的G极与U1的LODRV端相连，Q2的S极与GND相连，所述电感L1的一端与U1的PH端相连，另一端分别与电阻R4的一端和U1的SRP端相连，电阻R4的另一端与U1的SRN端相连，电容C4与电阻R4并联，电阻R5的一端与电阻R4的另一端相连，电阻R5的另一端与U1的VFB端相连并经电阻R6与GND相连，所述电容C5与电阻R5和R6并联。

所述太阳电池阵的正极与开关管Q1之间串联有二极管D1，所述D1的正极与太阳电池阵的正极相连，负极与Q1的D极相连。

所述电压变换单元包括芯片U2、电阻R7～R11、电容C6～C7，U2的VIN端连接带MPPT充电管理单元的输出端和电池管理单元的输入端，电阻R7的一端与U2的VIN端相连，另一端与U2的EN端相连并经电阻R8与GND相连；电阻R9的一端与U2的RON相连，另一端与U2的VIN端相连并经电容C6与GND相连，U2的SS端经电容C7与GND相连，所述电阻R11的一端与U2的FB端相连并经电阻R10与GND相连，另一端连接U2的VOUT端并经电容C9与GND相连。

所述电阻R11并联有电容C8。

所述电池管理单元包括芯片U3，电阻R12～R14、开关管Q3～Q4、电容C10～C11；所述电阻R12的一端与U3的VM端相连，另一端与Q4的S极相连，Q4的G极与U3的CO端相连，Q4的D极与Q3的D极相连，Q3的G极与U3的DO极相连，Q3的S极与带MPPT充电管理单元的输出端相连，所述电阻R13的一端与U3的VDD相连，另一端与蓄电单元相连，电阻R14的一端与U3的VC相连，并经C11与GND相连，另一端与蓄电单元相连，所述电容C10的一端与U3的VSS端相连，另一端与U3的VDD端相连。

所述太阳电池阵包括多个太阳电池组，多个太阳电池组之间相互并联，每个太阳电池组包括多个串联的太阳电池。

每个太阳电池组中均串联有一个防反二极管，所述防反二极管的正极与输出负端相连，负极与输出正端相连。

所述太阳电池为砷化镓太阳电池。

所述蓄电单元为锂离子蓄电池。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的微小卫星能源系统，采用带MPPT的充电管理单元，应用一种简便的MPPT方式，将MPPT和充电管理单元结合起来简化了电路结构，同时确保太阳电池阵最大功率输出，电池管理单元能对蓄电单元充电进行控制，并且可以限制蓄电单元的充电电流，防止其轻易的进入过充电电流保护，而且电压变换单元能够根据负载的要求输出相对应的电压。

附图说明

图1为本发明的方框结构图。

图2为本发明的太阳电池阵的结构示意图。

图3为本发明的带MPPT充电管理单元的电路原理图。

图4为本发明的电压变换单元的电路原理图。

图5为本发明的电池管理单元的电路原理图。

图中标号表示：1、太阳电池阵；2、带MPPT充电管理单元；3、电压变换单元；4、电池管理单元；5、蓄电单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图5所示，本实施例的微小卫星能源系统，包括太阳电池阵1、带MPPT充电管理单元2、电压变换单元3、电池管理单元4和蓄电单元5，带MPPT充电管理单元2与太阳电池阵1相连、用于设定太阳电池阵1的输出电压以输出最大功率；电压变换单元3与带MPPT充电管理单元2相连、用于将带MPPT充电管理单元2的输出电压变换成负载所需的电压；电池管理单元4分别与带MPPT充电管理单元2和蓄电单元5相连、用于接收带MPPT充电管理单元2的输出电压并输出与蓄电单元5一致的输出电压。本发明的微小卫星能源系统，采用带MPPT的充电管理单元，应用一种简便的MPPT方式，将MPPT和充电管理单元结合起来简化了电路结构，同时确保太阳电池阵1最大功率输出，电池管理单元4能对蓄电单元5充电进行控制，并且可以限制蓄电单元5的充电电流，防止其轻易的进入过充电电流保护，而且电压变换单元3能够根据负载的要求输出相对应的电压。

如图3所示，本实施例中，带MPPT充电管理单元2包括芯片U1(如BQ24650)、电阻R1～R6、电容C1～C5、二极管D2、开关管Q1～Q2、电感L1，电阻R1、R2的一端均与U1的MPPTSET脚相连，电阻R1、R2的另一端分别与太阳电池阵1的正负极相连，电阻R1和R2用于设定太阳电池阵1的最大功率点电压，当太阳电池阵1电压低于最大功率点电压时，芯片U1降低输出电流，使输入电压升高至最大功率点电压，实现最大功率输出；U1的VCC端经电容C1与GND相连并经电阻R3与太阳电池阵1的正极相连，即用于给芯片U1供电；二极管D2的正极与U1的REGN端相连并经电容C2与GND相连，D2的负极与U1的BTST端相连并经电容C3与U1的PH端相连，开关管Q1的G极与U1的HIDRV端相连，Q1的S极与Q2的D极相连，Q1的D极与太阳电池阵1的正极相连；Q2的G极与U1的LODRV端相连，Q2的S极与GND相连，电感L1的一端与U1的PH端相连，另一端分别与电阻R4的一端和U1的SRP端相连，电阻R4的另一端与U1的SRN端相连，电容C4与电阻R4并联，电阻R5的一端与电阻R4的另一端相连，电阻R5的另一端与U1的VFB端相连并经电阻R6与GND相连，电容C5与电阻R5和R6并联。其中开关管Q1、Q2是同步整流降压电路的上下两开关管，Q1为上管，Q2是下管；D2、C3提供上管悬浮驱动电路所需的压差；HIDRV、LODRV分别是上管和下管的驱动端口；电感L1是降压电感，使电路工作在降压阶段；电阻R4是充电电流设置电阻，可通过R4来设定输出电流；C4是并在R4两端的滤波电容；R5、R6与VFB引脚相连，用于对输出电压进行反馈控制；C5是输出滤波电容；通过R4可实现恒流充电，当充电电流大于设定电流值时，SRP、SRN反馈信号，调整开关管驱动信号，从而降低充电电流值到设定值，防止了蓄电单元5进入过电流充电保护状态，因为过电流充电保护状态往往带来能量的损耗。

本实施例中，太阳电池阵1的正极与Q1之间串联有二极管D1，D1的正极与太阳电池阵1的正极相连，负极与Q1的D极相连，防止能量从蓄电单元5侧灌入太阳电池阵1。

如图4所示，本实施例中，电压变换单元3包括芯片U2、电阻R7～R11、电容C6～C8，其中U2的型号为LM12003，其内部集成了开关管和屏蔽电感器；U2的VIN端连接带MPPT充电管理单元2的输出端和电池管理单元4的输入端，用于检测端口电压；电阻R7的一端与U2的VIN端相连，另一端与U2的EN端(使能端)相连并经电阻R8与GND相连，；电阻R9的一端与U2的RON相连，另一端与U2的VIN端相连并经电容C6与GND相连R9是导通时间电阻，与VIN配合可设置导通时间，其中C6为输入电压的滤波电容；U2的SS端经电容C7(软启动电容)与GND相连，电阻R11的一端与U2的FB端相连并经电阻R10与GND相连，另一端连接U2的VOUT端并经电容C9与GND相连，其中C9对输出电压进行滤波，电阻R10和R11用于对输出电压进行调节，形成闭环控制，电容C8与电阻R11并联，对环路控制提供相位补偿，提高输出电压和稳定性。输出电压可通过R10、R11设置为所需的3.3V和5V。

如图5所示，本实施例中，电池管理单元4包括芯片U3(如S8252)，电阻R12～R14、开关管Q3～Q4(其中Q3为放电执行器件、Q4为充电执行器件)、电容C10～C11；电阻R12的一端与U3的VM端相连，另一端与Q4的S极相连，电阻R12应对充电器的反向连接，并作为过电流/充电器检测端子连接电阻；Q4的G极与U3的CO端(充电控制口)相连，Q4的D极与Q3的D极相连，Q3的G极与U3的DO(放电控制口)极相连，Q3的S极与带MPPT充电管理单元2的输出端相连，电阻R13的一端与U3的VDD相连，另一端与蓄电单元5相连，电阻R14的一端与U3的VC相连，并经C11与GND相连，另一端与蓄电单元5相连，电容C10的一端与U3的VSS端相连，另一端与U3的VDD端相连。其中电阻R13和R14作为ESD保护功能，并结合电容C10、C11形成高频滤波电路；通过监视连接在VDD引脚-VSS引脚间的电池电压以及VM引脚-VSS引脚间的电压差，来控制充电和放电。

如图2所示，本实施例中，太阳电池阵1包括多个太阳电池组，多个太阳电池组之间相互并联，每个太阳电池组包括多个串联的太阳电池。其中太阳电池采用30×40mm的三结砷化镓高效太阳电池作为发电单元。如图2所示，采用6片砷化镓太阳电池串联，然后2串并联的方式进行排布，共12片电池，用特定的胶表贴在星体表面，构成一个太阳电池阵1列。每片三结砷化镓间距约0.5mm，串间距约1mm，安装边约9mm。每一串电池片均串接一个防反二极管，防反二极管的正极与输出负端相连，负极与输出正端相连，每一块电池片内部自带旁路二极管。

本实施例中，蓄电单元5为锂离子蓄电池。根据微小卫星母线电压7V～8.4V，单体锂离子蓄电池最高充电电压为4.2V，可计算出电池组的最大串联节数为2节。为保证锂离子蓄电池供电的稳定性及长期使用寿命，锂离子蓄电池的放电深度取10％～20％，锂离子蓄电池按10Ah容量设计可满足需求。10Ah容量可通过并联三串容量为3400mAh的18650锂离子蓄电池来实现。

本发明基于成熟工业芯片提出的微小卫星能源系统，节省了资源成本。太阳电池阵1采用转换效率高的电池片以最大限度获取太阳能；带MPPT充电管理单元2能够最大限度地利用太阳能电池阵输出，并对蓄电池充电进行控制，限定蓄电池充电电流，不让其轻易陷入过充电电流保护；电压变换单元3将带MPPT充电管理单元2输出的电压值进行变换，输出满足各负载要求的能源；电池管理单元4对蓄电池的充电情况进行控制，不会轻易进入过电流充电保护，节约能源。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种微小卫星能源系统，其特征在于，包括太阳电池阵(1)、带MPPT充电管理单元(2)、电压变换单元(3)、电池管理单元(4)和蓄电单元(5)，所述带MPPT充电管理单元(2)与所述太阳电池阵(1)相连、用于设定所述太阳电池阵(1)的输出电压以输出最大功率；所述电压变换单元(3)与所述带MPPT充电管理单元(2)相连、用于将带MPPT充电管理单元(2)的输出电压变换成负载所需的电压；所述电池管理单元(4)分别与所述带MPPT充电管理单元(2)和蓄电单元(5)相连、用于接收带MPPT充电管理单元(2)的输出电压并输出与所述蓄电单元(5)一致的输出电压。

2.根据权利要求1所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述带MPPT充电管理单元(2)包括芯片U1、电阻R1～R6、电容C1～C5、二极管D2、开关管Q1～Q2、电感L1，所述电阻R1、R2的一端均与U1的MPPTSET脚相连，所述电阻R1、R2的另一端分别与所述太阳电池阵(1)的正负极相连，所述U1的VCC端经电容C1与GND相连并经电阻R3与太阳电池阵(1)的正极相连，所述二极管D2的正极与U1的REGN端相连并经电容C2与GND相连，所述D2的负极与U1的BTST端相连并经电容C3与U1的PH端相连，所述开关管Q1的G极与U1的HIDRV端相连，Q1的S极与Q2的D极相连，Q1的D极与太阳电池阵(1)的正极相连；Q2的G极与U1的LODRV端相连，Q2的S极与GND相连，所述电感L1的一端与U1的PH端相连，另一端分别与电阻R4的一端和U1的SRP端相连，电阻R4的另一端与U1的SRN端相连，电容C4与电阻R4并联，电阻R5的一端与电阻R4的另一端相连，电阻R5的另一端与U1的VFB端相连并经电阻R6与GND相连，所述电容C5与电阻R5和R6并联。

3.根据权利要求2所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述太阳电池阵(1)的正极与开关管Q1之间串联有二极管D1，D1的正极与太阳电池阵(1)的正极相连，负极与Q1的D极相连。

4.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述电压变换单元(3)包括芯片U2、电阻R7～R11、电容C6～C7，U2的VIN端连接带MPPT充电管理单元(2)的输出端和电池管理单元(4)的输入端，电阻R7的一端与U2的VIN端相连，另一端与U2的EN端相连并经电阻R8与GND相连；电阻R9的一端与U2的RON相连，另一端与U2的VIN端相连并经电容C6与GND相连，U2的SS端经电容C7与GND相连，所述电阻R11的一端与U2的FB端相连并经电阻R10与GND相连，另一端连接U2的VOUT端并经电容C9与GND相连。

5.根据权利要求4所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述电阻R11并联有电容C8。

6.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述电池管理单元(4)包括芯片U3，电阻R12～R14、开关管Q3～Q4、电容C10～C11；所述电阻R12的一端与U3的VM端相连，另一端与Q4的S极相连，Q4的G极与U3的CO端相连，Q4的D极与Q3的D极相连，Q3的G极与U3的DO极相连，Q3的S极与带MPPT充电管理单元(2)的输出端相连，所述电阻R13的一端与U3的VDD相连，另一端与蓄电单元(5)相连，电阻R14的一端与U3的VC相连，并经C11与GND相连，另一端与蓄电单元(5)相连，所述电容C10的一端与U3的VSS端相连，另一端与U3的VDD端相连。

7.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述太阳电池阵(1)包括多个太阳电池组，多个太阳电池组之间相互并联，每个太阳电池组包括多个串联的太阳电池。

8.根据权利要求7所述的微小卫星能源系统，其特征在于，每个太阳电池组中均串联有一个防反二极管，所述防反二极管的正极与输出负端相连，负极与输出正端相连。

9.根据权利要求7所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述太阳电池为砷化镓太阳电池。

10.根据权利要求1或2或3所述的微小卫星能源系统，其特征在于，所述蓄电单元(5)为锂离子蓄电池。